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砼芯砂石桩复合地基排水固结的理论与试验研究

2009-03-30 点击率：945

摘要：砼芯砂石桩复合地基处理桥头深厚软搪技术充分利了芯桩砂石壳的排水作用，使桩问土的　固结在施工和侦压期问大部完成，解决了路堤等建筑物在使用期间的沉降和不均匀沉降问题，特别适合于高含水量、高有机质含量地区对工后沉降有严格要求的深厚软基处理。关键词：砼芯砂石桩复合地基采用竖向排水体联合加载预压或复合地基处理高等级公路桥头段饱和软粘土地基，是当前较为通用的做法。但对于桥头段深厚软基处理，这两种方法都有各自的局限性，前者处理时问需要较长，后者受到各种限制有时效果并不理想，如果存在较厚的下卧层，工后沉降往往较大，不适用于桥头段这类对工后沉降和工后沉降差要求严格的工程。在深厚软基处理方法方面，迫切需要发展一种加固深度大(30m左右)、工后沉降小、质量易控、检测方便、能适应快速加荷、沉降稳定快、价格相对低廉的桥头段深厚软基处理新技术。砼芯砂石桩复合地基法是用于加固深厚软粘土地基的一种新方法，它是一项利用土工格栅加筋碎石垫层和砼芯砂石桩联合处理路堤软基的技术方案。 1 砼芯砂石桩复合地基技术砼芯砂石桩是由预制钢筋砼芯桩和外包芯桩的砂石壳形成的复合桩，和桩问土、褥垫层一起形成复合地基。砼芯砂石桩从控制工后沉降思想出发，针对深厚软基处理时采用低强度桩复合地基存在加固深度浅、工后沉降大和高强度桩复合地基存在工程投资较大等问题提出的，特别适合于高含水量、高有机质含量地区对工后沉降有严格要求的深厚软基处理。同时，它综合了排水固结法对软土本身加固效果显著和预制钢筋混凝土桩强度高、质量容易控制的优点，在深厚软土地区的公路、水利工程等建设领域有着巨大的潜在市场。它采用振动沉管方式成孔，孔中心设立预制钢筋混凝土桩即复合桩体的芯作为竖向增强体，四周灌砂或碎石屑形成桩的壳作为竖向排水体，成桩后控制桩体略低于地面，用人工稍加修整后在桩头上部形成比砼芯砂石桩断面稍大的圆锥形凹槽，灌人级配碎石压实，随后铺设砂垫层或碎石垫层及1～2层的土工格栅作为褥垫层。砼芯砂石桩、桩间土和褥垫层一起形成砼芯砂石桩复合地基。利用建筑物本身重量分级逐渐加载，并使建筑物荷载下的地基变形在堆载期间大部完成，以解决建筑物使用期间的沉降和不均匀沉降问题，把工后沉降和差异工后沉降控制在允许的范围内。为了加速压缩过程，常采用比建筑物荷载更大的超载进行预压(图1)。成复合地基的角度来看，砼芯砂石桩复合地基处理饱和粘性土地基3要有三个作用： (1)加筋作用：利用具有一定厚度、一定抗拉刚度、一定模量和抗挠曲刚度的柔性加筋碎石垫层作路堤的基底垫层，承受和传递路堤荷载，均化基底应力，合理分配于桩顶和桩问土，约束地基的侧向变形，防止桩体挠曲破坏，保证充分发挥桩的承载力，相应降低桩问土的荷载压力。 (2)置换作用：砼蕊砂石桩在软弱粘性土中成桩以后，就形成了具有一定桩径、桩长和桩间距的砼芯砂石桩，由密实的砼：芯砂石桩桩体取代了与桩体积相同的软弱土，因为砼芯砂石桩的强度和抗变形性能等均优于其周围的土，所以形成的复合地基的承载力就比原来天然地基的承载力大，沉降量比原天然地基小，从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏的能力。 (3)排水作用：水是影响粘性土性质的主要因素之一，粘性土地基性质的改善很大程度上取决于其含水量的减小。