薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究.pdf

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薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究1 薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究2 薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究3 薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究4 薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究5 薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究6
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·路基工程·收稿日期:20160801基金项目:连盐铁路深厚海相软土路基地基加固技术现场试验研究⁃⁃(DL14100919)薄壁筒桩复合地基在铁路深厚软基加固中的试验研究时洪斌毛忠良(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)摘要针对大直径现浇混凝土薄壁筒(管)桩复合地基在连云港地区软土加固的适用性问题,首次在铁路正线进行了加固深厚软土的应用试验。筒桩试验段的试桩情况,反映出了现场面临试桩桩长不达标及混凝土灌注充盈系数过大两个严重问题。采用低应变、静载试验、桩芯土开挖和钻孔取芯等方法,对成桩质量进行了检测。同时检测过程中复核试桩地层条件和试桩成桩特点,发现桩机施工能力不足和工法不合理是产生问题的关键。通过桩机施工能力评价、设备改进和工法优化,满足了工程桩桩长和充盈系数的要求,并通过路基填筑过程中的孔压、沉降和位移监测验证了筒桩复合地基加固铁路软基的良好效果。结果表明:在科学严格的施工过程控制条件下,薄壁筒桩复合地基在铁路软基处理工程中具有很好的应用前景,丰富了深厚软土复合地基处理技术与工程实践。关键词薄壁筒桩复合地基软基加固试验研究中图分类号TU447;U21文献标识码A文章编号10094539(2016)11006105Experimental⁃StudyonCompositeFoundationReinforcedbyThinwalledTubularPileforDeepSoftGroundImprovementinRailwayShiHongbin,MaoZhongliang(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China)Abstract⁃⁃⁃⁃Inordertoidentifythesuitabilityofcompositefoundationreinforcedbycastinsituconcretelargediameterthinwalledtubularpile(CTPorPCCpile)forsoftgroundimprovementinLianyungang,CTPpileisfirstintroducedfordeepsoftgroundimprovementfieldstudyinrailwayregularline.⁃Theinadequatelengthoftestpilesandtheexcessivefillingcoefficientofconcretearerevealedbyfieldexperimentalstudy.⁃Lowstraindynamictesting,staticloadtest,pileinnerexcavationanddrillingcoremethodsareusedtodetectthequalityofpiles.Throughconfirminglocalgeologicalparametersandfeaturesoftestpilesbydrilling,thelowerpilingcapabilityandunreasonablepilingmethodarefoundtobethekeypointsofthequestion.Byevaluatingpilingcapability,modifyingequipmentandoptimizingpilingmethod,thestandardvalueofpilinglengthandfillingcoefficientarerealized.