超大直径人工挖孔桩多导坑法施工及力学性能研究.pdf

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超大直径人工挖孔桩多导坑法施工及力学性能研究1 超大直径人工挖孔桩多导坑法施工及力学性能研究2 超大直径人工挖孔桩多导坑法施工及力学性能研究3 超大直径人工挖孔桩多导坑法施工及力学性能研究4 超大直径人工挖孔桩多导坑法施工及力学性能研究5
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·房建工程· 收稿日期:2016 03 19 基金项目:中铁建设集团有限公司科技研究开发计划项目(LX1111) 超大直径人工挖孔桩多导坑法施工及 力学性能研究 吕科验1 张剑涛2 张学臣1 阎海强1 (1.中铁建设集团有限公司 北京 100040;2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室 北京 100124) 摘 要 以广西南宁九洲国际项目直径4 m 的超大直径桩为工程背景,结合工程设计施工资料、数值模拟结果和 桩基检测报告,对超大直径人工挖孔桩采用多导坑法施工工艺的变形机理及超大直径桩的力学性能进行了研究。 研究结果表明:(1)超大直径人工挖孔桩采用多导坑法施工,变形量较小,可保证工程施工安全。(2)超大直径人 工挖孔桩采用多导坑法施工过程中,桩体护壁变截面处易发生应力集中,可能造成拉张破坏。(3)数值模拟静载试 验及间接检测结果表明,超大直径人工挖孔桩采用多导坑法施工可满足基桩承载力要求。 关键词 超大直径桩 人工挖孔 多导坑法施工 数值模拟 中图分类号 TU753.3 文献标识码 A 文章编号 1009 4539 (2016)06 0107 04 Research on the Construction of Super Large Diameter Manual Hole Digging Pile by Multi Heading Method and Its Mechanical Property Lv Keyan1 ,Zhang Jiantao2 ,Zhang Xuechen1 ,Yan Haiqiang1 (1.China Railway Construction Group Co.Ltd.,Beijing 100040,China;2.The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China) Abstract The super large diameter artificial dighole pile with a diameter of 4 m in the Jiuzhou international project of Nanning,Guangxi province was taken as the engineering background,based on the design and construction data,numerical simulation results and investigation report,the deformation rules and mechanical property of the super large diameter pile was studied.The results showed that firstly,the deformation of the super large diameter artificial dighole pile construction by multi heading method was small,which could ensure the safety of the engineering construction.Secondly,the pile retai ning wall would become stress concentration and be damaged at the transition section caused by multi heading construction method.Thirdly,the results of numerical simulation of the static load test and