沖淤沉積層中新型咬合樁工法及應(yīng)用摘 要:通過分析沖淤沉積層的特點和套管咬合樁的施工工藝,對套管咬合樁在沖淤沉積層中的擴(kuò)徑現(xiàn)象進(jìn)行研究。指出在該地層中套管咬合樁施工產(chǎn)生擴(kuò)徑的主要原因是套管下沉對地層的擾動、周圍土體向管內(nèi)涌擠而產(chǎn)生的超挖和緩凝混凝土對地層的擠壓擴(kuò)張作用。提出利用水泥攪拌樁替代A序素混凝土樁,用有鋼筋籠的B序樁咬合A序的水泥攪拌樁,形成鉆孔樁咬合攪拌樁的一種新型咬合樁工法。該工法可以有效解決在沖淤沉積層中進(jìn)行咬合樁施工時的擴(kuò)徑問題和止水問題。該工法在南京地鐵西延線工程中得到應(yīng)用,取得了較好的應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞:基坑工程;咬合樁工法;沖淤沉積層;攪拌樁;鉆孔樁 鐵道第三設(shè)計院設(shè)計、中鐵隧道集團(tuán)有限公司承建的深圳地鐵會-購區(qū)間隧道的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是鉆孔咬合樁在我國應(yīng)用的第1個工程實例[1]。隨后該工法在杭州解放路隧道工作井、南京地鐵等工程中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用[2]。在工程實踐的同時,相關(guān)研究人員對咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計算方法及參數(shù)選取、咬合樁的設(shè)計、施工工藝及相應(yīng)的控制措施進(jìn)行了較為全面的研究和總結(jié)[3—5]。該工法在軟弱地層特別是沖淤沉積層中應(yīng)用有其優(yōu)勢,但也存在一些問題[6—8]。文獻(xiàn)[9—11]分別從樁的施工質(zhì)量控制和變形預(yù)測方面做了相應(yīng)的研究。本文從鉆孔咬合樁施工工藝和擴(kuò)徑方面探討新型咬合樁形式。1 沖淤沉積層中灌注樁的擴(kuò)徑機(jī)理1.1 咬合樁的擴(kuò)徑原因分析 全新世沖淤沉積層一般具有強(qiáng)度低、高含水量、高壓縮性和高靈敏度的特點。咬合樁的施工工藝流程如圖1和圖2所示。
A樁為Ⅰ序樁,通常為素混凝土樁,B樁為Ⅱ序樁,通常為鋼筋混凝土樁。由于B樁施工時要切割A(yù)樁,所以A樁的混凝土須緩凝,緩凝的時間應(yīng)根據(jù)樁長和施工速度控制,一般在28~60h之間,咬合樁施工流程和時間關(guān)系如圖3所示。 根據(jù)沖淤沉積層的特點和咬合樁的施工工藝,鉆孔咬合樁成樁過程中導(dǎo)致擴(kuò)徑有以下3方面的原因:①套管下沉過程中對土層的擾動;②由于取土面與套管底口刃腳間的距離控制不當(dāng),導(dǎo)致周圍土體向套管內(nèi)涌擠而產(chǎn)生超挖,如圖4所示;③緩凝混凝土的比重比周圍土層大,緩凝時間較長的混凝土對周圍土體存在擠壓擴(kuò)張作用,成樁之后的擴(kuò)徑照片如圖5所示。1.2 套管內(nèi)土隆起引起的超挖量分析 如圖4所示,由于套管內(nèi)外壓力差的存在,在成孔取土中很容易造成開挖面以下的土體因隆起而發(fā)生超挖。本文近似采用基坑抗隆起計算公式[12]計算安全系數(shù)ks。 若安全系數(shù)取ks=1.4,對一般的沖淤沉積層,c=10~20kPa,φ=5°~20°,取上述指標(biāo)的均值,不同開挖深度時套管內(nèi)土體的預(yù)留厚度如表1所示。隨著開挖深度的增加,套管內(nèi)所需的預(yù)留厚度也越大。在實際施工中,預(yù)留取土厚度一般只能控制在2~3m,所以當(dāng)樁長超過10m時,總存在一定的超挖量,這部分超挖量將引起混凝土超灌,從而產(chǎn)生擴(kuò)徑現(xiàn)象。1.3 緩凝混凝土的擠壓擴(kuò)徑 由于A序樁的緩凝時間較長,同時混凝土的比重要比土層的比重大,混凝土凝固前將對周圍的地層產(chǎn)生擠壓作用,如圖6所示。圖中r1和r2分別為圓筒內(nèi)徑和外徑;p為混凝土壓力,MPa;q為土壓力,MPa。本文借助小孔擴(kuò)張理論[13]對這一問題進(jìn)行求解。 