混凝土夯擴(kuò)樁在金水河倒虹吸地基處理中的應(yīng)用

康建榮,張 彬

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局,成都,610225)

1 工程概況

南水北調(diào)元氏Ⅱ段工程全長15.1829km,其中渠道長14.9724km,項(xiàng)目主要包括主渠道和各類交叉建筑物。各類交叉建筑物有大型河渠交叉建筑物1座,左岸排水倒虹吸6座,分水口門1座,渠渠交叉3座,共計(jì)11座。金水河排水倒虹吸為穿渠左岸排水建筑物,洞身段長88m,過水?dāng)嗝鏋殇摻罨炷料湫谓Y(jié)構(gòu),3孔,單孔過水?dāng)嗝娉叽鐬?.5m×3.5m一聯(lián)布置,洞頂在總干渠渠底以下埋深為1.564m。倒虹吸進(jìn)口斜管段和出口斜管段地基不滿足設(shè)計(jì)要求,需采用混凝土夯擴(kuò)樁進(jìn)行地基處理,以提高地基承載力。樁徑0.6m,正方形布置,樁間距1.6m,樁長3m～4.5m。

2 夯擴(kuò)樁的成樁原理及特點(diǎn)

2.1 夯擴(kuò)樁的成樁原理

夯擴(kuò)樁是充分發(fā)揮樁側(cè)摩阻力和樁端支承力的一種新樁型,以單樁承載力為主,同時(shí)起到擠密和加固地基土、提高樁端地基土強(qiáng)度的作用。有資料顯示,經(jīng)靜力觸探測試,樁側(cè)比貫入阻力提高5%～10%,擴(kuò)大頭比貫入阻力提高25%～35%。

夯擴(kuò)樁是在錘擊沉管樁的機(jī)械設(shè)備與施工方法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),采用夯擴(kuò)的方式將樁端現(xiàn)澆混凝土擴(kuò)大成大頭形的一種樁型,通過增大樁端截面和擠密地基土,使樁的承載力大幅提高。

錘擊沉管夯擴(kuò)樁成孔部分采用內(nèi)外雙管,外樁管為通心鋼管,內(nèi)樁管的下端封底,兩管套裝長度相等,一般無樁靴。用樁錘將其打到設(shè)計(jì)深度后拔出內(nèi)管,往外管內(nèi)灌入一定高度的擴(kuò)底混凝土,重新插入內(nèi)管并將外管向上拔一定高度,錘擊力經(jīng)內(nèi)外樁管直接傳給混凝土,通過樁管的擠撐作用,將管底的混凝土夯出管外,迫使擴(kuò)底混凝土向下部和四周地基土擠壓,形成擴(kuò)大頭(擴(kuò)大頭設(shè)計(jì)要求,采用一次或二次夯擴(kuò)),再澆灌樁身混凝土。

2.2 夯擴(kuò)樁的特點(diǎn)

夯擴(kuò)樁實(shí)質(zhì)上是一種側(cè)壁阻力與端承力共同承載的摩擦支承樁,通過增大樁端面積和擠密地基土使單樁承載力有了很大的提高。

夯擴(kuò)樁有如下突出優(yōu)點(diǎn):(1)對地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng),持力層選擇范圍廣,投資省。只要層位穩(wěn)定、有足夠厚度的稍密～密實(shí)的中砂～礫砂層、硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)的一般粘性土和網(wǎng)紋狀粘性土、可塑～硬塑狀態(tài)的砂質(zhì)或礫質(zhì)粘性土,均宜作為樁端持力層。只要樁底處于中等強(qiáng)度的土層,通過不斷地夯擴(kuò)擠密土層,就可以達(dá)到其他需要較長樁身樁型的同等承載,因而夯擴(kuò)樁的造價(jià)很低。實(shí)踐證明,除了距離地面很淺的巖石面或上部淤泥、松土層總厚度達(dá)到15m以上的地區(qū),其他地質(zhì)情況均可采用夯擴(kuò)樁;(2)地基土擠密程度高,樁端面積大,承載力高。通過一次或二次夯擴(kuò),使樁端下被夯實(shí)土層中一定范圍的土體極為密實(shí),縱向的實(shí)際承載力比較高,也有利于減小沉降;(3)在內(nèi)管底部放置干硬性混凝土作為薄型土塞,可有效起到止淤和短時(shí)止水的作用,保證混凝土的澆注質(zhì)量;(4)相對其它樁型,特別是錘擊沉管灌注樁,可省去樁靴或樁尖;(5)控制外管的提升距離,可以形成更為理想的擴(kuò)大頭形狀;(6)樁身混凝土借助于柴油錘力量和內(nèi)夯管的自重作用壓密成型,能避免或減少縮頸和斷樁等現(xiàn)象,設(shè)計(jì)樁徑能夠保證;(7)可視地層土質(zhì)條件,調(diào)節(jié)施工參數(shù)、樁長和擴(kuò)大頭直徑,以提高單樁承載力;(8)采用振動(dòng)拔管,可以增加樁身混凝土的密實(shí)度,改善成樁質(zhì)量;(9)夯擴(kuò)樁與僅依靠樁身摩擦力作為抗拔力的等截面樁型相比,抗拔力可以成倍提高,可廣泛應(yīng)用于獨(dú)立的地下室結(jié)構(gòu);(10)施工機(jī)械輕便,機(jī)動(dòng)靈活,適應(yīng)性強(qiáng);施工速度快、工期短、性價(jià)比高。

