沿海地区复杂地质扩底桩施工技术研究.pdf

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———文章编号:10094539(2018)04001805・科技研究・沿海地区复杂地质扩底桩施工技术研究张世平(中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司辽宁沈阳110000)摘要:可视可控旋挖扩底灌注桩具有成孔速度快、提高单桩承载力、在与常规灌注桩同直径的情况下可缩短桩长、在同等深度下可减小桩径的优点,目前已广泛应用于房建等项目,但在桥梁市政项目应用较少。通过对天津外环线东北部调线津汉互通立交工程扩底桩施工进行实践,研究桩基扩底施工及成桩质量。关键词:扩底桩单桩承载力成桩质量中图分类号:U445.55+l文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2018.04.005ConstructionTechnologyResearchonEnlargedBottomPileinComplexGeologicalCoastalAreaZhangShiping(ChinaRailwayConstructionBridgeEngineeringBureauGroupThirdEngineeringCo.Ltd.,LiaoningShenyang110000,China)Abstract:Thevisibleandcontrollable—rotarydiggingenlargedbottompilehastheadvantagesoffasthole-formingspeed,improvingtheboatingcapacityofsinglepile,shorteningthepilelengthunderthesamediameterasthatofconventional——castinplacepile,andreducingthepilediameteratthesamedepth,thusithasbeenwidelyusedinbuildingengineering,butlessinbridgemunicipalprojects.BasedonthepracticeoftheenlargedbottompileconstructioninthenortheastofTianjinOuterRingLineInterchangeProject,thepaperstudiedthebaseenlargingconstructionofpilefoundationandthepileformingquality.Keywords:enlargedbottompile;bearingcapacityofasinglepile;pileformingquality1工程概况——快速路系统二期项目外环线东北部调线工程第1标段,本标段立交c匝道桥29#、30#以及外环主路2号桥16#进行扩底桩施工,为AM扩底灌注桩,其中C29#、c30#桩径为1.2m扩2m,桩长为41m;外环2号桥16#桩径为1.0m扩1.6m,桩长为40m。以上扩底桩完成后进行桩基后注浆。另外为检测扩底桩性能,在以上墩位选取个别桩基作为试桩进行静载试验(见图1)。——收稿日期:20180205基金项目:中国铁建大桥工程局集团有限公司科技研究开发计划项—目(Crl39K-201414)作者简介:张世平(1973一),男,高级工程师,主要从事桥梁施工方面的工作。图1扩子L桩施工部位天津地区工程地貌主要是冲海积平原,地势平坦,因此目前天津地区应用最广泛的是泥浆护壁成…孔、摩擦型钻孔灌注桩。