式中:μ為土的泊松比;E為土的彈性模量,MPa;r為樁的半徑,cm;C為土的不排水抗剪強(qiáng)度,kPa;k為水平抗力系數(shù)。 根據(jù)一般沖淤沉積層的物理力學(xué)指標(biāo),半徑的擴(kuò)張約5~10cm,這在工程中是一個不可忽視的量。2 鉆孔樁咬合攪拌樁工法 沖淤沉積層中咬合樁因A序樁混凝土緩凝而發(fā)生的擴(kuò)徑問題,可以通過施工方法進(jìn)行調(diào)整控制。文獻(xiàn)[14]介紹了在軟土地層中采用攪拌樁與鉆孔灌注樁形成的復(fù)合式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其最初的設(shè)計思路是將攪拌樁作為止水結(jié)構(gòu)設(shè)置在鉆孔樁的外側(cè),由鉆孔樁來承擔(dān)坑外側(cè)的土壓力。本文根據(jù)攪拌樁的比重與土層的比重相近的特點,將A序樁改成水泥攪拌樁,用B序樁咬合A序攪拌樁形成鉆孔樁咬合攪拌樁工法。鉆孔樁咬合攪拌樁的平面布置如圖7所示。由于B序樁中有鋼筋籠,A序樁為水泥攪拌樁,在軟土地層中不存在擴(kuò)徑問題,同時攪拌樁的存在還能制約B序樁的超挖,從而有效地解決擴(kuò)徑問題。3 應(yīng)用實例 南京地鐵西延線的元—中區(qū)間地處南京的河西地區(qū),在清代還是長江的漫灘,屬全新世沖淤沉積層。區(qū)間隧道全長1152m,土層層厚及物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。 由于區(qū)間隧道的開挖深度為9~11m,擬定的圍護(hù)方式如圖6所示,A序樁為 650mm水泥攪拌樁,B序樁為 800mm鉆孔灌注樁,兩相鄰A序樁和兩相鄰B序樁的中心間距均為1050mm,實際咬合量為20cm,攪拌樁的水泥摻量16%,水灰比0.54。 隧道攪拌樁的最大優(yōu)點是可以采用多臺機(jī)具同時施工,加快施工進(jìn)度。圖8是鉆孔樁咬合攪拌樁的實際效果,從中可以發(fā)現(xiàn)止水效果非常好,同時鉆孔樁沒有擴(kuò)徑現(xiàn)象。5 結(jié) 論 鉆孔樁咬合攪拌樁是針對沖淤沉積層的地質(zhì)特性提出的新工法,其特點是充分利用攪拌樁的止水性能和鉆孔樁的抗彎性能,可以避免鉆孔咬合樁的擴(kuò)徑現(xiàn)象,也利于提高工效。但在施工中應(yīng)注意對垂直度的控制。參考文獻(xiàn)[1]王安龍.鉆孔咬合樁———地鐵工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)新型式[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2002,(9):51—58.[2]周順華.我國城市軌道交通地下工程的施工技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].城市軌道交通研究,2004,7(2):34—37.[3]鄭劍升.咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.[4]姚燕明,周順華,陳 力.鉆孔咬合樁按剛度分配的計算方法[J].建筑結(jié)構(gòu),2003,33(11):25—26.[5]同濟(jì)大學(xué),中鐵二局集團(tuán)有限公司.全新世沖淤沉積層地鐵車站及區(qū)間采用鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工技術(shù)研究[R].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.[6]何澤剛.鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.[7]周彥軍.套管成孔灌注樁在公路軟基處理中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2004,24(2):56—57.[8]朱向榮,方鵬飛.深厚軟基超長樁工程性狀試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2003,25(1):76—79.[9]宋 冶,高爾洋,馬德云.廣州地鐵一號線車站深基坑支護(hù)技術(shù)述評[J].