PHC管樁在溫福鐵路軟土地基加固中的應(yīng)用
2009-09-28 
引言:溫福鐵路在福建連江車站位置進(jìn)行了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力砼管樁在鐵路軟土地基加固中應(yīng)用的試驗,該試驗段工程通過對樁基承載力、應(yīng)力傳遞規(guī)律、樁、土應(yīng)力的分布及變化情況、地基變形等實測數(shù)據(jù)的分析研究,對預(yù)應(yīng)力管樁的設(shè)計(單樁承載力、樁型及樁間距、樁帽及網(wǎng)墊層等)具有重要的指導(dǎo)意義。筆者做為該試驗段施工技術(shù)人員,全過程參與了該試驗工程,本文亦是對該工藝的施工總結(jié)。 1、工程簡介 溫福鐵路是從浙江溫州到福建福州的高速鐵路,設(shè)計時速200KM,本試驗段在靠近福州市的連江縣進(jìn)行,自DK275+000~DK275+400,共400m長,預(yù)應(yīng)力管樁加固區(qū)段為310m,在DK275+270的位置有一座灌溉涵,該涵洞的基底加固也采用管樁加固。其中φ400mm的樁有46根,φ500mm的樁有1307根,設(shè)計單樁允許承載力是900KN。樁的布設(shè)呈正方形布置,最小樁間距為2m,最大樁間距為3m。在正式施工前用了靜力壓樁機(jī)和柴油錘擊機(jī)各進(jìn)行了8根工藝性試樁。 2、工程地質(zhì)及水文概況 工點范圍均為第四系地層覆蓋,上部為全新統(tǒng)濱海灘涂—溺谷相沉積形成,底部粘土屬坡殘積成因,下伏基巖為燕山期凝灰?guī)r、侵入巖,地下空隙潛水發(fā)育,埋深0~1m。地基土各層的巖性及主要物理力學(xué)指標(biāo)分述如下: (1)粉質(zhì)黏土,褐黃~灰綠色,硬塑,局部夾少量礫石,表層0.4~0.6m為種植土,含植物根莖,該層厚0.4~2.1m,工點范圍部分分布。 (2)淤泥,淺灰色,流塑。手感細(xì)膩,分布均勻,含少量腐殖物,有機(jī)質(zhì)含量2.8~7.9%,局部夾粉細(xì)砂透鏡體。由于地處臨海的山前平原,其橫、縱向分布隨基巖面起伏變化較大。具高壓縮性、低強(qiáng)度的特點,靈敏度標(biāo)準(zhǔn)值7.1,屬靈敏性粘性土。層厚10.5~19.7m。 (3)粉質(zhì)黏土,褐黃色、灰綠色、淺灰等色,軟硬分布不均,海陸交互相成因夾粗砂、礫石、碎石土、淤泥質(zhì)黏土等透鏡體,厚3.6~28m; (3)-1~(3)-7淤泥質(zhì)黏土,淺灰色,流塑,夾少量腐植物及貝殼,后0~6.0m;局部夾圓礫土,粗砂、粉砂、礫砂、碎石土透鏡體,灰色夾灰黃色,中密,飽和。 (4) 花崗巖,全風(fēng)化呈砂土狀,標(biāo)貫擊數(shù)N=25~50,厚%26gt;2m; (5) 凝灰?guī)r,灰綠色或灰白色,全風(fēng)化呈砂土狀,標(biāo)貫擊數(shù)N=16~35,厚%26gt;10m。 3 、施工準(zhǔn)備 3.1、施工便道 施工前的機(jī)械進(jìn)場和施工過程中的管樁進(jìn)場,都是通過施工便道進(jìn)出,在其上行駛的都是重車,所以施工便道的承載能力要求較高。本工程施工便道底層用片石擠除原地面表層的淤泥,這樣便道日后就不會出現(xiàn)“彈簧土”,中層用隧道施工棄碴填筑,便道上層用2-4cm的碎石加石屑鋪筑。 材料使用上基本為材下粗上細(xì),這樣既能保證便道的穩(wěn)定,又能使便道表面平整,易于修整。施工便道要盡量取直,減少不必要的彎道。在施工區(qū)域內(nèi),便道應(yīng)該在打樁范圍外,這樣樁機(jī)施工時就不會影響到便道的暢通,而且已施工好的管樁也不會被行駛車輛擠壓。 3.2、工作墊層 本試驗段的施工位置上原先為當(dāng)?shù)匕傩盏牡咎?,表層土為常年種植土,承載力差,而單臺靜力壓樁機(jī)加配重將會有三百多噸,所以必須在施工區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)工作墊層,提高地基地承載力,保證樁機(jī)施工時不會沉陷。