淺談薄壁筒樁

顏映春

1 研究背景及意義

我省地處我國華南南部,存在著較多復雜的軟土地基,在這些地質條件下修建高等級公路要進行軟基處理,以增加地基的穩定性及減少沉降。軟基處理方法的選擇使用對工程質量、工期和經濟效益均有重要的影響。目前軟基處理的方法主要有樁基、攪拌(粉、漿)樁、強夯法和真空預壓、超載預壓等加固方法,每種加固技術都有它的適用性和局限性。樁基形式種類繁多,如果細分,竟超過80種之多(吳慶曾,2000年)。樁基在加固軟土地基中使用由于施工速度快,可大大縮短工期,加固處理深度不受限制,適宜各種地質條件,可明顯增加路基的穩定性,提高地基的承載力和減少變形,長久以來,在道路工程中,都得到普遍應用。這其中主要包括沉管灌注樁、鉆孔灌注樁和預應力管樁。尋求用較少的混凝土方量,施工方便、成樁質量可靠,造價較低、承載力高,且地基穩定性增加明顯的新樁型成為迫切需要解決的問題。正是在上述的背景下,才研制了現澆混凝土薄壁筒樁(簡稱筒樁)。筒樁作為一種新樁型,派生于沉管灌注樁技術,具有較好的應用前景。因此,本設計采用現澆混凝土薄壁筒樁加固橋頭軟基,并對其進行試驗研究,為設計的合理性提供科學依據,并假設在相同的地質與荷載條件下,筒樁與粉噴樁、塑料排水板、Y形樁進行加固軟基的效果及效益比較,探討橋頭軟基最合適的加固方法。

2 筒樁的施工原理

筒樁主要原理是采取自動排土振動灌注而成筒樁。施工原理簡述如下:把筒體樁靴套入外、內鋼質套管之間的孔腔內,該外、內套管的下端面與樁靴上的外、內支承面相接觸;上部與壓蓋連接,且內套管上部成錐度管穿過壓蓋,插入施力壓頭與出泥孔導通;然后將切削頭壓入土層。接著振動下沉,在成圓筒形孔的同時亦同步自動排出土體,隨后放入鋼筋籠及灌注混凝土,一邊灌注混凝土,一邊振動拔出成孔器套管即成筒狀管樁。

3 筒樁加固橋頭軟基設計原則

本次設計按路基平面應力分布及允許沉降量兩個原則來布置筒樁。路肩段負荷較小,因而樁數可適量減少;路面段為路基荷載(填土高4.5 m)分布區,因此是本工程樁量的密集區。筒樁采用梅花形布設。筒樁直徑設計采用1 000 mm,壁厚120 mm,樁身混凝土強度等級C25,主要從目前的打樁設備、成孔器大小及筒樁抗荷載能力考慮。為提高單樁承載力,在筒樁樁頂設計蓋板,為比較有蓋板區與無蓋板區兩層土工格柵加固的沉降量,在K 16+678～K 16+702段設計有蓋板區,K 16+702～K16+741段設計無蓋板區,輔以兩層土工格柵加固。由于與筒樁處理段接鄰是塑料排水板加固區,塑料排水板加固區沉降量較大,而筒樁加固區沉降量小,為避免二者之間的沉降差異,在二者之間設置一過渡段,通過改變樁長來調整兩者沉降差異。

4 設計方案的確定

根據筒樁加固區樁土復合地基的計算結果,為了減少跳車問題,接橋路段筒樁樁端打至持力層,筒樁的設計極限承載力為1 000 kN,工后沉降為9.8,最小滑動安全系數為1.524;過渡段筒樁依次設計為17 m～15 m,相對應的工后沉降量10.2 cm～13.7 cm,最小滑動安全系數為1.527。

5 筒樁復合地基設計

設計采用梅花形布置,樁間距為2.5 m,樁徑為 1 000 mm,壁厚120 mm,混凝土等級為C25。接橋路段樁長為18 m,樁端為④-1粉質黏土層,過渡帶 25 m范圍,樁長依次設計為17 m,16 m,15 m,樁端為②-1淤泥質黏土層,具體布設見圖1。

根據本次試驗的目的和筒樁設計實際情況,將試驗路段劃分為四個區(A,B,C,D區),各設置一監測斷面,如圖1所示。A區為蓋板筒樁聯合單層土工格柵,B區為無蓋板筒樁聯合雙層土工格柵,C區為塑料排水板超載預壓聯合土工格柵,D區為塑料排水板超載預壓。

