振動沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁技術及其應用

　　1 前言

　　我國地域遼闊，地質條件極為復雜，特別是在沿海地區(qū)及內地湖河沉積相地區(qū)存在著許多復雜的軟土地基，在這些地質條件下修建高質量的公路及建筑物都要進行軟基處理，以增加地基的穩(wěn)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(jīng)濟效益均有重要的影響。現(xiàn)在軟基處理中使用的方法主要有樁基、水泥土攪拌樁、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。水泥土攪拌樁施工質量難以控制，加固深度也有限，且檢測量大且費用高；超載預壓方法由于軟弱地基土的強度很低，存在路堤的穩(wěn)定性問題，不能快速加載，制約工程的進度，因此施工工期很長，影響了工程投資的經(jīng)濟性。強夯法主要是針對透水性較強軟土的加固效果明顯，對軟粘土不適宜，對沿海地區(qū)的粘土及淤泥質土的加固處理受到了限制。

　　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(wěn)定性，提高地基的承載力和減小變形，長期以來，無論在建筑工程，還是在道路工程中，都得到普遍采用。這其中主要包括實心預制樁和現(xiàn)場灌注混凝土樁，以及預制混凝土管樁等。預制實心樁較現(xiàn)場灌注樁造價要高；現(xiàn)場澆筑混凝土樁單方造價較低，但也不能節(jié)省混凝土材料，從根本上看，現(xiàn)場澆筑混凝土實心樁的造價并未得到根本的降低。為此，又發(fā)展了預制混凝土管樁，該樁型的單方混凝土提高承載力較實心混凝土樁有了較大的提高。但預制混凝土管樁的使用需要在工廠預制，預制混凝土管樁從形式上是節(jié)省了材料，但考慮到運輸和施工等因素，又必須加入了大量的鋼筋以增加強度抵抗施工可能帶來的破壞性，從而增加了造價，故地基加固成本較高。因此，尋求使用較少的混凝土方量，以實現(xiàn)造價低、承載力高，并且地基的穩(wěn)定性增加明顯的新樁型成為巖土工程界的迫切需要解決的問題。正是考慮到實心樁及預制管樁的不足，考慮到實心樁及預制管樁的不足，河海大學開發(fā)了高效經(jīng)濟的現(xiàn)場澆筑混凝土薄壁管樁軟土地基加固專利技術(ZL 01273182.X)和施工工藝(CN 1367296A)，達到了造價低、承載力高、地基的穩(wěn)定性增加和地基沉降降低等明顯目的。

　　2 技術原理

　　振動沉模現(xiàn)澆混凝土管樁技術采取振動沉模自動排土現(xiàn)場灌注混凝土而成管樁，具體步驟是依靠沉腔上部錘頭的振動力將內外雙層套管所形成的環(huán)形腔體在活瓣樁靴的保護下打入預定的設計深度，在腔體內現(xiàn)成澆注混凝土，之后振動拔管，在環(huán)形域中土體與外部的土體之間便形成混凝土管樁。在形成復合地基時，為了保證樁與土共同承擔荷載，并調整樁與樁間土之間豎向荷載及水平荷載得分擔比例以及減少基礎底面的應力集中問題，在樁頂設置褥墊層，從而形成現(xiàn)澆薄壁管樁復合地基。振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁動力設備是振動錘，振動錘的兩根軸上各裝有偏心塊，由偏心塊產生偏心力。當兩軸相向同速運轉，橫向偏心力抵消，豎向偏心力相加，使振動體系產生垂直往復高頻率振動。振動體系具有很高的質量和速度，產生強大的沖擊動量，將環(huán)形空腔模板迅速沉入地層。腔體模板的沉入速度與振錘的功率大小、振動體系的質量和土層的密度、粘性、粒徑有關。振動體系的豎向往復振動，將腔體模板沉入地層。當激振力R大于以下三種阻力之和：刃面的法向力N的豎向分力、刃面的摩擦力F的豎向分力，腔體模板周邊的摩阻力P的合力時(見圖1)，模板即能沉入地層；當R與N、F、P豎向分力平衡時或達到預定深度時，則模板停止下沉。由于腔體模板在振動力作用下使土體受到強迫震動產生局部剪脹破壞或液化破壞，土體內摩擦力急劇降低，阻力減小，提高了腔體模板的沉入速度。同時擠壓、振密作用使得環(huán)形腔體模板中土芯和周邊一定范圍內的土體得到密實。該成樁機理為：