因此，在饱和粘性土地基中，芯桩砂石壳的排水通道作用是砼j卷砂石桩复合地基法处理饱和软弱粘性土地基的主要作用之一。芯桩砂石壳作为地基中的竖向排水体，缩短了排水距离，从而可以加速桩问土的固结速率、加速沉降发展、加速强度增长，有效提高桩问土的承载力，有效消除工后沉降，有效满足桥头路段承载力和消除工后沉降的要求。砼芯砂石桩复合地基施工结束后，再对其进行等载或超载预压，以提高地基强度和整体稳定性，并减少工后沉降。如不进行预压，砼芯砂石桩复合地基施工后的地基在荷载作用下仍有较大的沉降变形，对工后沉降要求较严格的建筑物地基难以满足要求。 2 设计计算砼芯砂石桩复合地基法的设计目前还处在半理论半经验状态，某些设计参数只能凭经验选定。桩位多采用等边三角形和正方形或矩形布置，前者主要用于大面积满堂加固，后者主要用于单独基础、条形基础等小面积加固，在加固范围外，一般设1～3排保护桩；芯桩砂石壳外直径一般为500～600mm；砼芯桩多为断面20cm×20cm的预制(20混凝土方桩；桩间距多取为芯桩砂石壳外直径的3～8倍；桩长应满足复合地基的工后沉降量不超过建筑物容许工后沉降量的要求，可通过复合地基的沉降和工后沉降计算确定；加筋碎石垫层厚度多为300～500mm。实际设计时，可根据工程实际情况假定桩长和桩间距及布桩形式，利用应力修正法试算加吲区桩问土的沉降量，利用分层总和法试算下卧层的沉降量，如果斌算后的沉降量和工后沉降量均满足设计和规范要求，然后验算地基承载力是否满足要求。桩长和桩问距的试算需重复几次，直剑试算后的沉降量和工后沉降量均与设计和规范的要求比较接近为止，以达到优化设计的目的。 3 施工工艺和工艺流程优秀的工程理念体现了工程创新，同时需要合适的施工设备和施工卫艺来帮助实现。当深厚软基内无厚的硬土层如砂层、卵石层时，多采用振动沉管法施工，桩尖可采用预制混凝土桩尖和活瓣桩尖，如有厚的硬土层，可采用长螺旋方式成孔。 3.1 施工流程施工进场一现场装配一桩机就位一沉管一吊、接桩一灌砂或碎石料一振动拔管一砂或碎石封顶一移机。砼芯砂石桩成桩施工顺序示意图见，图2。 3.2 施工工艺 (1)桩机进入现场，根据设计桩长、沉管人土深度确定机架高度和沉管长度，并进行设备组装； (2)桩机就位。桩机移至预打桩位处，沉管中心对准桩侮\|11心(如采用预制混凝土桩尖尚需预埋桩尖)，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1％； (3)沉管。启动马达，沉管到预定标高，停机，遇硬夹层时需启动马达振动加荷，直至穿透硬夹层； (4)吊桩。沉管到设计深度后利用卷扬机从塔架顶部将预制混凝土桩吊起并通过双振动锤中间的孔洲将第一根混凝土桩放人钢管中心位置固定好，随后徐徐放人孔内，待桩头露出孔口50～60cm时，用一根长约80cm的粗钢筋从桩体预留孔中插入横穿而出，搭于桩管牢靠的位置，将桩体悬空置于孔内，以便于接桩； (5)接桩。将第二根桩吊起，与第一根桩对中，桩与桩之问的连接采用预埋件螺栓连接方式，第二根桩与第一根桩连接好后启动卷扬机把接好的桩徐徐放入孔内并固定好，再进行第三根桩与第二根桩的连接工作； (6)投料、拔管。桩体全部放人孔内后固定桩身在孔位中心，从投料口灌入砂或碎石屑充实直至桩顶，启动马达留振5～10s，然后开始拔管(采用预制混凝土桩尖)或打开桩尖活瓣门(钢制活瓣桩尖)，边拔管边振动，在深厚软基中即可形成砼芯砂石桩。