濕陷性黃土地區(qū)百米超長(zhǎng)樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

于宗讓,唐 良,韓國定

(陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

濕陷性黃土是我國西北地區(qū)和內(nèi)蒙古地區(qū)常見的土壤類型,在橋梁和建筑等工程建設(shè)領(lǐng)域中,因其不均勻性和極度變形性,常伴隨著樁基沉降量大、承載力不穩(wěn)定等問題[1]。超長(zhǎng)樁作為一種有效的解決方案,可以充分利用黃土地基較深層的堅(jiān)硬巖石地層,提高樁基的承載力和穩(wěn)定性[2]。

目前,超長(zhǎng)樁的設(shè)計(jì)受到地質(zhì)、水文等多種因素的制約。如何在滿足結(jié)構(gòu)建設(shè)需求的前提下,使超長(zhǎng)樁在濕陷性黃土地區(qū)起到更好的作用是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。劉繼鵬等[3]對(duì)豫西地區(qū)濕陷性黃土地基的施工處理和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析,總結(jié)出適用于該地區(qū)的減小沉降量和地基加強(qiáng)的施工技術(shù),并提出了優(yōu)化措施。魯愛民[4]探討了CFG樁與濕陷性黃土地基沉降量之間的關(guān)系,并提出了針對(duì)包頭市地區(qū)復(fù)合地基處理實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)化方案。楊勇濤等[5]介紹了鉆孔灌注樁在施工中需要考慮的因素,并提出了一種針對(duì)濕陷性黃土地基的鉆孔灌注樁施工工藝流程,有效控制了樁基沉降。在濕陷性黃土地區(qū)超長(zhǎng)樁施工控制研究方面,王同民[6]針對(duì)超長(zhǎng)樁施工過程中遇到的巨型溶腔采取三維物探方法確定參數(shù),并通過鉆機(jī)選型、預(yù)注漿等技術(shù)措施高質(zhì)量地完成了施工。

總體來看,濕陷性黃土地區(qū)超長(zhǎng)樁相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,學(xué)者們提出了多種適用于濕陷性黃土地區(qū)超長(zhǎng)樁的新技術(shù)和新方法。然而,一些問題仍然需要進(jìn)一步深入研究,例如如何提高超長(zhǎng)樁的承載能力和抗側(cè)向力能力,以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況保證超長(zhǎng)樁的施工質(zhì)量等問題[7]。本文以百米超長(zhǎng)樁施工為依托,闡明了濕陷性黃土地區(qū)百米超長(zhǎng)樁的施工工藝和控制措施,以期為濕陷性黃土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供更好的解決方案。

1 工程概況

銅川市玉皇閣二號(hào)特大橋主橋下部共28個(gè)橋墩,樁基礎(chǔ)為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,設(shè)計(jì)樁徑1.5,1.8,2.0,2.2m,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)42～102m,鉆孔深度最深約105m,每個(gè)橋墩設(shè)6～45根樁,共計(jì)529根,方量約10萬m3。樁基長(zhǎng)度分布情況:42～60m占28%,60～80m占46.5%,80～85m占17%,100m以上占8.5%。

16號(hào)主墩采用45根直徑2.0m的鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì),有效樁長(zhǎng)102m,成孔深度104.5m,是全橋最深的樁基,也是陜西省及西北地區(qū)最深的樁基之一(見圖1)。該樁基為端承樁,沉積物厚度小于5cm。該樁位于黃土塬斜坡地帶且地形起伏大,地形凌亂,溝壁陡峻給樁基施工增添困難,且樁基最深端承樁入巖較深、強(qiáng)度較大,施工難度大。

圖1 16號(hào)主墩樁基

2 工程地質(zhì)條件

本工程路線主要地貌為黃土臺(tái)塬和黃土沖溝,黃土臺(tái)塬地形由北向南逐漸下降,向趙氏河河谷傾斜,地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 16號(hào)墩地層分布

3 濕陷性黃土樁基施工重難點(diǎn)