一般要求工作墊層鋪設(shè)后,其承載力不少于100KPa。工作墊層的材料可以用隧道爆破時的棄碴,但是大塊片石不能使用,否則施工時易引起樁位的偏差。由于靜壓樁機(jī)的機(jī)體龐大,工作墊層的鋪設(shè)寬度要足夠,本次施工時以最外測樁加寬5米來控制工作墊層的鋪設(shè)寬度。 3.3、測量放樣 根據(jù)設(shè)計交付的導(dǎo)線資料,先進(jìn)行導(dǎo)線點復(fù)測,經(jīng)復(fù)核后根據(jù)施工圖紙和現(xiàn)場的施工情況,在距離Ⅰ道左側(cè)30m遠(yuǎn)的位置,沿線路方向每隔25m設(shè)置一個控制點,該控制點作為樁位放樣時經(jīng)緯儀的架鏡點和后視點。該控制點距離最邊緣管樁有18.8m,仍然存在擠土效應(yīng),所以每周都要用全站儀復(fù)核、校正一次控制點。 根據(jù)實際打樁線路圖,按施工區(qū)域劃分測量定位控制網(wǎng),一般一個區(qū)域內(nèi)根據(jù)每天施工進(jìn)度放樣10~20個樁位,在樁位中心點地面上插入一支約30~40cm長的小竹片樁,并用紅油漆作好記號。并以工程樁位為中心用白灰按直徑大小畫一圓圈,以方便插樁和對中。對放出的軸線和樁位,經(jīng)自檢后,請監(jiān)理工程師進(jìn)行復(fù)核檢查,在沉樁過程中,要經(jīng)常對控制點進(jìn)行復(fù)核,并作好定位記錄和技術(shù)復(fù)核記錄。 3.4、施工機(jī)具和管樁材料的選擇 本次施工采用靜壓和錘擊兩種工藝施工。靜壓樁機(jī)具有無噪音、無振動和無污染的優(yōu)點。錘擊機(jī)具有嵌巖能力強(qiáng)的特點。 本次施工靜壓機(jī)采用YZY-750T,全液壓側(cè)夾式樁機(jī)。錘擊機(jī)采用滾管式行走的柴油錘樁機(jī),錘型號為HD50型。所有施工機(jī)械均有檢測的合格證書。樁錘的選擇主要考慮柴油錘錘擊能量大,施工速度快,工效高,還有“重錘輕擊”的原則。 管樁采用建華管樁公司生產(chǎn)的PHC管樁,砼強(qiáng)度C80,嚴(yán)格按照《先張法預(yù)應(yīng)力砼管樁》(GB13476-1999)制作,采用高壓高溫養(yǎng)護(hù),單樁豎向承載力2820KN。 4、施工過程 4.1、靜力壓樁機(jī) 4.1.1、打樁過程 樁機(jī)進(jìn)場安裝后,移至需要施打的位置,啟動平臺支腿油缸,調(diào)整水平。起吊預(yù)制樁,先拴好吊裝用的鋼絲繩及索具,啟動機(jī)器起吊預(yù)制樁,使樁尖垂直對準(zhǔn)樁位中心,緩慢放下插入土中,當(dāng)樁尖插入樁位,夾具抱緊管樁后,微微啟動壓樁油缸,當(dāng)樁入土至50cm時,再次校正樁的垂直度和平臺的水平度,保證樁的縱橫雙向垂直偏差不得超標(biāo),然后啟動壓樁油缸,把樁徐徐壓下,控制施壓速度,一般不超過2m/min。下壓過程中做好記錄,詳細(xì)記錄每入土兩米時壓力表的壓力值。樁頭距地面一米左右時停止壓樁,吊機(jī)吊起另一節(jié)樁,開始接樁。接樁時新接樁節(jié)與原樁節(jié)的軸線一致,兩施焊面上的泥土、油污、鐵銹等要預(yù)先清刷干凈。上下樁節(jié)間的縫隙應(yīng)用鐵墊片墊密焊牢,焊接時應(yīng)采取措施對稱施焊,以減少焊縫變形引起節(jié)點彎曲。焊縫應(yīng)連續(xù)、飽滿。接樁處的焊縫應(yīng)自然冷卻不少于1min。接樁時在下節(jié)樁頭上安裝導(dǎo)向箍,以便新接樁節(jié)的引導(dǎo)就位。上節(jié)樁找正方向后,對稱點焊4—6點加以固定,然后拆除導(dǎo)向箍。管樁焊接施工應(yīng)由有經(jīng)驗的焊工按照技術(shù)規(guī)程的要求認(rèn)真進(jìn)行。