indirect test were indicated that the large di ameter pile construction by multi heading method could meet the bearing capacity of foundation piles. Key words super large diameter pile;manual hole digging;multi heading construction method;numerical simulation 1 引言 随着高层建筑物的不断涌现,基础所受荷载不断 增加,超大直径桩也不可避免地出现了。超大直径桩 施工的机械化程度较低,国内的设备能力和施工技术 水平尚无法承担[1]。目前,超大直径桩常用的成桩方 法为人工挖孔作业法,该方法成本较低、工期有保证、 质量比较好控制、可满足复杂地层环境的施工要 求[2 -8]。但超大直径桩施工危险性较高,施工工序复 杂,对于其施工过程中的变形机理尚缺乏研究。同 时,超大直径桩设计荷载较大,普通静载荷试验难以 实现,对其检测方法仍需进行深入地研究。 本文以广西南宁九洲国际项目直径4 m 的超大 直径桩为工程背景,对超大直径人工挖孔桩采用多 导坑法施工工艺的变形机理及超大直径桩的力学 性能进行了研究。 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(06) 107 ·房建工程· 2 工程概况 2.1 工程简介 广西南宁九洲国际项目位于南宁市东盟商务区中 新路,项目占地17.28 亩,规划建筑面积212 117 m2,框 架-核心筒结构,建筑高度316.8 m,地上71 层、地下6 层、裙楼6 层。工程±0.000 绝对高程102.600 m,基底 标高75.60 m。 该工程核心筒区域采用人工挖孔灌注桩基础 (ZH1 ~ZH4),人工挖孔灌注桩共计为36 根,桩身 混凝土强度为C40,桩径为2 600 ~4 000 mm,桩长 3.6 ~14.1 m 不等,最小桩身直径为2.6 m 扩底直 径4.2 m,最大桩身直径为4.0 m,扩底直径6.4 m, 最小承载力55 000 kN,最大承载力128 000 kN,各 桩型参数见表1。本文选取其中一根ZH4 桩为基础 进行研究,该桩桩长14 m,为本工程中施工难度最 高、施工工序最复杂的桩。 表1 人工挖孔桩 桩编号 桩身直径 d/mm 扩底直径 D/mm 桩数 /根 桩端持 力层 竖向承载力 特征值/kN ZH1 2 600 3 600 4 ZH2 3 000 4 200 16 ZH3 3 600 5 200 4 ZH4 4 000 5 600 12 中风化砂 岩②层 55 000 72 000 108 000 128 000 2.2 工程地质与水文地质条件 超大直径人工挖孔桩位于泥质粉砂岩①层和 中风化砂岩②层中,桩端持力层为中风化砂岩。依 据其工程地质特征,自上而下描述如下: (1)泥质粉砂岩①层 本层属第三系邕宁群上组湖相沉积层,紫红 色、紫灰色夹灰黑和灰褐等色,中风化,粉砂砂泥状 结构,薄~中厚层状构造,泥质胶结。以泥质粉砂 岩为主,局部地段夹含泥质较多的粉砂质泥岩或为 泥岩薄层。岩芯较完整,呈短柱、长柱状,采取率 50% ~70%。标准贯入试验19 次,实测平均锤击数 75.2 击。压缩系数平均值a1 -2 =0.09 ×1 MPa,岩 石单轴饱和抗压强度标准值frk =3.647 MPa。岩石 坚硬程度为极软岩,岩体程度较完整,岩体基本质 量等级为Ⅴ级,层厚为0.20 ~27.40 m。 (2)中风化砂岩②层 本层属第三系邕宁群上组湖相沉积层,半成岩 状态。紫红灰~灰白色,粒晶结构,中厚~厚层状 构造。主要成分为石英,断面粗糙。 图1 超大直径人工 挖孔桩施工工艺流程 2.3 超大直径人工挖 孔桩施工工艺 超大直径桩采用人 工挖孔工艺,整体施工流 程如图1 所示。挖孔桩 内护壁上厚200 mm,下 厚150 mm,混凝土强度 等级C40,其模板采用大 块定型模板,护壁模板 和支撑采用快速支拆挖 孔桩内模板的施工方 法。超大直径人工挖孔 桩施工布置如图2 所示。 超大直径人工挖孔 桩每个孔采取两组人同 时挖土,上配2 台移动 式卷扬机作为垂直运输 机械,每天按1 m 进深 图2 超大直径人工 挖孔桩施工布置 速度下挖,扩大头处按 每天0.5 m 速度下挖。 