1)二號(hào)特大橋?yàn)槿€關(guān)鍵控制性工程,施工工期特別緊,而主墩鉆孔灌注樁施工所處地質(zhì)條件復(fù)雜,樁基成孔深度達(dá)104.5m,地層以馬蘭黃土、離石黃土及粉質(zhì)黏土為主,該層黃土具有中等濕陷性,濕陷等級(jí)為自重Ⅱ級(jí)。該層設(shè)計(jì)樁側(cè)土摩阻力為-10kPa,如何有效降水是施工控制的難點(diǎn)。

2)主墩樁基鉆進(jìn)深度大,16號(hào)主墩樁基有效樁長(zhǎng)102m,鉆孔深度達(dá)104.5m,累積需穿過巖層厚度61.5m,巖石強(qiáng)度大,隨著鉆桿的延長(zhǎng),旋挖鉆機(jī)扭矩急劇下降,工效低且極易損壞鉆桿,對(duì)于超深樁基成孔設(shè)備的選型以及專業(yè)操作人員的作業(yè)水平要求都比較高。

3)成孔過程中容易塌孔而且由于樁長(zhǎng)較長(zhǎng),要穿越軟硬不同的多個(gè)地層,從上到下地質(zhì)條件差異大,在穿越不同地層時(shí)需要使用不同功能的成孔機(jī)械。由于穿越不同土層,各土層對(duì)護(hù)壁泥漿的要求不一樣,需要隨時(shí)調(diào)整護(hù)壁泥漿的配合比,泥漿配合比的優(yōu)化及沉渣厚度控制是施工的關(guān)鍵。

4)鋼筋籠直徑大、長(zhǎng)度長(zhǎng),線形及對(duì)接精度不易控制,如何優(yōu)化鋼筋籠制安工藝及提高安裝效率至關(guān)重要。

5)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,樁基采用C35混凝土進(jìn)行澆筑,混凝土澆筑量323m3,澆筑持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)混凝土工作性能要求高,樁基混凝土灌注是施工中風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié),如何保證混凝土成功封底及后續(xù)連續(xù)灌注,是控制重點(diǎn)。

6)由于橋梁樁基按端承樁進(jìn)行設(shè)計(jì),規(guī)范要求端承樁樁底沉渣厚度不大于50mm,超深樁基清孔難度大,鋼筋籠長(zhǎng)度103.5m,孔口拼裝時(shí)間過長(zhǎng),軟弱地層易產(chǎn)生塌孔或沉渣超標(biāo)。

4 成孔方法與鉆機(jī)比選

大直徑超長(zhǎng)灌注樁成樁質(zhì)量直接影響樁基承載性能的發(fā)揮。由于大直徑超長(zhǎng)灌注樁在施工中面臨垂直度控制、泥漿控制、成孔質(zhì)量控制、灌注困難等一系列問題[8],直接影響大直徑超長(zhǎng)灌注樁的使用及推廣。因此,成孔工藝和鉆機(jī)選型對(duì)于施工尤其重要。

4.1 各類成孔方法對(duì)比

我國灌注樁成孔工藝主要有:人工挖孔、沉管成孔、回轉(zhuǎn)鉆孔、沖擊成孔、旋挖鉆孔以及貝諾特成孔方法[9]。這些方法都有自身的優(yōu)勢(shì)和局限性,應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件靈活選擇并需進(jìn)一步創(chuàng)新。

為保證超長(zhǎng)樁施工質(zhì)量、加快樁基施工進(jìn)度、控制樁基成本,本文從多方面對(duì)正循環(huán)成孔法、回轉(zhuǎn)鉆孔、沖擊成孔、旋挖鉆孔以及貝諾特成孔方法進(jìn)行綜合比選,如表1所示。

表1 各類施工工藝適用范圍

不難發(fā)現(xiàn),在工程應(yīng)用中,當(dāng)樁長(zhǎng)較深、樁徑較大、地質(zhì)條件較為復(fù)雜的情況下,采用旋挖成孔法進(jìn)行施工能最大限度發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),其工效比也將最大化,非常適合濕陷性黃土地區(qū)百米超長(zhǎng)超大直徑樁施工[10]。