接樁時,新接樁未固定前,也要用經(jīng)緯儀在成90度夾角兩方向觀測垂直度,調(diào)整樁機(jī)水平。 4.1.2、停壓標(biāo)準(zhǔn) 本次試驗段φ40cm的管樁的終壓力取不少于2000KN,φ50cm管樁終壓力不少于2500KN,以硬塑粘土層或全風(fēng)化基巖作為樁端持力層,達(dá)到要求后,還要穩(wěn)壓三次,每次不少于2min。 4.2、錘擊機(jī) 4.2.1、打樁過程 由測量人員根據(jù)邊樁控制樁,用J2級經(jīng)緯儀定位放樣后,在樁身上劃出以米為單位的長度標(biāo)記,以便觀察樁的入土深度及記錄每米沉樁的錘擊數(shù);第一節(jié)管樁起吊就位插入地面時的垂直度偏差不得大于0.5%,在兩個成90度的方向上同時觀測、校正;保證施工過程中,樁錘、樁帽和樁身的中心線應(yīng)重合,否則管樁受到偏心錘打,容易發(fā)生受彎而折斷。焊接接樁時樁頭應(yīng)高于地面0.5~1.0m,上下節(jié)樁段保持順直,錯位偏差不宜大于2mm。焊好的樁頭應(yīng)自然冷卻后方可繼續(xù)錘擊,時間不少于8min,嚴(yán)禁用水冷卻或焊好即打;打樁時錘墊選用15cm厚直紋木墊,樁墊用麻袋、木夾板,壓縮后厚度12cm左右,錘擊過程中經(jīng)常檢查及時更換;管樁的總錘擊數(shù)不宜大于2000,最后1m錘擊數(shù)不宜超過280;送樁前應(yīng)檢查樁的垂直度;軟土層中施工,每根樁宜連續(xù)施打,停置時間不宜太長。 4.2.2、收錘標(biāo)準(zhǔn) 本次錘擊樁只施工了φ50cm的管樁,要求樁端進(jìn)入硬塑粘土層或全風(fēng)化基巖,最后3陣的貫入度要求在20~40mm,且在最后10擊的貫入度小于20mm的情況下收錘。 5、檢測結(jié)果 本試驗段PHC管樁施工后委托中科院武漢巖土力學(xué)研究所分別采用了靜載和小應(yīng)變檢測,檢測按照《JGJ106-2003》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。小應(yīng)變檢測了133根,其中Ⅰ類樁占92%,Ⅱ類樁占8%,未發(fā)現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ類樁。靜載采用慢速維持荷載法檢測了13根樁,最大荷載是1800KN(為設(shè)計單樁承載力的兩倍值),初級荷載360KN,然后按每級加載180KN進(jìn)行;從Q-S曲線看,曲線平緩,無明顯陡降段,S-lgt曲線呈平緩規(guī)則排列,最大沉降量是27.61mm,單樁豎向極限承載力滿足要求。 6、施工體會 6.1、工作墊層材料的選用 工作墊層用來改善原有地表的承載力,使樁機(jī)施工時行走平穩(wěn),但又不能影響到后續(xù)施工。如果工作墊層的材料有較多的大塊片石,將會影響到管樁施工時的樁位和垂直度;但是粒徑過細(xì)的材料對于改善地表土為淤泥質(zhì)土或常年種植土的承載力的效果不明顯,所以工作墊層材料的選用要恰當(dāng),材料粒徑可偏大,但不能出現(xiàn)大塊的片石。 6.2、管樁材料的堆放 管樁的堆放根據(jù)樁的規(guī)格、長度和使用先后及遠(yuǎn)近進(jìn)行堆放;堆放場地選擇在平整堅實的地方,使樁堆放后不會產(chǎn)生過大的沉陷,最下層與地面接觸的墊木加寬加高。堆放時,樁下墊木設(shè)置兩道,支承點的位置就在兩點吊的吊點位置處,同層的兩道墊木頂面保持在同一水平面上;當(dāng)重疊堆放時,各層均設(shè)置墊木,并保證各層墊木上下對齊;堆放層數(shù)不超過三層;墊木選用耐壓的木枋。 6.3、擠土效應(yīng) 靜壓法施工預(yù)應(yīng)力管樁屬于擠土類型,往往由于沉樁時使樁四周的土體結(jié)構(gòu)受到擾動,改變了土體的應(yīng)力狀態(tài),產(chǎn)生擠土效應(yīng);樁機(jī)施工過程中焊接時間過長;樁的接頭較多而且焊接質(zhì)量不好或樁端停歇在硬夾層;施工方法與施工順序不當(dāng),每天成樁數(shù)量太多、壓樁速率太快、布樁過多過密等,都會加劇擠土效應(yīng)。