氯鹽-硫酸鹽環境下高鐵路基螺釘樁施工關鍵技術

朱兆榮 秦昌樂 丁鴻程 吳紅剛 張重慶

(1. 中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730099; 2. 蘭州交通大學,蘭州 730070;3. 中鐵二十局集團有限公司,西安 710016)

引言

螺釘樁是一種新型擠土樁,由上部的圓柱形直桿段和下部螺絲形螺紋段組成。 相較于傳統的直桿樁,螺釘樁上部直桿段可以增加樁身受力面積,提高強度;其下部螺紋段可增強與土體的咬合力,提高樁身的承載能力,同時螺牙增強了樁周土體的側摩阻力和端承力,另外還具有無振動、環保性好、適用性強等諸多優點。

目前,國內研究主要基于現場實驗、室內模型試驗及數值模擬對螺釘樁的承載特性、作用機理和施工工藝等方面進行研究。 李新凱通過理論探索得到螺桿樁的2 種破壞形式,然后對螺桿樁承載特性進行原位試驗研究,最后使用ABAQUS 軟件對螺桿樁單樁和群樁基礎承載特性進行研究[1];王曙光通過設計螺桿樁和直桿樁的室內模型試驗得到在荷載作用下2 種樁體發生破壞形式及兩者的承載機理和承載力特點,并通過工程現場的試驗進行了驗證[2];張克輝基于在建某高速鐵路地基工程,研究在松軟土地區螺桿樁的施工工藝、承載能力及沉降特性[3];萬鵬洲采用現場試驗和模型實驗的方式分析富含鹽漬土地區某鐵路工程螺桿樁施工關鍵技術和承載受力特性,總結了現場施工的工藝方法和采用的重要技術參數[4];方崇通過設計靜荷載作用下螺桿樁實驗,分析螺桿樁在受到豎向荷載作用下的受力傳遞機制以及螺桿樁的受力破壞特性[5]。

綜上所述,目前的研究主要集中于理論、試驗及數值模擬分析樁承載力發揮機理和極限承載力及受力特性方面。 針對螺釘樁施工方面研究相對缺乏,氯鹽-硫酸鹽環境下螺釘樁施工方面更是罕有介紹。 為了確保螺釘樁成樁質量的可靠性,依托包銀鐵路項目,從螺釘樁打樁順序、打樁速率、混凝土配比等施工關鍵技術及效果評價方面進行研究,以更好地指導復合地基施工,同時為同類項目施工提供經驗參考。

1 工程概況

包銀鐵路作為我國“八縱八橫”高速鐵路主通道之一京蘭通道的重要組成部分,是西北四省區與京津冀、東北地區旅客交流的主通道之一。 鐵路銀川至惠農段位于寧夏回族自治區石嘴山市、銀川市境內,線路北起包蘭鐵路惠農站,經石嘴山市惠農區、大武口區、平羅縣,自沙湖景區西側約2.6 km 處通過,沿包蘭鐵路東側南行經過賀蘭縣,接入在建銀西高鐵銀川站高速場。

本段地基位于寧夏回族自治區石嘴山市星海湖東南側,其處理范圍為DK462+511.77 ～DK464+600。 涉及地層主要有第四系全新人工填土、沖擊、粉土、湖積、沼澤地層。 巖性主要有粉質黏土、黏土、粉土、粉砂、細砂。 地下水埋深一般在0.4～4.4 m,土體含鹽量高,氯鹽環境作用和硫酸鹽環境作用等級為L3 和H3,對混凝土腐蝕性較大,土體性質較差。 本段路基1 ～8 股道及旅客站臺路堤地基均采用?0.4 m、間距2 m、樁頂墊層厚0.6 m、樁長13～20 m 的螺釘樁復合地基,螺釘樁結構構造見圖1。

圖1 螺釘樁結構構造

1.1 螺釘樁施工工藝及設備

包銀高鐵路基工程螺釘樁施工采用JZU90 型螺釘樁鉆機,輸送泵采用HBT60 型輸送泵。 根據螺釘樁現場施工需求,鉆機、注漿機能滿足現場施工質量要求和施工建設進度需求,螺釘樁施工工藝流程見圖2。

1.2 螺釘樁施工主要過程

(1)施工準備

施工前,按照施工方案計劃對鉆孔進行放線,隨后校正鉆機塔身周邊的垂直標桿,使鉆桿位于樁位中心的正上方,使其垂直度偏差在1%以內,樁位偏差在5 cm 以內,施工準備主要過程見圖3。