摩擦桩的荷载主要由桩侧阻力承担,桩顶承受上部结构传来的荷载时,由桩身传递给土层,桩身有向下的位移或位移趋势,土体则提供阻止该位移或位移趋势的摩擦力,在此18钐}道建兢技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(04J万方数据・科技研究・Ⅲ过程中灌注桩会产生沉降。而采用扩底桩并进行桩基后注浆技术可以很好的控制沉降量,并提高灌注桩承载力。2设计参数扩孔桩设计参数见表1。表1扩孔桩设计概况墩号数量/根桩径/m桩长/m桩顶标高/m桩底标高/m外环16#161.0扩底1.640.0O.6—39.4C29#41.2扩底2.041.0O.9—40.1C30#41.2扩底2.041.0O.8—40.23扩底桩施工工艺3。1扩底钻孔灌注桩优点及设备选型3.1.1可视可控旋挖扩底桩的优点扩底桩是桩底部按一定的扩孔率扩大,以提高桩端垂直承载力和增加抗拔力的新型桩基础bo。扩底桩是一种新技术,它对底部持力层及孔底沉渣厚度要求较高(见图2)。3.1.2设备选型根据本工程扩底桩施工的特点,选择扩底桩施工设备要有保障措施,常规的正、反循环钻机无法满足本工程扩底桩的整体施工以及桩基成形质量图2扩底桩施工大样要求,所以为了保证本工程扩底灌注桩施工过程中的各项精度以及质量要求,本工程选择了进口的大型全液压可视可控扩底旋挖钻机,该类钻机具有成孔深度深、垂直度高、成孔直径大以及成孔效率高等优点HJ。(1)驾驶员通过操作旋挖扩底钻机的垂直仪、水平仪来保证机身的水平情况以及桅杆的垂直度,使钻机对准桩中心。钻机在进行扩底施工中,通过输人参数在电脑中来进行影像的录制和监控,从而科学有效地保证了桩基的成孔质量。除此之外,该类旋挖钻机通过挖掘施工原始土体来进行钻孑L施工,故保障了成孔速度。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY(2)钻机通过对周围的土体挤压掘进来进行扩底桩成孔,人工制造稳定液用以保持孔内液体的平衡,从而起到护壁作用。同时,在混凝土的浇筑过程中混凝土直接接触周围的孑L壁,增加了桩身的摩擦系数,从而提高了桩基的承载力。(3)钻机钻进过程中使用的稳定液是一种可以重复使用的资源。除此之外,该类钻机在整个运行中产生的声音小,是一种没有振动的环保型钻机,钻机在成孑L钻进过程中的噪声分贝小于65,而且钻机是通过挖掘原始土体来进行钻进成孔,利用提升钻斗进行卸土,因此整个的钻进成孔过程并没有稳定液的外排放,大大降低了对环境的污染,是一种集约型钻机。(4)可视可控旋挖扩底桩在成孔后静置12h沉渣仅为11.2cm,而常规灌注桩12h沉渣达414.6cm,因此可视可控旋挖扩底灌注桩成孑L质量更能得以保证(见图3)。图3AM扩底桩施工影像管理装置3.2施工工艺流程和施工方法(见图4)AM-T-法:全液压可视可控旋挖扩底灌注桩施工顺序l234567891011121314钻钻埋等更扩测下下二混灌拔机孔设径径换孔量放放次凝注除就埋护部部魔结孔钢导清土结护位护筒开成力束深筋管孔灌束筒筒始孔铲并茏并剐注拔成至斗清测量除孔设开底量孔导计始孔深管标扩深高孔图4AM可视可控旋挖扩底灌注桩施工流程2口78俾J19煎塞函万方数据・科技研究・3.2.1桩中心定位测量定位扩底桩的桩基中心,通过十字拉线进行桩中心的保护和复核,定位过程中请现场的监理进行复核。3.2.2扩底钻机定位钻机进行定位前,通过在钻机架设部位铺设钢板来保障钻机的整体稳定性,施工作业面内的地质条件得到改善,避免钻进施工过程中的土体不均匀沉降而影响钻机的稳定性。3.2.3埋设钢护筒将扩底钻机定位后,首先钻一个深度比钢护筒浅0.5m、直径比钢护筒直径稍大的孔,之后使用钻机将钢护筒吊入孔内并竖直下压人土。3.2.4等径部桩基成孔钢护筒埋设完成之后,采用泥浆泵向孔内注入稳定液,使用柴油机驱动液压马达来转动钻机钻杆,通过钻机的钻杆和钻斗的自重以及筒式钻头的综合作用压力进行桩基的钻进口J,待钻斗装满土之后,提升钻斗,移动钻头到旁边的卸土区,然后打开钻头斗门将土卸出,卸出后关闭斗门并旋转钻头至钻进状态,再将钻头下降至孔内,重复该过程直至达到设计的孔深,伴随整个钻进过程持续加入稳定液(见图5)。