⁃Andinaccordingtoporepressure,settlementanddisplacementdetectingdataduringconstructingsubgrade,theCTPcompositefoundationisprovedtobeexcellentinpracticefordeepsoft⁃groundimprovementinrailway.⁃Asitturnsout,accordingtostrictscientificmanagementofpilingprocess,theCTPcompositefoundationillustratesagoodprospectofapplicationandextensionfordeepsoftgroundimprovementinrailway.Furthermore,treatmentprocessesandengineeringpracticefordeepsoftgroundcompositefoundationreinforcementhavebeenexpandedbyit.Keywords⁃thinwalledtubularpile;compositefoundation;softgroundimprovement;experimentalstudy1概述大直径现浇混凝土薄壁筒(管)桩(CTP桩或PCC桩)[1]是在沉管灌注桩的基础上加以改进发展而成的一种新桩型,也称薄壳沉管灌注桩[2]。该方法采取自动排土振动灌注而成桩,可采用环形预制桩尖或活瓣桩靴。依靠管腔上部锤头的激振力将环形双层密闭成孔器打入预定的设计深度,在环形16铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·空腔内灌注混凝土,之后振动拔管,从而形成沉管、灌注、振动提拔一次性直接成桩的工艺,保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。海洋二所谢庆道(1998)提出了现浇混凝土薄壁筒桩的一次成孔器的专利技术(采用预制混凝土桩尖)[3]。河海大学刘汉龙等(2003)提出了振动沉模大直径现浇薄壁管桩的施工及应用专利技术(采用活瓣桩靴)[4]。就目前沉桩能力及其性状而言,该桩型适用于饱和软土、一般黏土和粉土中。桩径一般采用800~1500mm,壁厚100~250mm,桩长可达35m至40m,混凝土强度等级为C20以上,中心充满地基土,筒状环型桩体全部采用素混凝土或钢筋混凝土一次灌注成型。目前已应用于海堤工程、公路工程、水利工程、铁路支线及站场[5-8]。时速200km以上铁路软土地基加固目前没有应用实例,值得对其适用性进行试验研究。2试验段概况连盐线筒桩试验段软土具有厚度深、含水量高、孔隙率高、压缩性大、强度低等特点。试验段工点位于滨海平原区,地势宽广平坦,开阔,地面标高4.6m左右。地基属第四系全新统冲积、海相沉积和第四系上更新统冲洪积黏性土、淤泥、粉土等地层(见图1)。试验段地层软土较厚,局部达到22m,淤泥质土含水量较高、天然孔隙比较大、锥头摩阻力较低,特别是第⁃⁃(3)51层淤泥层其平均天然含水量达到46.9%,天然空隙比达到1.29,锥头摩阻力达到0.49MPa,属典型的海相软土。试验段筒桩设计桩径1m,桩长22m,壁厚10cm,桩身混凝土设计强度C30,预制桩尖混凝土强度C50;如图2采取正方形3m和3.5m两种桩间距布置。3试桩情况3.1试桩目的(1)确定工艺参数,检验混凝土配合比等;(2)选择具有代表性的位置试桩,复核地质资料以及机械设备配置是否合理;(3)比较每根薄壁筒桩混凝土实际用量与设计用量,掌握混凝土充盈系数;图1试验段工程地质纵断面图图2筒桩试验段平面布置图(阴影部分为试桩)(4)按照设计要求(桩径、桩长、桩距)对试桩进行开挖外观检验、单桩承载力、高应变及低应变检测等,根据试验结果复核、修正施工参数。待试桩各项目经检测合格后,指导大面积施工。3.2试桩工艺筒桩施工设备基本组成包括:底盘(含卷扬机等)、支架、振动头、钢质内外套管空腔结构、预制桩靴、混凝土分流器、沉模造浆器和进料斗等。如图3所示,施工流程为:施工进场、现场装配、桩机就位、振动沉管、灌注混凝土、振动拔管、移机[9]。3.3试桩情况统计分析试验段进行了20根试桩的施工。试桩结果反映出目前筒桩在该工点地质情况下成桩的两个突出问题:一是沉桩深度只有18.6m,远小于22m的设计深度,表明桩机施工能力不足;二是混凝土灌注的充盈系数超出规范规定值35%,表明施工过程控制不科学,浪费较大。针对试桩问题,应进行机具和工法改进,以达到设计要求。26铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·图3筒桩施工流程3.4试桩成桩质量检测3.4.1低应变动力检测采用美国桩基动力学公司⁃PITW基桩检测仪,利用低应变-反射波法对1#和18#筒桩试桩进行单桩桩身完整性检测。图4为1#筒桩低应变检测结果波形图,波形清晰且未见明显的缺陷反射波,可以看出桩身完整,为Ⅰ类桩。图41#筒桩低应变波形图3.4.2单桩静载试验采用慢速维持荷载法,对桩头较为平整的20#桩进行了单桩静载试验。单桩承载力设计荷载为1266kN,极限荷载为2532kN。单桩静载试验结果表明:试验进行极限荷载分级加载,全部加载后总沉降为13.63mm,卸载后最终沉降为9.67mm,回弹值为3.96mm,回弹率为29.1%。单桩承载力满足设计要求[10]。3.4.3桩芯土开挖检测(取芯)与预制桩不同,现浇筒桩在施工过程中可能出现扩径、缩径、夹泥、混凝土离析及桩体强度不足等缺陷。由于筒桩具有内径大,桩芯为土易开挖等特点,可以为上述桩身质量检测提供内部直接观测通道。现场选取2根试桩进行了5m深桩芯土开挖,并采用肉眼观测法、小锤敲击法和桩壁钻孔法进行桩身内部直观检测。通过内部检测发现桩体内壁表面光滑,桩头壁厚均匀未见断桩、离析、扩径、缩径、夹泥等现象。3.4.4桩壁内外侧土层钻探检测目前试桩普遍灌注混凝土充盈系数偏大,对于超方混凝土的去向有三种猜测:第一种情况是超方混凝土在筒桩外壁外侧聚集;第二种情况是超方混凝土在筒桩内壁内侧聚集,挤占桩芯土位置;另外一种情况是筒桩外壁外侧和内壁内侧都有混凝土聚集。针对以上猜测,现场采用静探和钻探相结合的方式进行验证。具体做法为,在图5所示内外侧位置先进行静探,如静探数据与原地层数据相差不大,则认为无混凝土聚集;如果静探端阻和侧阻突然异常大幅增加且不符合相应深度地层特征值,则记录深度后停止静探,改用取芯钻探对异常位置取芯。图5桩壁内外侧土层钻探检测示意图选取具有代表性充盈系数的1#、3#和20#试桩进行钻探检测。钻探情况为:1#桩充盈系数最大为2.1,内侧底部有3.3m厚超方混凝土;3#桩充盈系数接近均值为1.67,内侧底部有2.3m厚超方混凝土;20#桩充盈系数最小为1.39,内侧底部无超方混凝土;1#、3#和20#试桩外侧均未见超方混凝土。由钻探结果基本可以得出:充盈系数大于均值1.62的试桩大部分桩芯底部都聚集超方混凝土,底部已变为实心桩。4桩机施工能力评价及工法优化试桩未达设计深度和混凝土灌注充盈系数过大是试桩过程反映出来的两个主要问题。虽然试桩成桩质量和承载力满足设计要求,但不排除正式施工时局部地层差异导致的同样桩长条件下,而承载力不满36铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·足要求的情况。所以应从施工能力和工法两方面进行优化,以满足设计深度和充盈系数的要求。4.1桩机施工能力评价4.1.1桩机施工能力现场资料试验段筒桩采用振动锤下沉或上拔钢套管进行施工。振动锤所能发挥的激振力和设备自重所能提供的反压力是沉管的动力来源;同样,依靠振动锤激振力和钢缆能提供的上拔力在拔管过程中提供动力。其中,激振力是沉管或拔管动力的主要来源。(1)振动锤桩机采用八达的DZ110KS型110kW中孔双电机振动锤。该锤标称110kW,实际达到120kW。该锤激振力775kN。其偏心块转速1000r/min,即激振频率为16.7Hz,属于中频(15~25Hz)振动锤。(2)沉管自重和反压能力沉管采用双层钢管,自重约13t。桩机自重约40t。用2块混凝土块作为配重,重量12t。反力施加采用4根钢丝绳下拉实现。(3)地层阻力根据响水试验段内8个静探孔的测试数据来估算侧阻和端阻。(4)振动锤施工能力据现场地层参数及桩机参数计算可得:在桩机能提供775kN的激振力、200kN自重和反压力的条件下,不加反压力时的极限沉管能力大致为18.3m,施加反压力后极限沉管能力大致为19.7m,很难满足22m的设计深度。建议提高桩机功率,或改进成孔器。4.1.2桩机施工能力改进措施为节省施工费用,缩短试桩周期,现场综合考虑,可以在不更换桩机的基础上,通过改进成孔器,增加润滑系统来提高桩机的施工能力,以达到22m设计深度。通过在成孔器底部内壁内侧增加水膜管,外壁外侧增加气膜管,以达到沉桩时降低土体与成孔器的摩擦系数,从而减小内外侧壁摩阻力,实现相同桩机功率条件下具有更深的穿透能力和更强的拔管能力。4.2施工工法优化现浇筒桩的混凝土灌注充盈系数过大,很大程度上是施工过程控制不合理造成的,主要影响因素包括:混凝土坍落度、振动拔管时机及速度、灌注方量及速度。试桩施工过程记录显示,施工过程中采用人工料斗灌注混凝土,灌注效率低导致拔桩过程中等待时间过长。