4.2 鉆機(jī)選型與參數(shù)選擇

4.2.1鉆機(jī)選型

針對(duì)各樁基的施工,擬定了3種方案并實(shí)施,根據(jù)施工實(shí)踐對(duì)比(見表2),最終選擇水孔大旋挖鉆機(jī)施工。

表2 施工方案比選

4.2.2鉆機(jī)參數(shù)選擇

1)鉆孔深度與扭矩

16號(hào)主墩樁基有效樁長(zhǎng)102m,鉆孔深度達(dá)104.5m,所以鉆機(jī)的最大鉆孔深度必須大于105m。根據(jù)16號(hào)墩所處地層條件,同時(shí)考慮超長(zhǎng)樁鉆孔垂直度須按75%有效鉆壓減壓鉆進(jìn)[11],施工時(shí)鉆孔機(jī)具最大扭矩不宜小于400kN·m。

經(jīng)過施工實(shí)踐,對(duì)于最深的16號(hào)墩樁基最終選擇1臺(tái)徐工XR550鉆機(jī)和徐工XR800E旋挖鉆機(jī)施工。

2)鉆桿

XR800E型旋挖鉆機(jī),所選鉆桿為伸縮式結(jié)構(gòu),除了扭矩參數(shù)以外影響鉆孔深度的最大因素就是鉆桿。目前旋挖鉆機(jī)常見的鉆桿有摩阻式鉆桿和機(jī)鎖式鉆桿。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和鉆孔深度,向廠家定制長(zhǎng)度為24.5m的機(jī)鎖式鉆桿用于解決鉆孔深度問題,定制鉆桿鉆孔深度可達(dá)110m。

3)鉆頭

由于鉆孔深度達(dá)104.5m,需穿越巖層累計(jì)厚度61.5m,面對(duì)巖層埋深大、鉆桿過長(zhǎng)導(dǎo)致扭力衰減、鉆壓不足、巖石強(qiáng)度大、工效低、鉆桿多次損壞的不利局面,積極改變施工方法,采用不同直徑筒鉆套打,先1.2m,再1.5m,最后2.0m,由小到大逐漸加深,由于巖石裂隙發(fā)育,配合錐形鉆頭進(jìn)行撈渣,3天時(shí)間可成樁。

5 關(guān)鍵技術(shù)與控制要點(diǎn)

5.1 試樁荷載試驗(yàn)

為探究所用百米超長(zhǎng)樁在濕陷性黃土場(chǎng)地的承載力和沉降量特性,施工開始前,選取4根試樁進(jìn)行天然狀態(tài)下的靜載荷試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用堆載法實(shí)現(xiàn),堆載系統(tǒng)包括配重、鋼梁、分配梁、鋼柱等,單樁上放置千斤頂通過鋼柱與分配梁接觸,其中混凝土塊重達(dá)3t,試驗(yàn)選用的30個(gè)混凝土塊和3根鋼梁能提供的反力約為108t,如圖3所示。

圖3 試樁荷載試驗(yàn)示意

5.2 鉆孔過程控制

5.2.1各土層鉆進(jìn)參數(shù)選擇

在實(shí)際工程中,鉆進(jìn)過程會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊壓力和振動(dòng),容易造成設(shè)備損壞、鉆孔質(zhì)量差等問題。因此,成孔前需要針對(duì)地層情況和工程要求進(jìn)行分析,從而確定最佳的鉆進(jìn)參數(shù)和方案[12],不同地質(zhì)層的鉆進(jìn)參數(shù)取值如表3所示。

5.2.2鉆進(jìn)中的泥漿循環(huán)系統(tǒng)

針對(duì)本工程濕陷性黃土大直徑深孔樁基造漿能力不足的問題,泥漿控制是鉆進(jìn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。玉皇閣二號(hào)特大橋采用原土+膨潤(rùn)土造漿工藝。首先,在鉆進(jìn)過程中,需要根據(jù)鉆進(jìn)深度、鉆孔直徑和不同地層條件等因素,合理選擇泥漿成分,完成鉆進(jìn)作業(yè)。其次,需要通過調(diào)整液面高度和適時(shí)調(diào)整泥漿密度等方式來控制其性能,以在鉆進(jìn)過程中保護(hù)孔壁。此外,考慮到濕陷性黃土地質(zhì)條件的復(fù)雜性,需要掌握合理的清孔泥漿指標(biāo),以避免風(fēng)險(xiǎn)和損失。放置鋼筋籠時(shí)間過長(zhǎng)的情況下,泥漿會(huì)變得稠密,難以清除,對(duì)鋼筋籠的質(zhì)量和鉆孔效果產(chǎn)生影響。因此,清孔泥漿指標(biāo)的控制至關(guān)重要,采用的清孔泥漿參數(shù)如表4所示。