拔管速度应按匀速控制，拔管速率宜控制在1.2～1.5m·min^-1左右。重复上述步骤继续下一根桩的施工； (7)待全部砼芯砂石桩施工结束后，人工整平后铺设一层土工格栅和厚约50cm的砂或碎石作为褥垫层，先铺设下半层砂或碎石垫层，整平压实后铺没双向土工格栅，然后再铺设上半层砂或碎石垫层。 3.3 施工要点 (1)振动沉管施工中如遇硬夹层可启动马达振动加荷，直至穿透硬夹层； (2)吊、接桩时注意安全，要求桩身完整性好，试样检测强度达c₂₀，吊桩时桩体不能断裂，桩连接牢固； (3)砂或碎石屑的灌注应饱满，拔管前灌满至桩顶，留振5～10s后拔管，拔管后补灌至桩顶，也可采用分段灌注，分段留振的方法； (4)按设计要求布桩，对条形基础，桩位偏差不应大于0．25倍桩径，对满堂布桩基础，桩位偏差不应大于0．4倍桩径； (5)沉管与地面垂直度偏差不大于1％，拔管速率控制在1．2～1．5m·min^-1： (6)砂和碎石屑应具有良好的透水性和一定的强度，含泥量不得大于5％； (7)碎石垫层厚度应满足设计要求，碎石最大粒径不宜大于30mm； (8)双向土工格栅材料质量应符合国家标准，每延米横(纵)向拉伸屈服力≥30kN； (9)桩尖可采用预制混凝土桩尖和钢制活瓣桩尖，当采用预制混凝土桩尖时尚需提前预埋入地表以下30cm左右； (10)由于施工机具较高，雷雨季节应采取有效的防雷击、防风措施，在雷雨大风时应停止施工，断开设备电源，人员离开打桩施工现场。 4 试验段工程镇江至溧阳高速公路溧阳二标施工段全长2km，其中路基路段长度406.5m，桥梁长度1593.5m，地处长江流域，属(太)湖西水系，地貌单元属河流漫滩。K63+046～K63+087桥头段深厚软基长41 m，宽63m，面积2583m。，位于中河特大桥北段，路基宽度35m，路堤边坡坡率1：2，地下水位距地表1～2m，采用振动沉管法施工，根据钻探、静探及十字板剪切试验和土工试验，试验段地基土的物理力学性能指标见表1。采用砼芯砂石桩复合地基处理，桩径50cm(预制砼芯桩边长20cm×20cm，芯桩砂石壳外直径50cm)，桩长22m，分3段预制，正三角形布置，K63+046～K63+066段桩距2.1m，K63+066～K63+087段桩距1.9m。砼芯砂石桩施工完毕后铺设50cm厚的碎石垫层和一层土工格栅作为褥垫层。碎石垫层铺设完毕后地面高程约3.1m，路床顶面中心设计高程约为8.5m，预压土厚约2.6m，路堤填料最大干密度1.84g·m^-3。 5 结语砼芯砂石桩复合地基技术适用于软粘土、杂填土、泥炭土、淤泥质土、淤泥、冲填土、高有机质含量的粘性土地基处理，特别适用于对工后沉降和工后沉降差有严格要求的工程，如高速公路、市政道路的桥头段，机场跑道、联络道、滑行道的地基处理。砼芯砂石桩复合地基充分利用了芯桩砂石壳的排水作用，使得桩间土的沉降和固结在施工和预压期间大部完成，以达到控制工后沉降和充分发挥桩间软土承载力的目的。同时具有施工简单，质量易控，施工速度快，对深厚软土加固效果好的优点，对于高含水量、高有机质含量的深厚软基最为适用，它的成功应用必将为我国的公路建设、水利建设等地基处理领域提供方便实用、造价低廉、技术可靠的地基处理新技术。毛军喜尹建斌沙迎春唐彤芝陈玫平克磊。（1、港一航局南京分公司 2．南京水利科学研究院）

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