3.2.5扩底部位成孔更换扩底魔力铲斗开始扩底成孔施工,机舱驾驶员首先在控制室电脑上设置扩底各项技术参数,然后扩底作业会在电脑自动管理中心的指挥下进行整个扩底过程,利用影像监控随时监测扩孔掘进情况,保证扩底桩的成孔质量。在进行魔力铲斗的回转过程中,利用倒排部位镶嵌钛合金的魔力铲斗将土体等分成二部分或者四部分来进行切削、掘进哺],进行水平方向的扩孔施工,扩孑L施工过程中产生出的土装入铲斗内,待铲斗装满后,提升钻杆将土带至地面指定区域。扩底桩成孔完成之后,及时进行扩孔施工资料的打印,然后使用电子检孑L仪复核钻孑L的孔深、孑L径(见图6)、20图5等直径钻孔过程施工现场图6扩底过程施工铁道建筑技术3.2.6钻孔人造稳定液制备及管理(1)扩底桩钻进施工使用人工制造的稳定液进行孔内护壁,结合不同地质采用相应的稳定液比重,本工程将其控制在1.25之内,主要性能如下:①主要材料为膨润土、水、CMC,减缓杂物的沉降速率,便于进行清孔作业。②在整个钻进、钢筋骨架下放以及灌注过程中,保证孔壁一直处于较稳定的状态。③稳定液中含有亲液胶体,在钻进过程加入稳定液,之后在浇筑混凝土时会将孔内的稳定液排至孔外,再进行稳定液的除砂工作,从而使稳定液得以重复使用。(2)人造稳定液制备①人造稳定液保存通过搭设专门的储存池来保存稳定液,储存池的使用体积为100m3。②人造稳定液的制备稳定液的配制使用膨润土、CMC(纤维素)、烧碱和水通过适当的配比进行制备,配比通常为:膨润土:CMC(纤维素):水=110:1:1000根据调制完成的稳定液酸碱度适当加入烧碱,—通常将稳定液的pH值控制在79之间。为增加稳定液的比重可在稳定液中加入适量的黏土或者重晶石一一。③稳定液的搅拌通过对扩底桩周围地质的土层情况、地下水状态以及其它钻孔条件进行充分调查和了解,来确定人造稳定液的实际配合比例。使用专门的搅拌机对稳定液进行搅拌,搅拌时长控制在3~7min。根据现场多次的搅拌经验,如果稳定液的搅拌时间在4min左右时,膨润土的溶解率可达到98%;当搅拌时间达到9min,膨润土可以完全溶解。制备稳定液时的投料顺序一般情况下为:水、膨润土、CMC(纤维素)、分散剂、其他外加剂。其中膨润土必须要进行充分的搅拌。(3)稳定液的回收再利用钻孔过程中使用的稳定液在灌注混凝土时,可利用泥浆泵将孔内的稳定液抽回至稳定液储存箱或稳定液储存池中,之后再利用综合的旋流振动筛,对稳定液进行脱砂净化处理,使得稳定液可以循环再利用。此项施工技术与常规的正反循环钻机成孔不同,常规的钻机在钻进过程中排出的泥浆与原始土的比RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY20,8饼J万方数据・科技研究・‘例为4:183;该项技术在钻进成孔中,只有原始土体排出,从而有效改善了泥浆的排放以及运输带来的问题,很好地减少了对周围环境的污染(见图7)。3.2.7一次清孔图7稳定液净化(除砂泥)现场成孔完成后利用扩底钻头进行第一次清孔,清孔时下降钻杆将孔内的魔力铲斗放至孔底,反复旋转钻斗将孔内沉渣装进钻斗内,排至孔外。3.2.8制作、安装钢筋笼钢筋笼最长约45m,分两节进行制作、加工,制作时使两节的长度保持一致,两节钢筋笼在孑to进行连接。3.2.9导管安装、二次清孔(I)导管安装钢筋笼制作、安装完成后,进行导管的安装。(2)二次清孔当孔底沉渣厚度达到30cm,利用气举反循环的方式进行第二次孔内沉渣清除,沉渣小于30cm时采用正循环进行二次清孔。3.2.10混凝土浇筑混凝土浇筑完成时要保证桩头混凝土控制在设计桩顶标高lm以上,同时为了确保桩头位置的混凝土质量,在超灌的桩头部位进行混凝土取样,待混凝土石子含量达到标准后方可停止灌注。