圖3 施工準備主要過程

(2)樁身施工

鉆頭鉆至設計深度時,進行提桿和泵送混合料,形成混凝土螺紋段樁身。 當樁身混凝土泵送至樁頂設計高程以上20～30 cm 時,對樁頂以下2.5 m 內混凝土進行振搗,以保障樁身強度,螺釘樁樁帽采用樁頭前截法工藝,在澆筑完成以后,采取塑料膜覆蓋對樁身進行養護,其施工主要流程見圖4。

圖4 樁身施工主要流程

2 螺桿樁關鍵施工工藝

2.1 施工順序控制

擠土效應作為樁基施工中常遇到的問題,會導致樁周邊土體的孔隙率、土體重度、黏聚力、飽和程度等發生改變,造成周邊土體不均勻沉降,影響正常施工計劃的進行。 螺釘樁作為一種異形混凝土樁,需采用帶有自控裝置的旋擠式鉆機,其成樁過程中需進行取土,澆筑混凝土樁身及混凝土樁身的凝固過程也會擠壓土體。 因此,在打樁過程中,需要著重考慮施工對樁身周的土體產生的擠密作用。

采用圓孔擴張理論來計算擠密區影響半徑[6-9]。對周邊土體做如下假定:土體是均勻的彈塑性材料,忽略其自身的自重,采用摩爾庫倫理論進行計算,具體計算見圖5。

圖5 圓孔擴張理論假設示意

土體體積的改變是由彈性區和塑性區的體積變化共同決定的,有

式中,Δ為塑性區平均體積應變;up為塑性區外側邊界徑向位移;為土體總體積變化;為彈性區土體體積變化;為塑性區土體體積變化。

經過整理推導,影響半徑表達式為

王興龍等認為,在施工中順著打樁方向產生的土體水平位移和豎向位移為逆著打樁方向的3 倍[10],表明施工中土體的位移變化量受打樁順序影響較大。 因此,打樁順序可以在不同程度上控制土體的位移量,同時結合現場施工,最終采用樁間距2 m,正方形布置,由路基一側向另一側推進,螺釘樁施打順序示意見圖6。 經現場試樁,未出現串孔及樁體擠壓破壞等不良現象。

圖6 螺釘樁施打順序示意

2.2 螺釘樁施工速度控制

打樁速率主要作用是減小土體產生的超孔隙水壓力,從而降低對土體變形產生影響。 在沉樁過程中,土顆粒受到側向壓力擠壓,沉樁速率如果過快,土體周邊水不能快速排除,從而造成土體周邊產生過大的壓力,影響正常施工進度;若沉樁速率過慢,則在長時間的沉樁過程中,樁身周圍土體會發生再固結現象,導致樁的下沉難度加大。 目前在土體理論中計算超孔壓最常用的是 Henkel 公式[11],其主要的表達式為

式中,σ0ct為八面體正應力增量;τ0ct為八面體剪應力增量;β、αf為空間應力條件下孔隙水壓力參數。

研究發現,打樁時土體中超孔隙水壓力的消散速度遠小于其增長速度,但在施工間隔期,土體的超孔隙水壓力會發生回落[12]。 因此,在施工中可以通過控制打樁速率來降低超孔隙水壓力對土體造成的影響。 因此,在本項目螺釘樁施工中下鉆過程中,根據結合現場螺釘樁試樁施工記錄情況和樁身質量檢測的結果,建議鉆進速度為2.5 m/min,而灌注和拔管的提升速度在2～2.5 m/min 之間。 此外,電流保持在100 ～130 A的范圍內進行控制。

2.3 氯鹽-硫酸鹽環境混凝土配合比控制

研究混凝土結構的性能退化和壽命縮短是土木工程領域目前關注的重點問題,其中環境因素對混凝土有較大影響[13]。 混凝土受硫酸侵蝕是一個非常復雜的物理化學過程,影響因素可分為內部因素和外部因素(見圖7)。

圖7 硫酸侵蝕影響因素分析

硫酸鹽侵蝕主要是硫酸根與水泥水化產物反應形成膨脹產物導致混凝土破損剝落[14-15]。 外界硫酸根離子進入混凝土后,首先會和氫氧化鈣反應生成石膏,而后與部分鋁相反應生成鈣礬石[16]。 其主要反應式如下[17]。

鈣礬石具有膨脹性,與孔壁接觸時會產生膨脹內應力[18],導致混凝土膨脹開裂,從而使混凝土的力學性能(如強度等)降低。 而氯鹽侵蝕是混凝土結構面臨的一種常見損傷形式,其侵蝕速度受到多種因素的影響。 如氯離子濃度、環境條件、混凝土質量、齡期等,其主要影響因素見圖8。

圖8 受硫酸侵蝕的影響因素

氯鹽侵蝕是導致氯鹽環境下混凝土結構內部鋼筋發生銹蝕的主要原因。 氯離子會擴散并在鋼筋表面聚集,導致鋼筋逐漸脫鈍和銹蝕,并減少其截面積,降低結構構件的承載力和延性[19]。