在罐车供料及时的情况下,整个成桩过程大概1h左右,且停顿次数多达6次。拔管过程中振动锤的反复启停容易造成成孔器对桩周土的过分扰动,桩芯土上升较多,底部形成实心桩体,是造成充盈系数过大的直接原因。针对以上情况,对工法进行优化:将人工料斗更换为泵送;待单桩预估用量混凝土到场后再灌注拔管,只在罐车接序时短暂停拔以保持拔管的连续性;严格控制拔管前的混凝土预灌量,避免出现成孔器中混凝土脱空;拔管速度控制在1.2m/min左右;最后5m要一次成桩,不宜停拔[11];成桩后要及时清除出露桩芯土,避免倒伏压坏桩头。5工程桩成桩分析5.1成桩效果采用改进后的桩机及优化后的工法进行二次试桩:沉管时间15min左右,拔管时间20min左右,加上移机时间,单桩施工时间控制在40min左右,比改进前试桩1h左右的时间,效率得到了提高;沉桩深度22m,达到设计值;成桩后桩芯土出露控制在1.0m左右,桩头混凝土充盈密实,平均充盈系数为1.36,钻探未见桩芯混凝土聚集,成桩效果理想。5.2成桩质量二次试桩后进行正式工程桩施工,共施工226根。足龄期后截桩整平,由自检单位抽取76根进行低应变监测,抽取5根进行静载试验。低应变检测中Ⅰ类桩68根,占比Ⅱ89%;类桩8根,占比11%,无Ⅲ类及Ⅳ类桩,筒桩桩基础工程施工质量合格。静载试验成果显示,在极限荷载情况下最终沉降量都在12mm左右,满足单桩承载力设计要求。5.3加固效果试验段通过设置沉降板、剖面管、孔压计、磁环沉降管和测斜管,来监测路基填筑过程中路基基底沉降、孔压变化、分层沉降和深层水平位移,以直观验证筒桩加固效果。(1)由正方形3.0m桩间距布置筒桩的基底填筑过程沉降监测结果可得:目前填高1.5m,沉降随着填土高度的增加而增大,每次填筑都会有明显拐点;初期沉降都较小,桩间土的沉降速率要大于桩顶的沉降速率,路堤荷载在桩顶和桩间土间调整;46铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·沉降在填筑间歇期收敛较快;目前桩顶沉降最大7.7mm,桩间土沉降最大23.5mm。(2)目前路堤正进行填筑施工,不同深度孔隙水压力随路堤填筑高度的增加,路基内部的孔隙水压力逐渐增大,但填筑间歇期孔压逐渐消散,孔压变化幅值随深度的增加而减小,整体孔压变化较小。(3)分层沉降实测结果表明:最大沉降发生于基底磁环,沉降量随着埋设增加而减少;桩底处磁环沉降量和桩顶沉降量之间有着对应关系;填筑间歇期,各磁环沉降速率迅速减小,表现出明显的收敛趋势[12]。(4)图6为筒桩加固区深层水平位移观测结果,包括坡脚监测孔和最外侧筒桩桩芯土监测孔。坡脚监测孔位于路堤坡脚外1m处,最外侧筒桩桩芯土测孔穿过筒桩边桩的桩芯土达深部地层。由坡脚监测孔可以看出:加固区的最大水平位移较小(小于25mm),且水平位移曲线不存在突变点;在较快的填筑条件下,水平位移增量较小,说明筒桩较大的抗弯刚度可以较好地限制路基的侧向变形,路基比较稳定。由最外侧桩芯土监测孔可以看出:较小的水平位移(8mm接近仪器自身误差值)说明目前填高条件下,复合地基最外侧筒桩在水平方向基本没有变化,横向刚度大,成桩质量较好。图6筒桩深层土体水平位移曲线6结论通过连盐线筒桩试验段现场试验,针对试桩过程中出现的桩长不足和超方较大等问题进行了现场检测及分析研究,对桩机施工能力进行了评价,优化了筒桩施工工法,指导了正式工程桩的施工,筒桩软基加固取得了良好的效果。得到以下结论:(1)虽然筒桩适用于饱和软土、一般黏土和粉土中,但针对具体的工程地质条件要严格论证其适用性,然后通过试桩调整成桩机械参数和工序,优化施工工法。(2)增加桩机自重、提高振动锤激振力、施加反力可以从能量方面提高沉桩能力;增加气水膜管等造浆润滑装置可以减小沉桩过程侧摩阻力和端阻力,从而提高成孔器的穿透能力。(3)合理的施工接序、高效的供料投料设备、科学的停锤和拔管标准是混凝土灌注充盈系数保持在正常区间的保证。(4)通过现场埋设的孔压、沉降及位移等监测设备反馈的数据,可以验证筒桩复合地基的加固效果,具有抗弯能力强、路基稳定快、便于快速填筑等特点。(5)筒桩复合地基路堤填筑过程初期,桩间土沉降值及沉降速率明显大于桩顶,桩顶一定深度范围内会存在负摩阻力。通过褥垫层进行持续荷载调整,当填土达到一定高度时,桩头和桩间土的沉降速率趋于一致。(6)筒桩复合地基方案是一种全新的处理软土地基的方案,该方案可显著减小地基的沉降量,地基沉降收敛快、加固效果好。通过筒桩加固深厚层软土试验,取得了施工工艺、挤土效应、质量检测及效果评价等方面的成果,丰富了深厚软土复合地基处理技术与工程实践。参考文献[1]DB33/1044-2007大直径现浇混凝土薄壁筒桩技术规程[S].[2]张雁,刘金波.