表4 清孔泥漿參數(shù)

5.2.3沉渣厚度檢測(cè)

由于端承樁沉渣厚度≤5cm,施工時(shí)更換平底鉆頭對(duì)孔底進(jìn)行多次撈渣,加強(qiáng)降水監(jiān)測(cè),縮短鋼筋籠對(duì)接和導(dǎo)管安裝時(shí)間,澆筑前采用MC-8342型沉渣測(cè)定儀檢測(cè)沉渣厚度,符合要求后立即進(jìn)行混凝土灌注。

5.2.4水下混凝土灌注控制要點(diǎn)

1)導(dǎo)管安裝要求 導(dǎo)管下口距離孔底30～40cm,上口與儲(chǔ)料斗相連,確保首批混凝土灌注后導(dǎo)管埋入深度大于1m,考慮擴(kuò)孔等狀況,要有一定的保險(xiǎn)系數(shù),漏斗底口應(yīng)比水面或樁頂至少高出4～6m。

2)導(dǎo)管安裝后,再次探測(cè)孔底沉渣厚度,如超過設(shè)計(jì)要求,則需進(jìn)行二次清孔至合格為止,可利用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔,也可用噴射法向孔底噴射3～5min,使沉淀懸浮。

3)灌注要求 水下混凝土灌注應(yīng)緊湊、連續(xù),中途不能中斷,并盡量縮短拆除導(dǎo)管的時(shí)間。當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)混凝土不滿、含有空氣時(shí),可徐徐灌注,以防產(chǎn)生高壓氣囊壓漏導(dǎo)管。

5.3 超長(zhǎng)鋼筋籠理論計(jì)算與施工措施

玉皇閣二號(hào)橋主墩鋼筋籠長(zhǎng)度大,導(dǎo)致施工時(shí)質(zhì)量大且施工時(shí)間長(zhǎng)。以16號(hào)墩為例,鋼筋籠最長(zhǎng)103.5m,重達(dá)21t,鋼筋加工場(chǎng)分節(jié)加工長(zhǎng)度12m,鋼筋籠采用預(yù)拼接36m。對(duì)于重21t、長(zhǎng)12m的節(jié)段鋼筋籠如何保證吊點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中形成較大變形成為施工中的一大難題。

5.3.1鋼筋籠理論計(jì)算

在鋼筋籠安裝過程中,涉及吊環(huán)制作,其中吊筋選擇特別重要,需通過受力計(jì)算選擇合適的吊筋,需為圓鋼,一般考慮6倍安全系數(shù),以防發(fā)生意外。

為減少鋼筋籠的變形,采用Midas建模分析鋼筋籠自重及吊裝工況下變形情況,根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)合理的內(nèi)支撐材料、直徑及布置形式,如圖4所示。

圖4 鋼筋籠有限元建模

5.3.2鋼筋籠施工安全控制措施

1)骨架筋加固

鋼筋籠內(nèi)的加強(qiáng)筋為φ25 HRB400E熱軋帶肋鋼筋,布置間距<2 000mm,如圖5所示。

圖5 加強(qiáng)筋示意

2)吊點(diǎn)加強(qiáng)