土方开挖采用先中间后 周边,扩底部分先挖桩 身圆桩体,再挖扩底尺 寸的施工方案。 (1)第一层导洞施 图3 多导坑法施工过程 工,施工顺序为 开挖1、支护1、开 挖2、支护2 …开 挖11,支护11,护 壁1 拆除,如图3 所示。 (2 )第二~ 十一层导洞施 工,每次开挖深 度1 m,开挖至变 截面处。 (3 )第十二 层导洞施工,施工顺序为开挖1、支护1、开挖2、支 护2…开挖11,支护11,护壁1 拆除,扩底部分施工。 (4)第十三~十七层导洞施工,每次开挖深度 0.5 m,开挖桩底。 108 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(06) ·房建工程· (5)混凝土浇筑,混凝土每次浇筑1 m,混凝土 浇筑共分14 个施工步骤。 3 有限元模型建立 3.1 模型网格划分与边界条件设置 应用MIADAS /GTS 软件进行有限元分析,计算 模型区域为50 m ×50 m ×40 m(长×宽×高),在有 限元网格划分时运用定义线性梯度(长度)的方法, 使得超大直径桩周围网格相对密集,网格宽度03 m, 边界处网格相对稀疏,网格宽度5 m,如图4 所示。 四周设置位移边界条件,模型上表面为自由面、左 右两侧约束其法向位移、底部约束其竖向位移。 图4 有限元模型网格划分 3.2 模型材料参数 建立地层—护壁—基桩共同作用三维数值模 拟模型。土体应用实体单元模拟,摩尔-库伦本构 模型;桩基、护壁应用实体单元模拟,弹性本构模 型。计算模型物理力学参数见表2。 表2 计算模型物理力学参数 模型 类别 本构 模型 厚度/ m 弹性模 量/MPa 泊松 比 重度/ (kN·m -3 ) 黏聚力/ (kN·m -2) 摩擦 角/(°) 泥质粉 砂岩① 摩尔- 库伦14.7 70 0.28 22 90 15 中风化 砂岩② 摩尔- 库伦85 0.26 23.0 100 20 基桩弹性30 000 0.2 25.0 护壁弹性25 000 0.2 25.0 3.3 接触界面设置 为考虑桩土之间接触部位对超大直径桩力学 性能的影响,在桩土之间设置接触单元。通过设置 桩-土模量比、接触面最终剪力、桩端承载力、桩端 弹簧刚度、切向模量、法向模量等参数,模拟桩土之 间的挤压和摩擦。在计算分析过程中,桩土之间可 以发生相互错动,但不能穿透对方。 4 超大直径人工挖孔桩多导坑法施工护壁 力学性能 4.1 桩体护壁位移分析 超大直径桩采用多导坑法施工完成后,桩体护壁 位移及桩顶护壁位移时程曲线如图5 所示。分析图5 可知:超大直径桩桩孔开挖完成后,桩体护壁在0 ~ 12 m埋深范围内呈下沉趋势,12 ~14 m 埋深范围内呈 上浮趋势;混凝土浇筑完成后,桩体护壁呈下沉趋势。 桩体护壁最大水平位移出现在超大直径桩变截面处, 变截面以上,随着桩体埋深的增加,桩体护壁水平位移 逐步增加;变截面以下,随着埋深的增加,桩体护壁水 平位移逐步减小,混凝土浇筑对桩体护壁水平位移基 本无影响。桩顶护壁竖向位移随着多导坑法施工的进 行呈现先上浮后下沉趋势,在多导坑法施工初期阶段, 受卸荷回弹影响,桩顶护壁竖向位移稍有上浮,随着开 挖深度的增加,桩顶护壁竖向位移逐步下沉,在混凝土 浇筑阶段,桩顶护壁下沉迅速增加,增加至最大值 3.4 mm。桩顶护壁水平位移随着多导坑法施工的进行 逐步增加,在混凝土浇筑阶段,桩顶护壁水平位移保持 稳定。基坑护壁水平位移及竖向位移较小,超大直径 桩采用多导坑法施工可有效保证工程安全。 图5 桩体护壁位移曲线 4.2 桩体护壁应力分析 多导坑法施工完成后,桩体护壁主应力分布云图 如图6 所示。分析图6 可知,桩体护壁最大主应力以 拉应力为主,最大拉应力出现在桩体变截面处,为 144 MPa。桩体护壁最小主应力以压应力为主,最大 压应力出现在桩体变截面处,为0.95 MPa。主应力 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(06) 109 ·房建工程· 均小于C40 混凝土抗压(抗拉)强度设计值,在人工 挖孔桩多导坑法施工过程中,可保证施工安全,但 对桩体护壁变截面处的较大应力需加以重视。 图6 桩体护壁主应力分布云图 5 超大直径桩单桩承载力确定 5.1 超大直径桩单桩承载力确定方法综述 传统的静载试验一直被公认为是确定单桩承 载力最可靠的方法,但超大直径桩承载力要求较 高,传统的堆载法和锚桩法难以满足要求,且存在 费时、费力、成本较高等特点。