浅谈薄壁筒桩

颜映春

1 研究背景及意义

我省地处我国华南南部,存在着较多复杂的软土地基,在这些地质条件下修建高等级公路要进行软基处理,以增加地基的稳定性及减少沉降。软基处理方法的选择使用对工程质量、工期和经济效益均有重要的影响。目前软基处理的方法主要有桩基、搅拌(粉、浆)桩、强夯法和真空预压、超载预压等加固方法,每种加固技术都有它的适用性和局限性。桩基形式种类繁多,如果细分,竟超过80种之多(吴庆曾,2000年)。桩基在加固软土地基中使用由于施工速度快,可大大缩短工期,加固处理深度不受限制,适宜各种地质条件,可明显增加路基的稳定性,提高地基的承载力和减少变形,长久以来,在道路工程中,都得到普遍应用。这其中主要包括沉管灌注桩、钻孔灌注桩和预应力管桩。寻求用较少的混凝土方量,施工方便、成桩质量可靠,造价较低、承载力高,且地基稳定性增加明显的新桩型成为迫切需要解决的问题。正是在上述的背景下,才研制了现浇混凝土薄壁筒桩(简称筒桩)。筒桩作为一种新桩型,派生于沉管灌注桩技术,具有较好的应用前景。因此,本设计采用现浇混凝土薄壁筒桩加固桥头软基,并对其进行试验研究,为设计的合理性提供科学依据,并假设在相同的地质与荷载条件下,筒桩与粉喷桩、塑料排水板、Y形桩进行加固软基的效果及效益比较,探讨桥头软基最合适的加固方法。

2 筒桩的施工原理

筒桩主要原理是采取自动排土振动灌注而成筒桩。施工原理简述如下:把筒体桩靴套入外、内钢质套管之间的孔腔内,该外、内套管的下端面与桩靴上的外、内支承面相接触;上部与压盖连接,且内套管上部成锥度管穿过压盖,插入施力压头与出泥孔导通;然后将切削头压入土层。接着振动下沉,在成圆筒形孔的同时亦同步自动排出土体,随后放入钢筋笼及灌注混凝土,一边灌注混凝土,一边振动拔出成孔器套管即成筒状管桩。

3 筒桩加固桥头软基设计原则

本次设计按路基平面应力分布及允许沉降量两个原则来布置筒桩。路肩段负荷较小,因而桩数可适量减少;路面段为路基荷载(填土高4.5 m)分布区,因此是本工程桩量的密集区。筒桩采用梅花形布设。筒桩直径设计采用1 000 mm,壁厚120 mm,桩身混凝土强度等级C25,主要从目前的打桩设备、成孔器大小及筒桩抗荷载能力考虑。为提高单桩承载力,在筒桩桩顶设计盖板,为比较有盖板区与无盖板区两层土工格栅加固的沉降量,在K 16+678～K 16+702段设计有盖板区,K 16+702～K16+741段设计无盖板区,辅以两层土工格栅加固。由于与筒桩处理段接邻是塑料排水板加固区,塑料排水板加固区沉降量较大,而筒桩加固区沉降量小,为避免二者之间的沉降差异,在二者之间设置一过渡段,通过改变桩长来调整两者沉降差异。

4 设计方案的确定

根据筒桩加固区桩土复合地基的计算结果,为了减少跳车问题,接桥路段筒桩桩端打至持力层,筒桩的设计极限承载力为1 000 kN,工后沉降为9.8,最小滑动安全系数为1.524;过渡段筒桩依次设计为17 m～15 m,相对应的工后沉降量10.2 cm～13.7 cm,最小滑动安全系数为1.527。

5 筒桩复合地基设计

设计采用梅花形布置,桩间距为2.5 m,桩径为 1 000 mm,壁厚120 mm,混凝土等级为C25。接桥路段桩长为18 m,桩端为④-1粉质黏土层,过渡带 25 m范围,桩长依次设计为17 m,16 m,15 m,桩端为②-1淤泥质黏土层,具体布设见图1。

根据本次试验的目的和筒桩设计实际情况,将试验路段划分为四个区(A,B,C,D区),各设置一监测断面,如图1所示。A区为盖板筒桩联合单层土工格栅,B区为无盖板筒桩联合双层土工格栅,C区为塑料排水板超载预压联合土工格栅,D区为塑料排水板超载预压。