　?。?）模板作用。在振動力的作用下環(huán)形腔體模板沉入土中后澆注混凝土；當振動模板提拔時，同時混凝土從環(huán)形腔體模板下端注入環(huán)形槽孔內，空腹模板起到了護壁作用，因此不會出現(xiàn)縮壁和塌壁現(xiàn)象。從而成為造槽、擴壁、澆注—次性直接成管樁的新工藝，保證了混凝土在槽孔內良好的充盈性和穩(wěn)定性。
　?。?）振搗作用。環(huán)形腔體模板在振動提拔時，對模板內及注入槽孔內的混凝土有連續(xù)振搗作用，使樁體充分振動密實。同時又使混凝土向兩側擠壓，管樁壁厚增加。
　?。?）擠密作用。振動沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁在施工過程中由于振動、擠壓和排土等原因，可對樁間土起到一定的密實作用。擠壓、振密范圍與環(huán)形腔體模板的厚度及原位土體的性質有關。

　　3 振動沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁施工機具設備

　　施工機具的主要技術性能要求：（1）沉樁深度達到25m以上；（2）樁徑為1000 ~ 1500mm；（3）管樁壁厚100~150mm；（4）混凝土可多次加料；（5）提升力達到30t，壓樁力加上高頻振動荷載達到100t。
根據(jù)以上要求設計了振動套管成模大直徑現(xiàn)澆管樁機具，如圖2所示。設備基本組成包括：底盤（含卷揚機等）；‚龍門支架；ƒ振動頭；„鋼質內外套管空腔結構；…活瓣樁靴結構；†成模造漿器等；‡混凝土分流器。
圖2 振動沉模現(xiàn)澆薄壁管樁設備圖

　　4 振動沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁施工工藝及要點
　　（1）施工流程
　　施工進場 → 現(xiàn)場裝配 → 樁機就位 → 振動沉管 →澆注混凝土 → 振動拔管 → 移機
　?。?）施工要點
　　（a）為保證在含地下水地層中應用現(xiàn)澆管樁的質量，保證在成樁過程中地下水、流砂、淤泥不自樁靴進入管腔，澆筑采用二步法工藝，即在成樁管下到地下水位以上即進行第一次澆筑，將樁靴完全封閉，然后繼續(xù)下到設計深度后進行第二次澆筑成樁。
　?。╞）為保證樁與樁之間在成樁過程中不互相影響，施工順序采用隔孔隔排施工工序。
　　（c）如遇到較硬夾層，可利用專門設計的成模潤滑造漿器在沉樁過程中注入泥漿。
　?。╠）內外管應鎖定后方可起吊裝配；
　　（e）混凝土應以細石料為主，可以適當摻入減水劑，以利于腔體中砼流動性較好；
　?。╢）在遇到砂性土層時，宜放慢上提的速度，軟土層速度一般可在1～3min/m。

　　5 振動沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁技術特點
　?。?）振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁技術特點
　?。╝）雙層鋼管空腔結構優(yōu)點是可形成大直徑管樁（可達1.5m以上），與實心樁（一般樁徑小于600mm）相比，可提高樁摩擦力，并節(jié)省大量混凝土，從而大大降低造價。
　?。╞）活瓣樁靴結構，可避免使用預制鋼筋混凝土樁頭，大大降低成本和加快施工進度。并且可以調整成樁擠土方向。
　　（c）通過造漿器造漿，可以減少沉模時環(huán)形套模內外摩擦阻力，保護樁芯和側壁土穩(wěn)定。
　?。╠）混凝土分流器可以避免管腔中混凝土澆注時的離析和厚薄不均。
　?。╡）龍門支架較單柱支撐的優(yōu)點是保證機具穩(wěn)定，同時克服了常規(guī)結構抗拔力不足問題。
　?。╢）由于采用振動雙層套管成模工藝，灌注混凝土方量的相應減少，施工速度較鉆孔灌注樁及粉噴樁要快，且質量也容易控制，加固同等面積軟土地基效率提高40%以上。
　?。╣）選擇大直徑管樁進行地基加固，由于樁身表面積大，使單樁承載力大為提高，與實心混凝土樁或粉噴樁相比，單樁在復合地基處理中控制的加固面積大（對于1m樁徑的管樁加固面積一般大于10m2）；
　?。╤）該樁型成樁質量穩(wěn)定，可沉樁較深（25~35m），樁體與樁周土形成剛性復合地基，復合層的變形很小，地基穩(wěn)定性得到提高。
　　（i）土中套管成?，F(xiàn)澆管樁機具形成的復合地基技術在高速公路、市政工程等軟基加固中的使用，將節(jié)約成本，縮短工期，提高工程質量，具有廣泛應用前景。