也有可能是某一土層的不排水抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高,樁在靜壓過程中,樁入土體使其產(chǎn)生沖剪破壞,同時對樁周圍土體進(jìn)行排擠,孔隙水受此沖剪擠壓形成不均勻水頭,產(chǎn)生巨大的超孔隙水壓力,而上部雜填土層未做清理,使土體向上的應(yīng)力無法釋放,加大了地基土的側(cè)向應(yīng)力。本工程地處空曠地帶,在距離施工區(qū)域左側(cè)50m位置有一條小河,這成為天然的防擠溝,使得小河以外的居民房屋未受影響,而距離施工區(qū)域較近的邊樁在每周的復(fù)核中均發(fā)現(xiàn)有位移,但位移量不大。 擠土效應(yīng)的防治具有重要意義,特別是在周圍有密集建筑的區(qū)域內(nèi)施工。一般做法是先清除表層的雜填土,開挖防擠溝,設(shè)置應(yīng)力釋放孔,合理地安排打樁順序,根據(jù)施工場地周圍環(huán)境和擠土程度,靜距離先施工,遠(yuǎn)距離后施工,必要情況下還應(yīng)控制每天的壓樁數(shù)量。如果允許管樁內(nèi)腔涌入土體,使用開口型樁尖,也能有效地減小擠土效應(yīng)。 6.4、終壓標(biāo)準(zhǔn) PHC樁作為端承樁,停壓標(biāo)準(zhǔn)控制合理與否將直接影響到樁能否既達(dá)到設(shè)計承載力要求又不致被壓壞的效果。實踐證明:在樁材質(zhì)量合格、沉樁正常的情況下,由于壓樁壓力而引起的樁身損壞多與停壓標(biāo)準(zhǔn)控制不合理有關(guān)。同時由于PHC樁具有脆性破壞和抗拉應(yīng)力低的特性,當(dāng)壓力較大,因樁機(jī)架配重不夠,而導(dǎo)致樁機(jī)抬架所產(chǎn)生的沖擊力極易使PHC樁產(chǎn)生裂縫或損壞,壓斷樁的情況也時有發(fā)生。因此,正確合理地控制停壓標(biāo)準(zhǔn),是PHC樁施工的一項重要技術(shù)。PHC樁停壓標(biāo)準(zhǔn)的控制主要考慮以下兩方面:樁入土深度和壓樁力(貫入阻力)。施工時詳細(xì)了解工程地質(zhì)情況及有關(guān)設(shè)計要求,正確掌握樁入土深度與貫入阻力的關(guān)系,一般情況以樁進(jìn)入持力層且最后三次貫入阻力達(dá)1.8~2.0倍單樁設(shè)計承載力而累積下沉≤10mm時為停壓控制標(biāo)準(zhǔn);但是施工中的終壓力值是根據(jù)在施工瞬間荷載作用下有土體側(cè)向約束的情況來確定的,因此終壓力可比兩倍的管樁單樁豎向承載力大。其受力方式接近于軸心受壓構(gòu)件,終壓力可按下式近似取值: P=(0.67R-σce)A0 R——砼立方體抗壓強(qiáng)度 σce——砼的有效預(yù)應(yīng)力值 A0——PHC樁的橫截面積 本次施工兩倍單樁承載力為1800KN,實際控制中以達(dá)到2500KN以上的壓樁力做為停壓標(biāo)準(zhǔn)。按下列經(jīng)驗公式,可由2500KN的終壓力來估算該樁的單樁承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計要求: Quk=αPp Pp——終壓力(KN) α——經(jīng)過多個工程的靜載試驗值與壓樁終止值分析得出的經(jīng)驗系數(shù),根據(jù)土質(zhì)情況取值在0.7~1.5 。 6.5、樁頂位移 在施工過程中,相鄰的樁會產(chǎn)生橫向位移和樁身上浮。有如下原因:網(wǎng)易a、樁入土后,遇到大塊堅硬障礙物,把樁尖擠向一側(cè)。 b、兩節(jié)樁或多節(jié)樁施工時,相接的兩樁不在同一軸線上,產(chǎn)生了曲折。 c、樁數(shù)較多,土飽和密實,樁間距較小,在沉樁時土被擠到極限密實度而向上隆起,相鄰的樁被浮起。 