6 筒桩质量监控

6.1 桩身质量检测

对10根筒桩进行现场开挖,其中3根桩为试桩,开挖的深度不一(6 m～18 m)。结果表明,筒桩内、外壁表面光滑,壁厚均匀,未发现薄壁坍落、缩颈等不良现象。对开挖的6根桩进行钻探取芯结果表明,除桩顶附近壁厚部分小于12 cm外,其余各段厚度基本在(12.0±0.3)cm附近。从3根桩各抽一组芯样进行单轴抗压强度试验结果表明,试样混凝土强度均大于设计值C25,强度分布均匀,自上而下,混凝土强度有所提高。

6.2 竖向静载试验

共做了8根单桩,1组4根桩复合地基(QZFH)竖向静载荷试验。试桩C-19F是试桩C-19静载后进行复测,加载到破坏。试桩R-12被挖去土芯7 m,试桩A2-16的土芯18 m全部挖去,以便进行对比试验。各试桩均按慢速维持荷载法进行试桩。试桩中,除Q-2,U-2两桩有明显的第二拐点,曲线呈陡降型外,其余曲线均呈缓变型。18 m的桩荷载—沉降性状均呈缓变型,除A2-16桩外单桩极限承载力均大于1 000 k N,可取1 440 kN。比设计单桩极限承载力(1 000 k N)提高44%。16 m的桩荷载—沉降性状呈缓变型、陡降型各占一半,单桩极限承载力均大于 800 k N,取800 k N,比设计单桩极限承载力(720 k N)提高11%。试桩R-12内芯土也被挖去7 m,故其极限承载力比满芯桩低些,两个取芯试桩的Q—S曲线总体沉降量都较大,但实测Q—S曲线均为缓变型,故单桩竖向极限承载力仍可分别取1 000 k N和800 k N。由试桩A2-16和R-12与其他试桩结果比较表明,筒桩的内侧摩阻力是存在的。

7 结论与建议

1)薄壁筒桩施工工艺简单,成桩速度快,施工质量易于控制,但由于沉模时要克服内模土芯、桩模与土层之间的双重摩阻力,设备功率必然要加大,需要专用重型桩机,且由于用振动锤振动沉桩,必有振动,对周边环境有影响。

2)薄壁筒桩有内外侧壁,存在内外侧摩阻力。

3)在施工费用上,筒桩加固费用较高,但预压期短,无需受填筑速率控制,可一次性填筑至设计标高。对于箱涵、涵洞等加固区,可避免二次开挖,使整个工期大大缩短。

4)加盖盖板,能有效地降低土沉降。在满足承载力要求的允许沉降量前提下,加大盖板面积,放大桩间距,可降低工程造价。

5)土工格栅对于筒桩处理软基必不可少,使筒桩和桩间土能相互作用,使桩间土上的应力转移到筒桩上来,使路基沉降均匀,提高路基的稳定性。

6)筒桩成桩以后,质量检测简单易行,可通过低应变测试桩身完整性,通过高应变测试单桩承载力。

7)筒桩技术处理软土地基从根本上解决了软土地基的不均匀沉降问题,有工后沉降小和路基稳定性好等特点。而其他处理软基方法均是治标不治本,这是筒桩与其他方法最重要的本质差别。

进入21世纪以来,我国每年各种桩的用量已经超过500万根,综合考虑软基加固的技术效果和经济效益,用筒桩加固高速公路桥头软土路基,特别是对地基强度和工后沉降要求较高(如高填方的台后路基)且软土性质差的路段,其技术上是优越的,综合比较社会效益是明显的。不过在满足承载力要求的前提下,建议优先使用Y形桩,因为两者都派生于沉管灌注桩,且从两者的对比来看,Y形桩的确有一定的优势,本次设计遗憾的是由于没有Y形桩的试验观测数据,无法进一步探讨其与筒桩加固软基的效果区别,只能从理论上来分析。

目前,现浇混凝土薄壁筒桩已经有多项中国国家专利及美国国家专利。从已经施工完成的筒桩应用情况来看,筒桩应用已不受施工环境以及地质条件限制。过去筒桩应用受限制主要表现在两个方面:1)施工桩的激振锤提供的激振力不能满足要求;2)筒桩施工存在一定的挤土效应。目前,我国施工筒桩的振动锤多数还是从国外引进,成本较高。而随着国内中铁工程机械研究设计院自行研制开发的大型高频液压振动锤的问世,可以很好地解决激振力不足及造价高的问题。而后者则只需外加抓土装置,可直接从内管取土,以减少内管土的阻力,从而达到减小挤土效应的目的。

[1] 张晓青.浅谈几种软土地基处理的方法[J].山西建筑,2009,35(6):153-154.