成功贯通¨2|,注水停止,并关闭单向阀防止回流堵塞;待桩基灌注完成7d后,开始进行压浆施工,每根桩每一注浆断面必须一次注浆完成,如因机械故障等原因无法一次性完成注浆的,注浆间隔时间不得大于12h,注浆应分两次进行。(3)本工程采用声测管作为注浆管,桩底压浆前在压浆管底部安装防止浆液逆流的注浆阀,并采用橡胶皮包扎防止水泥浆进入管内造成堵管,上端应用堵头临时封口。4.3后压浆施工工艺4.3.1工艺流程钢筋笼制作,压浆管设置_+压浆管质量检查-+钢筋笼吊装,压浆阀安装_÷—压浆阀质量检查崛凝土灌注斗——超声波测试水泥浆配制叫桩底压浆压浆设备拆除。4.3.2施工要点(i)按设计要求和规范规定施工扩底钻孔灌注桩,要保证桩的垂直度不超标,尽量减少孔底沉渣及孔壁泥皮厚度。在黏土层,要防止桩孔缩径,给下放钢筋笼和压浆管造成困难。(2)根据本工程设计图纸要求,注浆通过注浆浆液量以及注浆压力进行双控,以注浆浆液量(水泥使用量)控制为主,以注浆压力为辅。(3)注浆选用水泥与水灰比:注浆水泥一般选用普—通硅酸盐水泥,水灰比为0.450.6,对于粗粒士水灰比取较小值,细粒土取较大值,密实度较大取较大值。4钻孔灌注桩后压浆施工工艺5试桩成果4.1钻孔灌注桩后压浆技术特点后压浆技术是在已施工完成的钻孔灌注桩桩底和桩侧进行压浆,用以消除桩底沉渣造成的软弱垫层,同时可以提高桩土界面的承载力p。1引。其优点是增加桩底土体强度、清除钻孔灌注桩桩底沉渣与桩侧泥皮的缺陷,提高桩基承载力、降低工程造价、缩短工期¨1|。4.2后压浆施工—Ⅷ(1)压浆机具,一般选用额定压力321,a的压浆机(根据孔深不同而定),本工程根据设计要求注浆终止压力不小于6MPa。(2)压浆机顶端应放置单向阀,防止停止注浆时,下端注浆部位的浆液产生回流;在成桩后8~lOh内进行劈裂施工,使用清水进行劈裂,过程中当压力表读数突然下降,则表明压浆管底端的混凝土已试桩静载检测结果统计见表2。表2单桩竖向静载数据汇总书1.0m扩底1.6m,由1.2m扩底设计参数2.0m.L41.0mL40.0m后压浆工艺后压浆工艺桩号W2L16.8W2R16.8W2R16.1C29.1单桩竖向抗压承140001400014Ooo18000载力标准值/kN最大试验14000175002240023400荷载/kN最大试验荷载8.3614.2314.4824.36对应沉降/mm最大试验荷载12600168002l00022500前一级荷载/kN最大试验荷载前一级6.8212.9013.6624.07荷载最终沉降/一评价单桩竖向抗压≥14000≥17500≥22400≥22500极限承载力/kN铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(04121万方数据・科技研究・进行桩端后压浆的试桩实测数据远大于设计值,说明在天津地区,对于采用后注浆的扩底桩桩侧阻力及桩端阻力有极大地提高,能够大幅提高整个灌注桩的单桩承载力,可完全满足施工要求。6结束语经过本工程实践,按此扩底桩施工工艺可以很好地完成天津地区扩底桩旋工并满足相关技术图纸及规范要求,可为类似工程施工提供借鉴。参考文献[2][3][4]李辉,李高山,赵鹏飞,等.基于不同持力层厚度的大直径人工挖孔扩底桩竖向承载性状研究[J]。铁道建—筑技术,2012(3):6871.杨植.采用AM型干取土全液压机施作扩底桩的技术—[J].铁道建筑技术,2006(6):5859.俞峰.钻孔灌注扩底桩的设计与应用[J].铁道建筑技—术,2001(4):2425.孔纲强,顾红伟,车平,等.桩侧截面形式对扩底桩竖———”-P一P+一+-+一+一+一+-+一+-+-+-+一+(上接第12页)5结论通过上述计算分析总结出以下结论:(1)在新建隧道的爆破施工中,邻近既有隧道迎爆侧衬砌的拱腰部位是振速峰值、最大位移变形、最大主应力的发生部位。(2)既有隧道衬砌拱顶部位是最小主应力出现的区域,由于混凝土材料抗拉强度较小,因此是裂缝容易发展的区域,应加强监测。