6 筒樁質量監控

6.1 樁身質量檢測

對10根筒樁進行現場開挖,其中3根樁為試樁,開挖的深度不一(6 m～18 m)。結果表明,筒樁內、外壁表面光滑,壁厚均勻,未發現薄壁坍落、縮頸等不良現象。對開挖的6根樁進行鉆探取芯結果表明,除樁頂附近壁厚部分小于12 cm外,其余各段厚度基本在(12.0±0.3)cm附近。從3根樁各抽一組芯樣進行單軸抗壓強度試驗結果表明,試樣混凝土強度均大于設計值C25,強度分布均勻,自上而下,混凝土強度有所提高。

6.2 豎向靜載試驗

共做了8根單樁,1組4根樁復合地基(QZFH)豎向靜載荷試驗。試樁C-19F是試樁C-19靜載后進行復測,加載到破壞。試樁R-12被挖去土芯7 m,試樁A2-16的土芯18 m全部挖去,以便進行對比試驗。各試樁均按慢速維持荷載法進行試樁。試樁中,除Q-2,U-2兩樁有明顯的第二拐點,曲線呈陡降型外,其余曲線均呈緩變型。18 m的樁荷載—沉降性狀均呈緩變型,除A2-16樁外單樁極限承載力均大于1 000 k N,可取1 440 kN。比設計單樁極限承載力(1 000 k N)提高44%。16 m的樁荷載—沉降性狀呈緩變型、陡降型各占一半,單樁極限承載力均大于 800 k N,取800 k N,比設計單樁極限承載力(720 k N)提高11%。試樁R-12內芯土也被挖去7 m,故其極限承載力比滿芯樁低些,兩個取芯試樁的Q—S曲線總體沉降量都較大,但實測Q—S曲線均為緩變型,故單樁豎向極限承載力仍可分別取1 000 k N和800 k N。由試樁A2-16和R-12與其他試樁結果比較表明,筒樁的內側摩阻力是存在的。

7 結論與建議

1)薄壁筒樁施工工藝簡單,成樁速度快,施工質量易于控制,但由于沉模時要克服內模土芯、樁模與土層之間的雙重摩阻力,設備功率必然要加大,需要專用重型樁機,且由于用振動錘振動沉樁,必有振動,對周邊環境有影響。

2)薄壁筒樁有內外側壁,存在內外側摩阻力。

3)在施工費用上,筒樁加固費用較高,但預壓期短,無需受填筑速率控制,可一次性填筑至設計標高。對于箱涵、涵洞等加固區,可避免二次開挖,使整個工期大大縮短。

4)加蓋蓋板,能有效地降低土沉降。在滿足承載力要求的允許沉降量前提下,加大蓋板面積,放大樁間距,可降低工程造價。

5)土工格柵對于筒樁處理軟基必不可少,使筒樁和樁間土能相互作用,使樁間土上的應力轉移到筒樁上來,使路基沉降均勻,提高路基的穩定性。

6)筒樁成樁以后,質量檢測簡單易行,可通過低應變測試樁身完整性,通過高應變測試單樁承載力。

7)筒樁技術處理軟土地基從根本上解決了軟土地基的不均勻沉降問題,有工后沉降小和路基穩定性好等特點。而其他處理軟基方法均是治標不治本,這是筒樁與其他方法最重要的本質差別。

進入21世紀以來,我國每年各種樁的用量已經超過500萬根,綜合考慮軟基加固的技術效果和經濟效益,用筒樁加固高速公路橋頭軟土路基,特別是對地基強度和工后沉降要求較高(如高填方的臺后路基)且軟土性質差的路段,其技術上是優越的,綜合比較社會效益是明顯的。不過在滿足承載力要求的前提下,建議優先使用Y形樁,因為兩者都派生于沉管灌注樁,且從兩者的對比來看,Y形樁的確有一定的優勢,本次設計遺憾的是由于沒有Y形樁的試驗觀測數據,無法進一步探討其與筒樁加固軟基的效果區別,只能從理論上來分析。

目前,現澆混凝土薄壁筒樁已經有多項中國國家專利及美國國家專利。從已經施工完成的筒樁應用情況來看,筒樁應用已不受施工環境以及地質條件限制。過去筒樁應用受限制主要表現在兩個方面:1)施工樁的激振錘提供的激振力不能滿足要求;2)筒樁施工存在一定的擠土效應。目前,我國施工筒樁的振動錘多數還是從國外引進,成本較高。而隨著國內中鐵工程機械研究設計院自行研制開發的大型高頻液壓振動錘的問世,可以很好地解決激振力不足及造價高的問題。而后者則只需外加抓土裝置,可直接從內管取土,以減少內管土的阻力,從而達到減小擠土效應的目的。

[1] 張曉青.淺談幾種軟土地基處理的方法[J].山西建筑,2009,35(6):153-154.