由此可見,氯鹽-硫酸鹽環境是影響混凝土耐久性的重要因素之一,需要采取專門的防護措施來確保混凝土的使用壽命。 為了應對氯鹽-硫酸鹽環境的侵蝕,混凝土的配合比控制至關重要。 一般來說,采用高性能混凝土、控制水灰比、使用礦物摻合料等方法可以提高混凝土的抗侵蝕性能,同時還可以提高混凝土的力學性能和耐久性。

混凝土的密實度作為評判混凝土質量的重要依據,對提高樁身混凝土的抗鹽侵蝕能力具有重要作用。在提高混凝土的密實度的同時,也會使混凝土的孔隙率下降,從而使侵蝕溶液不易通過孔隙滲透進入樁身內部,降低其與混凝土反應生成的有害產物,從而增強混凝土自身的強度,在氯鹽-硫酸鹽環境作用下抗開裂能力也就越強。 而混凝土的密實度又與混凝土自身水灰比有著直接的關系。

NEHDI 和 HAYEK 通過試驗發現,水膠比越大,試件抗硫酸鹽侵蝕能力就越差[20]。 方祥位通過試驗得出,水膠比越大,膠砂比越小,則試件在硫酸鹽腐蝕下破壞的速度就越快[21]。 大量實驗研究表明,適當降低水膠比或者增大膠砂比可提高混凝土密實性,從而提高其抗硫酸鹽侵蝕能力。

在螺釘樁混凝土實際施工中,按照現場施工需求,設計了3 種滿足要求的配合比(見表1)。

表1 每立方混凝土拌和物材料用量

通過現場對3 種不同混凝土拌和物進行性能試驗,得到結果見表2。 由表2 可知,通過適當調整水膠比及外加劑,混凝土的含氣率、表觀密度都有顯著提升。 對2 號拌和物的耐久性進行測試,得到結果見表3,其56 d抗硫酸鹽結晶破壞等級遠大于普通規范要求值。

表2 混凝土拌和物性能結果

在滿足現場施工要求的前提下,同時結合節約建設資金的原則,最終采用2 號配合比。 經施工現場實測,混凝土泵送性能良好,未出現堵管等質量問題,滿足現場螺釘樁澆筑混凝土泵送需求。

3 施工效果及評價

3.1 螺釘樁單樁承載力分析

通過對螺釘樁試樁現場承載力檢測,得到螺釘樁單樁承載力Q-S曲線,同時結合檢測報告分析得出樁基沉降量和回彈量,見圖9 及表4。

表4 樁基承載力檢測

由圖9 可知,在加載階段,3 根試樁均呈現緩慢的線性變化趨勢,無明顯陡降;3 根試樁加載到設計承載力特征值的2 倍時,其最大累計沉降量均接近18 mm,最大回彈量平均值也接近在7 mm。 其中,48 號樁的累計沉降量和回彈量略低于3 根試樁的平均值。 另外,3 根試樁的承載力特征值大于單樁承載力設計值(228.15 kN),且最大累計沉降均小于允許沉降(40 mm)。 綜合所述,3 根試樁承載力均達到預期設計要求,滿足現場施工需要。

3.2 螺釘樁復合地基承載力分析

對6 根螺釘樁復合地基進行靜載試驗,加載到設計承載力特征值的2 倍,得到其沉降Q-S曲線及沉降回彈量(見圖10)。

圖10 螺釘樁復合地基承載力Q-S 曲線

由圖10、表5 可知,螺釘樁復合地基承載力Q-S曲線呈規則排列,其6 號樁的累計沉降量最大值達到21.5 mm,最小值為18.86 mm,均小于規定要求值136 mm,最大回彈量在6～8 mm 之間,在規定時間內均能達到《鐵路工程地基處理技術規程》的要求,并滿足實際鐵路中對復合地基承載力規定要求。

表5 復合樁基承載力檢測

4 結論

螺釘樁復合地基作為近年來興起的一種新型地基,已廣泛應用于各實際工程中。 依托包銀高速鐵路螺釘樁施工關鍵技術進行研究,得到以下結論。

(1)擠土效應作為螺釘樁的施工過程遇到的主要問題,可以通過調整打樁順序、打樁速率及混凝土配合比等措施來降低擠土效應對成樁身質量的影響。

(2) 采用高性能混凝土、控制水灰比、使用礦物摻合料等方法,可以提高混凝土的抗侵蝕性能,同時還可以提高混凝土的力學性能和耐久性。 通過現場施工結合質量檢測表明,采用螺釘樁復合地基處理氯鹽-硫酸鹽環境土體取得預期效果,滿足高速鐵路路基沉降變形要求,同時具有較好的成樁質量和單樁承載力。