目前对于超大直径 桩单桩承载力检测常用的方法还有自平衡法[9 -12]、 室内模型试验[13]和数值模拟法[14 -15]。 5.2 本工程单桩承载力确定方法 本工程单桩承载力通过桩端持力层基岩载荷 试验和桩身完整性检测共同确定,即基岩平板载荷 试验所得桩端阻特征值及低应变法、钻芯法和声波 透射法所得桩身完整性同时满足要求,则认为单桩 承载力满足设计要求。 本次岩基载荷试验按中风化砂岩②层桩端阻特征 值qpa =6 000 kPa 预计。压板面积为0.07 m2,试验加 载值预计为6 000 ×3 ×0.07 =1 260 kN(3 为安全系 数)。分10 级加载,第一级荷载值为预估设计荷载的 1 /5,以后每级为1 /10,共计1 386 kN。试验结果显示, 当最后一级加载完成以后,压板的下沉量为17.6 mm, 中风化砂岩②层桩端阻特征值能够达到6 000 kPa。 桩身完整性通过低应变法、钻芯法和声波透射法 共同确定。低应变法检测了36 根超大直径桩,其中 35 根判为Ⅰ类桩,桩身完整;1 根桩桩身局部有轻微缺 陷,为基本完整,判别为Ⅱ类桩,不影响桩的正常使用。 声波透射检测了6 根工程桩,均为Ⅰ类桩,各检测剖面 的声学参数均无异常,无声速低于底限值。钻芯法检 测了2 根工程桩,桩身完整性为Ⅰ类桩,各桩钻芯桩长 与设计桩长基本一致,桩底无沉渣,桩端持力层为砂 岩层,满足设计和规范要求。 综合分析基岩载荷试验及桩身完整性检测结果 可得,超大直径人工挖孔桩采用多导坑法施工,可满 足单桩承载力要求。 5.3 单桩承载力静载试验数值模拟 本文应用数值模拟确定单桩承载力,基岩载荷按 中风化砂岩②层桩端阻特征值128 000 kN 确定。试 验加载值预计为128 000 ×2.2 =281 600 kN(2.2 为 安全系数)。分10 级加载,第一级荷载值为桩端阻特 征值的1 /5,以后每级为1 /10,共计281 600 kN。 超大直径桩静荷载试验数值模拟结果如图7a 所示。随着静荷载的增加,桩顶竖向位移逐步增 加,加载值为281 600 kN 时,桩体竖向位移分布云 图如图7b 所示,桩体竖向位移呈下降趋势,桩顶竖 向位移为13.65 mm,桩底竖向位移为12.96 mm。 数值模拟结果与本工程检测所得结果基本相同,二 者相互验证,可为超大直径桩的检测提供参考。 图7 静载荷试验数值模拟结果 6 结束语 本文结合广西南宁九洲国际工程设计施工资料、 数值模拟结果及桩基检测报告,对超大直径桩多导坑 法施工工艺进行了介绍,并对超大直径人工挖孔桩施 工过程及力学性能进行了研究,主要结论如下: (1)超大直径人工挖孔桩采用多导坑法施工,水平 及竖向位移均小于变形允许值,可保证工程施工安全。 (2)超大直径人工挖孔桩采用多导坑法施工 时,对于护壁变截面处的应力集中应给予高度重 视,避免在变截面处发生拉张破坏。护壁混凝土的 强度应与主应力的大小相匹配。 (3)静荷载数值模拟结果表明超大直径桩采用 多导坑法施工,能够满足基桩承载力要求。 (下转第123 页) 110 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(06) ·其 他· 第一,各蒸养间独立分隔,每个蒸养间温控互不 干扰,可独立完成4 个完整的蒸养阶段,使升/降温曲 线符合温控要求,有效减少了由于升/降温速率过快 而导致表面裂纹的产生,保证了产品质量[11]。 第二,施工工艺简单,对蒸养间出入模设备要 求低,普通龙门吊、运模小车及卷扬机即可,大大节 约了建场成本,并保证了施工中安全问题。 第三,利用热蒸汽、通风机、喷淋水作调温介 质,调温更灵敏,温控更标准[12]。 第四,由于每个蒸养间是小型独立的,在轨枕 脱模及入窑环节可互不干扰,工序施工更为紧凑。 6 结束语 总上所述可知创新后的全地上窑式蒸车间,有 效弥补了现有蒸养车间的各种缺陷,既保证了轨枕 在蒸汽养护期间的质量,又大大降低了建场成本; 在实际操作过程中方便安全,工序施工更为紧凑, 为轨枕预制的顺利施工提供了有力保障。 参考文献 [1] 李敏霞,李秀辉,郝长生.双块式轨枕坑式与通道式 蒸养能耗研究[J].工业安全与环保,2013,39(6): 82 -83. 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一夕落阳
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