　　(2)適用范圍
　　振動沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁技術適用于各種結構物的大面積地基處理。如（a）多層及小高層建筑物地基處理；（b）高速公路、市政道路的路基處理；（c）大型油罐及煤氣柜地基處理；（d）污水處理廠大型瀑氣池、沉淀池基礎處理；（e）江河堤防的地基加固等。

　　地基處理的土層，應以以下土層為代表：（a）表層土：有1～2m厚的填土，或可～軟塑的素填土3～5m。（b）下部土層：以軟～流塑狀態(tài)的粉土、粉質粘土為主體。（c）底部土層：以進入砂層為持力層，稍密的砂約1～2m，中密以上的進入該層0.5m；（d）對于砂土的夾層厚度不宜大于4m的土層。根據(jù)以上幾點的要求，該機械設備制作的管樁應具有一定的承載力及抗水平的推力；該樁型同時也可放置鋼筋籠及改進樁尖結構增大筒內土體的擠密作用，以提高其承載效果。

　　6 振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復合地基設計與檢測

　　由于振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁與褥墊層、土共同作用形成剛性樁復合地基，振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復合地基的設計按剛性樁復合地基進行。復合地基承載力的確定，比較可靠的方法式采用單樁或多樁復合地基原位載荷試驗實測，也可用根據(jù)公式進行估算[1]，[2]。復合地基沉降量通常分為二部分，即復合地基加固區(qū)的壓縮量，加固區(qū)下臥層厚度為壓縮量，于是在荷載作用下復合地基的總沉降為二部分之和[1]，[2]。
　?。?）振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復合地基設計內容
　?。╝）根據(jù)地質勘測報告，確定樁端持力層和樁長；
　　（b）確定樁徑和壁厚，一般設計樁徑為1000mm～1500mm，設計壁厚100～150mm；
　?。╟）根據(jù)設計要求的復合地基承載力和變形確定樁間距和布置，一般樁間距為（3～5）d；
　?。╠）樁體混凝土等級，根據(jù)形成復合地基承載力的需要，一般采用C10～C25；
　　（e）褥墊層厚度及材料，褥墊層厚度一般取10～40cm，材料可選粗砂，碎石，中間設土工隔柵。

　　（2）質量檢測方法
　　振動沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁檢測分三種方式進行，即：
　　（a）現(xiàn)場開挖：檢查樁身外觀質量，該項工作應在樁基完工14天后進行。
　?。╞）低應變和高應變檢測：采用反射波法對樁身完整性進行檢測。
　　（c）靜載荷試驗或復合地基承載力載荷試驗：對單樁承載力或復合地基承載力進行檢測。

　　7 振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁技術的應用
　　（1）工程加固概況
　　南京大廠區(qū)經(jīng)一路軟基加固工程位于南京市長江北岸，地基土層為8~18米深粉質粘土，設計路堤填土最大高度為6.0米。通過堆載預壓、真空預壓、粉噴樁等方案比較，最終確定了現(xiàn)澆管樁復合地基軟基加固技術方案，設計樁長從6m到11.8m不等，工程總量為3780延米。設計直徑 1000mm，壁厚120mm，混凝土等級C20，坍落度5cm~8cm，樁間距橫向3.0m，縱向間距排與排之間3.5m，采用正方形布置。于2001年11月底完成地基處理工程。圖3為現(xiàn)場施工的照片，圖4為開挖單根管樁樁頭。
　　（2）樁基檢測
　　該樁基工程檢測分三種方式進行，即：
　　1）現(xiàn)場開挖：檢查樁身外觀質量，該項工作在樁基完工14天后進行，檢查數(shù)量不得少于3根。開挖結果表明，樁身混凝土結構完整，無斷樁和空隙。
　　2）低應變檢測：采用反射波法對樁身完整性進行檢測，檢測數(shù)量為總樁數(shù)的25％。南京大學科技實業(yè)集團公司基礎工程科技應用中心《樁基低應變動力檢測報告》表明：樁身混凝土強度等級達到設計C20要求。實測各樁樁身完整，為A類樁。
　　3）靜載荷試驗：對單樁承載力進行檢測，檢測數(shù)量為三根樁。中鐵大橋局集團第二工程有限公司五分公司《基樁靜荷載試驗報告》表明，7.8m管樁豎向極限承載力大于600kN，滿足設計要求。

【參考文獻】
1 地基處理手冊編寫委員會，地基處理手冊（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，2000
2 龔曉南，復合地基，浙江大學出版社，1992
3 樁基工程手冊編寫委員會，樁基工程手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1995
4 錢家歡，土力學，河海大學出版社，1995，p78
5 劉漢龍，馬曉輝等，振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁設備開發(fā)和技術研究，河海大學科學研究報告，2001.6