(3)隧道爆破施工一次爆破开挖2rn时,隧道间距小于12in的情况下既有隧道衬砌振速峰值大于规范规定的安全允许标准,建议减小爆破面或掘进尺寸,或者更换较为稳妥的施工方法。[1][2][3]22参考文献王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J].隧—道建设,2010,30(4):351354.Nagano,Hideo,Ishii,eta1.Blastingvibrationcontrolinresidentialarea[J].ElectricpowerResfjarchInstitute(Report)EPRIEL,1979:267.—Nakano,Kenichiro,Okada,eta1.Vibrationandcracking铁道建筠技术向抗压特性影响分析[J].岩土力学,2017,38(2):361—367[5]岳大昌,李明,郑体,等.旋挖机械清渣在嵌岩扩底桩—中的应用[J].探矿工程,2014(8):5052.[6]张蕾,高广运.扩底桩深度效应及临界桩长分析[J].—地下空间与工程学报,2013,9(1):4854.[7]高盟,王滢,高广运,等.一种大直径扩底桩端阻力和侧—阻力的确定方法[J].岩土力学,2013,34(3):797801.[8]高广运,张蕾,滕延京,等.一种确定大直径扩底桩极限荷载的新方法[J].岩土工程学报,2010(S2):55—58.[9]高盟,高广远,顾宝和,等.一种确定大直径扩底桩的沉降计算实用方法[J].岩土工程学报,2012,34(8):—14481452.[10]文松霖.扩底桩桩端承载机制初探[J].岩土力学,—2011.32(7):19701974.[11]苏雄念,詹伟.泵吸反循环钻孔扩底桩施工技术[J].—建筑技术,2011,42(3):198203.[12]张蕾,高广运.大直径扩底桩尺寸效应的影响分析—[J].岩土工程学报,2011,33(S2):8387.”—”———-+一+一+一++一+一+*+一-卜-+-+一++一p一・+一-+一・P一+一+・oftunnelliningduetoadjacentblasting[J].ProceedingoftheJapanSocietyofCivilEngineers,1993(3):53.[4]刘慧.近距侧爆情况下马蹄形隧道动态响应特点的研究[J].爆炸与冲击,2000,20(2):175.[5]王明年,潘晓马,张成满,等.邻近隧道爆破震动响应研究[J].岩土力学,2004,25(3):412.[6]毕继红,钟建辉.邻近隧道爆破震动对既有隧道影响—的研究[J].工程爆破,2004,10(4):6973.[7]冯仲仁,文曦.新建隧道爆破震动对既有隧道影响的数值分析[J]。爆破,2008,25(4):20.[8]傅洪贤,赵勇,谢晋水,等.隧道爆破近区爆破振动测试研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(2):335.[9]王春梅.小间距隧道爆破对既有隧道振动影响分析[J].爆破,2013,30(2):84.[10]路亮,龙源,郭涛,等.爆破地震波作用下城市隧道结构动力响应的敏感性[J].爆炸与冲击,2014,34(6):701.[11]夏一鸣,郑明新,胡国平,等.救援通道施工爆破对已建高铁隧道的振动安全分析[J].铁道标准设计,—2016,60(3):97101.[12]高文超.水压光面爆破技术在松阳隧道大路下斜井施工中的应用[J].铁道建筑技术,2016(3):34.[13]蒋绪鹏.控制爆破技术在临近高速公路等复杂环境下的应用[J].铁道建筑技术,2015(8):110.RAtLWAYc0NSTRUCTtONTEcHNOLoGY2018(041万方数据
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