桩基手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2002:8-9.[3]谢庆道.现浇薄壁筒桩专利技术:中国,ZL01244439[P].2002-10-30.[4]刘汉龙,马晓辉,宫能和.现浇混凝土薄壁管桩机:中国,ZL02263293.X[P].2003-07-16.[5]刘汉龙,费康,马晓辉,等.振动沉模大直径现浇薄壁管桩技术及其应用Ⅰ():开发研制与设计[J].岩土力学,2003,24(2):164-168.[6]刘汉龙,郝小员,费康,等.振动沉模大直径现浇薄壁管桩技术及其应用Ⅱ():工程应用与试验[J].岩土力学,2003,24(3):372-375.[7]刘汉龙,高玉峰,丰土根.现浇混凝土薄壁管桩技术及其在市政道路软基加固中应用[C].全国岩土与工程学术会议大会论文集.北京:人民交通出版社,2003:1087-1092.(下转第85页)56铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·的金属板,用锚杆固定,可以保持在壁上铺一层持续的钢筋网,且保证封闭。如图11所示。图11柔性防护网特别是在破碎岩石区域使用,这个方法可以使岩体与边坡形成一个整体。这个方法表现出几个好处,不仅具有可以持续封闭边坡壁的特点,也可以与整体景观融合(现场可以进行绿化),坡面自然排水等。用这种类型的防护除了M3标段的砂质岩块,中标段还有Bibans区域的岩质边坡和其它砂质泥灰岩边坡。3.3.6抗滑桩在支挡结构中,抗滑桩是滑坡处治广泛采用的结构型式,但由于人力成本的差异和安全人性的考虑,尽管截面形状为矩形的人工挖孔抗滑桩具有良好的抗弯性能,阿尔及利亚东西高速公路项目上广泛采用钻孔灌注桩。如图12所示。图12钻孔灌注抗滑桩4结束语山区地形多变,地质条件复杂,自然山体在人工开挖后,其原有的平衡状态受到破坏,开挖后随着边坡应力的释放必会形成新的平衡状态。开挖后的边坡坡面反映的地质情况各不相同,造成山区边坡防护设计的复杂性和多变性,须针对每个边坡的实际情况“,对症下药”地给出相应的防护设计,既不“矫枉过正”,又能“防患于未然”,做到安全、合理、环保和美观才是设计的关键。参考文献[1]岳永利,丁小军,王佐,等.阿尔及利亚东西高速公路(中、西标段)泥灰岩分布及工程性能[J].公路,2008(9):80-84.[2]韩信.阿尔及利亚东西高速公路工程地质勘察研究[J].铁道工程学报,2012(1):11-16.[3]韩信.阿尔及利亚东西高速公路M3标段工程地质勘察研究[J].铁道标准设计,2012(8):27-31.[4]吴臻林,刘运平,李德林.泥灰岩边坡变形机理分析及处治对策[J].公路,2008(9):105-108.[5]李德林,吴臻林,拜亚楠.膨胀性泥灰岩边坡病害防治[J].公路,2008(9):123-126.[6]胡海蓝.阿尔及利亚175铁路项目深路堑边坡研究[J].铁道建筑技术,2016(1):13-16.[7]王佐,丁小军,王书状,等.法国公路勘察设计质量控制流程的特点[J].公路,2008(9):30-34.[8]李刚,孙忠宁,丁小军.泥灰岩挖方边坡设计研究[J].公路,2008(9):97-100.[9]杨铁山,周大全,怀超.重力罩面在渗水边坡滑塌治理中的应用[J].中外公路,2009(6):288-291.[10]丁小军,刘卫民,王佐,等.软质岩边坡倾倒变形机理及处治工程实例[M].北京:人民交通出版社,2010.[11]尚尔海.欧洲标准下锚杆拉拔试验方法[J].铁道建筑技术,2010(4):10-14.[12]怀超,刘卫民,尉学勇.阿尔及利亚东西高速公路土钉墙设计[J].西北大学学报:自然科学版,2011(6):223-226.(上接第65页)[8]周坤,叶春林.现浇薄壁筒桩在深厚层软基处理中的应用[J].铁道标准设计,2010(2):71-73.[9]刘汉龙.PCC桩复合地基技术:理论与应用[M].北京:科学出版社,2012:8-10.[10]连盐铁路深厚海相软土路基地基加固技术现场试验研究中期报告第二分册[R].北京:中铁第五勘察设计院集团有限公司,2014:47-48.[11]JGJ/T213-2010现浇混凝土大直径管桩复合地基技术规程[S].[12]刘汉龙,丁选明.现浇混凝土大直径管桩复合地基设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2013:78.58铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据
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