d、在軟土地基施工較密集的群樁時,由于沉樁引起的孔隙水壓力把相鄰的樁推向一側(cè)或浮起。 為了有效地減少樁頂位移,施工前應(yīng)對樁位下的障礙物清理干凈,對樁構(gòu)件要進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)樁身彎曲超過規(guī)定(L/1000且≤20mm)或樁尖不在樁縱軸線上的不宜使用。在穩(wěn)樁過程中,如發(fā)現(xiàn)樁不垂直應(yīng)及時糾正,接樁時要保證上下兩節(jié)樁在同一軸線上,接頭處應(yīng)嚴(yán)格按照操作要求執(zhí)行。采用井點降水、砂井和盲溝等降水或排水措施。沉樁期間不得開挖基坑,需要沉樁完畢后相隔適當(dāng)時間方可開挖,相隔時間應(yīng)視具體地質(zhì)情況、基坑開挖深度、面積、樁的密集程度及孔隙水壓力消散情況來確實,一般經(jīng)驗認(rèn)為宜兩周左右。6.6、其它問題 a、 施工中曾出現(xiàn)在相鄰兩根樁位置,地質(zhì)情況差異較大的情況,導(dǎo)致送樁過深的問題。由于我們后續(xù)還要施工樁帽,對于送樁過深的管樁,施工樁帽時極其不易,容易引起相鄰的樁水平方向位移。筆者認(rèn)為送樁深度不能超過兩米。 b、 本次施工中錘擊樁機(jī)的管樁采用普通焊條焊接,而靜壓機(jī)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊;從小應(yīng)變檢測看,普通焊條焊接的接頭很明顯,焊接質(zhì)量比二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的差。建議今后的施工中管樁接頭焊接盡量采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。 c、 必須根據(jù)安全管理的有關(guān)規(guī)定建立健全項目的各有關(guān)管理制度,在項目內(nèi)部落實安全管理責(zé)任制,建立考核制度,實施獎罰措施,以及樁機(jī)資質(zhì)及特種作業(yè)上崗證等必須齊全。除此之外,還必須注意以下幾個事項:  1.起重機(jī)作業(yè)前,應(yīng)對轉(zhuǎn)動部位進(jìn)行潤滑,檢查部件緊固程度,鋼絲繩是否磨損?! ?.起重臂下嚴(yán)禁站人,重物停在空中時駕駛員不得離開操作室。  3.起重范圍不得超過起重性能規(guī)定的指標(biāo),起重機(jī)吊樁進(jìn)入夾持機(jī)構(gòu),壓樁開始之前,必須在起重機(jī)、卷揚機(jī)構(gòu)放松起吊的鋼絲繩、吊鉤脫離后方可壓樁,以免拉斷鋼絲繩和拉彎起重機(jī)吊臂?! ?.接樁時焊接用的各種氣瓶應(yīng)作標(biāo)識,氣瓶要距離明火點10m以上,氣瓶間距必須大于5m,氣瓶必須加防震圈和防護(hù)帽,氣瓶使用和存放時嚴(yán)禁平放或倒放。  5.停止作業(yè)時,短履需運行到樁機(jī)中間位置,停落在平整地面上,其余油缸回程縮進(jìn)。切斷電源,操作人員方可離開樁機(jī)?! ?.施工完畢的樁的樁頭上面要加蓋,以防行人或雜物等掉陷。 7、結(jié)束語 PHC樁的單位承載力造價是各種樁型中較低的,且綜合經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)也好于其他樁型。通過本試驗段的施工,我們這種樁的施工工藝有了較為深入的理解。本文所述的施工經(jīng)驗,只是拋磚引玉,供各位同仁參考。 隨著PHC管樁的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,以及人們對它的理論研究和工程實踐的不斷積累,PHC樁的施工技術(shù)會不斷得到提高。
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