中國鐵道科學(xué),1998,19(4):64—74.[10]喬世范,方理剛,劉寶琛.GM(1,1)模型與指數(shù)模型在基樁沉降預(yù)測中的應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué),2005,26(3):53—55.[11]賀玉龍,楊立中,鄭永翔.聲波透射法在旋噴樁復(fù)合地基加固效果評價中的應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué),2003,24(5):44—47.[12]劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.[13]王偉堂,裘華君.壓樁擠土位移的預(yù)估與防治的研究[J].巖土工程學(xué)報,2001,21(3):378—379.[14]周順華,余紹鋒,吳海平.水泥土—灌注樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗與現(xiàn)場實例[J].巖土工程學(xué)報,1998,20(2):290—292.
A樁為Ⅰ序樁,通常為素混凝土樁,B樁為Ⅱ序樁,通常為鋼筋混凝土樁。由于B樁施工時要切割A(yù)樁,所以A樁的混凝土須緩凝,緩凝的時間應(yīng)根據(jù)樁長和施工速度控制,一般在28~60h之間,咬合樁施工流程和時間關(guān)系如圖3所示。 根據(jù)沖淤沉積層的特點和咬合樁的施工工藝,鉆孔咬合樁成樁過程中導(dǎo)致擴(kuò)徑有以下3方面的原因:①套管下沉過程中對土層的擾動;②由于取土面與套管底口刃腳間的距離控制不當(dāng),導(dǎo)致周圍土體向套管內(nèi)涌擠而產(chǎn)生超挖,如圖4所示;③緩凝混凝土的比重比周圍土層大,緩凝時間較長的混凝土對周圍土體存在擠壓擴(kuò)張作用,成樁之后的擴(kuò)徑照片如圖5所示。1.2 套管內(nèi)土隆起引起的超挖量分析 如圖4所示,由于套管內(nèi)外壓力差的存在,在成孔取土中很容易造成開挖面以下的土體因隆起而發(fā)生超挖。本文近似采用基坑抗隆起計算公式[12]計算安全系數(shù)ks。 若安全系數(shù)取ks=1.4,對一般的沖淤沉積層,c=10~20kPa,φ=5°~20°,取上述指標(biāo)的均值,不同開挖深度時套管內(nèi)土體的預(yù)留厚度如表1所示。隨著開挖深度的增加,套管內(nèi)所需的預(yù)留厚度也越大。在實際施工中,預(yù)留取土厚度一般只能控制在2~3m,所以當(dāng)樁長超過10m時,總存在一定的超挖量,這部分超挖量將引起混凝土超灌,從而產(chǎn)生擴(kuò)徑現(xiàn)象。1.3 緩凝混凝土的擠壓擴(kuò)徑 由于A序樁的緩凝時間較長,同時混凝土的比重要比土層的比重大,混凝土凝固前將對周圍的地層產(chǎn)生擠壓作用,如圖6所示。圖中r1和r2分別為圓筒內(nèi)徑和外徑;p為混凝土壓力,MPa;q為土壓力,MPa。本文借助小孔擴(kuò)張理論[13]對這一問題進(jìn)行求解。 式中:μ為土的泊松比;E為土的彈性模量,MPa;r為樁的半徑,cm;C為土的不排水抗剪強(qiáng)度,kPa;k為水平抗力系數(shù)。 根據(jù)一般沖淤沉積層的物理力學(xué)指標(biāo),半徑的擴(kuò)張約5~10cm,這在工程中是一個不可忽視的量。2 鉆孔樁咬合攪拌樁工法 沖淤沉積層中咬合樁因A序樁混凝土緩凝而發(fā)生的擴(kuò)徑問題,可以通過施工方法進(jìn)行調(diào)整控制。文獻(xiàn)[14]介紹了在軟土地層中采用攪拌樁與鉆孔灌注樁形成的復(fù)合式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其最初的設(shè)計思路是將攪拌樁作為止水結(jié)構(gòu)設(shè)置在鉆孔樁的外側(cè),由鉆孔樁來承擔(dān)坑外側(cè)的土壓力。本文根據(jù)攪拌樁的比重與土層的比重相近的特點,將A序樁改成水泥攪拌樁,用B序樁咬合A序攪拌樁形成鉆孔樁咬合攪拌樁工法。鉆孔樁咬合攪拌樁的平面布置如圖7所示。由于B序樁中有鋼筋籠,A序樁為水泥攪拌樁,在軟土地層中不存在擴(kuò)徑問題,同時攪拌樁的存在還能制約B序樁的超挖,從而有效地解決擴(kuò)徑問題。