對(duì)稱布設(shè)4個(gè)吊點(diǎn),在吊點(diǎn)位置處、加強(qiáng)箍筋上方增加1根長(zhǎng)度5cm的φ25熱軋帶肋鋼筋與φ28熱軋帶肋鋼筋,采用單面焊接,然后增加1根長(zhǎng)度20cm的φ25熱軋光圓鋼筋做成彎曲狀與主筋單面焊接牢固,U形環(huán)嚴(yán)禁吊于吊環(huán)上。最頂端一節(jié)鋼筋籠吊環(huán)采用4根φ25熱軋光圓鋼筋,單面焊接于主筋上,作為吊點(diǎn)加強(qiáng)。鋼筋籠吊點(diǎn)處的穿繩,首先利用U形環(huán)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行套取,然后將U形環(huán)與鋼筋籠加強(qiáng)筋主筋以及套環(huán)進(jìn)行連接,如圖6所示。

圖6 鋼筋籠吊點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)計(jì)

3)加設(shè)頂筋

鋼筋籠加勁箍與主筋連接全部接觸點(diǎn)均采用單面點(diǎn)焊。在鋼筋骨架施工過程中,要根據(jù)設(shè)計(jì)要求先擺放支承架,使其能夠承受試驗(yàn)荷載和加載應(yīng)力。然后將已經(jīng)預(yù)先配好的主筋套入加勁箍?jī)?nèi),在焊接過程中,對(duì)主筋和加勁箍進(jìn)行點(diǎn)焊固定,確保鋼筋骨架成型。本工程鋼筋籠最長(zhǎng)為103.5m,在第2～4節(jié)設(shè)加強(qiáng)短筋,對(duì)稱布置4個(gè),第5～6節(jié)加強(qiáng)短筋布置6個(gè),第7～9節(jié)加強(qiáng)短筋布置8個(gè)。加強(qiáng)短筋需與加勁箍接觸面焊接、加強(qiáng)短筋與主筋焊接、吊環(huán)與主筋焊接,確保力傳遞有效。

4)采用定位器進(jìn)行主筋定位

本樁基工程鋼筋籠最小直徑為1.8m,只能采用地滾進(jìn)行加工。為保證主筋定位準(zhǔn)確現(xiàn)場(chǎng)自制主筋定位器。

5.3.3鋼筋籠施工時(shí)間控制措施

由于樁身過長(zhǎng),鋼筋籠吊裝質(zhì)量大,拼裝時(shí)間長(zhǎng)。以16號(hào)墩為例,鋼筋籠重達(dá)21t,鋼筋籠最長(zhǎng)103.5m,鋼筋加工場(chǎng)分節(jié)加工長(zhǎng)度12m,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接8個(gè)截面,每個(gè)截面直螺紋套筒連接42根,聲測(cè)管安裝4根,每個(gè)截面對(duì)接需要2.5h,完成1個(gè)樁基鋼筋籠安裝共需22～24h。

施工時(shí),在承臺(tái)外側(cè)就近布設(shè)3個(gè)預(yù)拼裝孔(見圖7),孔徑與設(shè)計(jì)孔徑一致,鉆孔過程中提前將鋼筋籠預(yù)拼成3段備用,將8個(gè)對(duì)接截面縮短到2個(gè),拼裝時(shí)間由22h縮短到5h。加快了樁基施工速度,降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

本文以濕陷性黃土地區(qū)百米超長(zhǎng)樁的施工為例,概述了超長(zhǎng)樁施工過程的各類技術(shù)要點(diǎn)。在技術(shù)、質(zhì)量、安全、成本、工期等維度對(duì)比分析了各類成孔工藝和鉆機(jī)特點(diǎn),選擇旋挖成孔法工藝并選擇徐工XR550和XR800E旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工。在現(xiàn)場(chǎng)施工重難點(diǎn)梳理的基礎(chǔ)上,針對(duì)鉆孔前的試樁試驗(yàn)、鉆孔過程中的綜合處理、鋼筋籠施工控制措施等關(guān)鍵技術(shù)嚴(yán)格把關(guān),保證工程質(zhì)量。

目前該橋梁所有超長(zhǎng)樁均順利完成,各項(xiàng)驗(yàn)收指標(biāo)和外觀質(zhì)量良好,成本及進(jìn)度可控。自檢和第三方檢測(cè)結(jié)果均證明了采取的超長(zhǎng)樁施工技術(shù)可為濕陷性黃土地區(qū)樁基施工提供優(yōu)質(zhì)的解決方案。