3 應(yīng)用實例 南京地鐵西延線的元—中區(qū)間地處南京的河西地區(qū),在清代還是長江的漫灘,屬全新世沖淤沉積層。區(qū)間隧道全長1152m,土層層厚及物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。 由于區(qū)間隧道的開挖深度為9~11m,擬定的圍護(hù)方式如圖6所示,A序樁為 650mm水泥攪拌樁,B序樁為 800mm鉆孔灌注樁,兩相鄰A序樁和兩相鄰B序樁的中心間距均為1050mm,實際咬合量為20cm,攪拌樁的水泥摻量16%,水灰比0.54。 隧道攪拌樁的最大優(yōu)點是可以采用多臺機(jī)具同時施工,加快施工進(jìn)度。圖8是鉆孔樁咬合攪拌樁的實際效果,從中可以發(fā)現(xiàn)止水效果非常好,同時鉆孔樁沒有擴(kuò)徑現(xiàn)象。5 結(jié) 論 鉆孔樁咬合攪拌樁是針對沖淤沉積層的地質(zhì)特性提出的新工法,其特點是充分利用攪拌樁的止水性能和鉆孔樁的抗彎性能,可以避免鉆孔咬合樁的擴(kuò)徑現(xiàn)象,也利于提高工效。但在施工中應(yīng)注意對垂直度的控制。參考文獻(xiàn)[1]王安龍.鉆孔咬合樁———地鐵工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)新型式[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2002,(9):51—58.[2]周順華.我國城市軌道交通地下工程的施工技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].城市軌道交通研究,2004,7(2):34—37.[3]鄭劍升.咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.[4]姚燕明,周順華,陳 力.鉆孔咬合樁按剛度分配的計算方法[J].建筑結(jié)構(gòu),2003,33(11):25—26.[5]同濟(jì)大學(xué),中鐵二局集團(tuán)有限公司.全新世沖淤沉積層地鐵車站及區(qū)間采用鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工技術(shù)研究[R].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.[6]何澤剛.鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.[7]周彥軍.套管成孔灌注樁在公路軟基處理中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2004,24(2):56—57.[8]朱向榮,方鵬飛.深厚軟基超長樁工程性狀試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2003,25(1):76—79.[9]宋 冶,高爾洋,馬德云.廣州地鐵一號線車站深基坑支護(hù)技術(shù)述評[J].中國鐵道科學(xué),1998,19(4):64—74.[10]喬世范,方理剛,劉寶琛.GM(1,1)模型與指數(shù)模型在基樁沉降預(yù)測中的應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué),2005,26(3):53—55.[11]賀玉龍,楊立中,鄭永翔.聲波透射法在旋噴樁復(fù)合地基加固效果評價中的應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué),2003,24(5):44—47.[12]劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.[13]王偉堂,裘華君.壓樁擠土位移的預(yù)估與防治的研究[J].巖土工程學(xué)報,2001,21(3):378—379.[14]周順華,余紹鋒,吳海平.水泥土—灌注樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗與現(xiàn)場實例[J].巖土工程學(xué)報,1998,20(2):290—292.