3 夯擴(kuò)樁的施工方法

3.1 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

本標(biāo)段金水河倒虹吸混凝土夯擴(kuò)樁樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20,樁徑60cm,正方形布置。夯擴(kuò)樁與基礎(chǔ)之間設(shè)置30cm厚的礫石褥墊層,相對密度不低于0.75,樁長3m～4.5m,地基允許承載力208.8kPa,單樁承載力450kN,復(fù)合地基承載力212kPa。樁位布置見圖1。

圖1 樁位布置(單位:cm)

3.2 施工機(jī)具

根據(jù)開挖斷面及地質(zhì)剖面圖顯示,建筑物地基為壤土層,具有微濕陷性,3m～4.5m以下主要為粗砂層和礫石層。因此,設(shè)計(jì)樁長只有3m～4.5m,樁頭深入粗砂層和礫石層即可。施工選用ZHY3500-22kW樁機(jī)進(jìn)行,護(hù)筒采用φ625mm無縫鋼管,長度6m,重錘質(zhì)量3.5t,并配有自動(dòng)脫鉤裝置。主要施工機(jī)械配置見表1。

表1 主要機(jī)械設(shè)備配置

3.3 夯擴(kuò)樁施工

夯擴(kuò)樁工藝流程:樁位放線——樁機(jī)就位——沉護(hù)筒——填料并夯實(shí)——測量貫入度——填干硬性混凝土夯實(shí)——灌注混凝土并振搗——成樁。

3.3.1 測量放線。根據(jù)樁位布置圖設(shè)置測量控制點(diǎn),按樁位圖測放樁位,樁位測放允許偏差應(yīng)小于30mm。

3.3.2 成孔及樁頭施工。樁位線放好后,機(jī)器調(diào)整至樁位上,向護(hù)筒內(nèi)倒入一定碎磚或卵石,以滿足封底止淤的要求,然后將重錘放入管內(nèi)提起6m,自由落下,將護(hù)筒沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高;在成孔過程中應(yīng)保持垂直,樁孔的垂直度偏差≤樁長的1%。之后再填適量碎磚進(jìn)行樁底夯擴(kuò)(使樁端形成一擴(kuò)大頭),直到最后三擊貫入度小于10cm為止;在護(hù)筒內(nèi)倒入0.3m3的干硬性混凝土夯實(shí)后,將重錘提出。

3.3.3 灌料成樁。向外管內(nèi)灌入高度為2m～4m的混凝土,內(nèi)夯管放入外管內(nèi)壓在混凝土上面,并將外管拔起一定高度,通過重錘錘擊內(nèi)夯管,夯出外管內(nèi)的混凝土,并繼續(xù)夯打管下混凝土直至外管底端深度略小于設(shè)計(jì)樁底深度。拔出內(nèi)夯管,在外管內(nèi)灌入樁身所需的混凝土,將內(nèi)管壓在外管內(nèi)混凝土面上,邊壓邊緩緩起拔外管;將雙管同步拔出地表,則成樁過程完畢。

拔外管時(shí),將內(nèi)夯管連同樁錘壓在超灌的混凝土面上,隨外管緩慢均勻上拔,內(nèi)夯管徐徐下壓,直至同步終止于施工要求的樁頂標(biāo)高處,然后將內(nèi)外管提出地面。拔外管的速度應(yīng)控制在2m/min～3m/min,樁頂混凝土灌注標(biāo)高應(yīng)超出設(shè)計(jì)標(biāo)高30cm。

4 夯擴(kuò)樁的質(zhì)量控制

4.1 施工過程質(zhì)量控制

施工時(shí)認(rèn)真校核樁位位置,采用隔行、隔排跳打,間隔時(shí)間為1周以上。施工中樁身保持垂直,以三擊貫入度控制夯擴(kuò)體的投料量不小于0.5 m3,且不大于1.8m3為宜。當(dāng)投料量大時(shí),應(yīng)調(diào)整樁長或改變施工參數(shù)。夯擊后地面隆起不得大于50mm,C20干硬性混凝土填料量約0.3m3。填料均以滿足最后三擊貫入度小于10cm作為控制標(biāo)準(zhǔn);樁身混凝土坍落度控制在8cm～10cm,并在拔管前、后用插入式振搗器將樁身上部4m以內(nèi)混凝土振搗密實(shí)。施工過程中現(xiàn)場質(zhì)檢人員全程旁站,做好施工記錄。記錄表見表2。

表2 夯擴(kuò)樁施工記錄

4.2 施工中常見問題的預(yù)防與處理

4.2.1 卡錘。由于落距過大、沖力過大、底部土層較軟等原因,致主機(jī)卷揚(yáng)機(jī)拔不出樁錘時(shí),可用樁機(jī)副卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)拔出樁錘。

4.2.2 拔不出護(hù)筒。當(dāng)成樁與拔筒時(shí)間間歇過長、拔筒困難時(shí),可采用2臺(tái)樁機(jī)合力拔出或吊車拔出,也可利用樁機(jī)上的主卷揚(yáng)機(jī)通過副卷揚(yáng)機(jī)滑輪組拔出護(hù)筒。

4.2.3 提護(hù)筒鋼筋籠跟著走。放置鋼筋籠時(shí),認(rèn)真檢查鋼筋是否有卡護(hù)筒問題,著重檢查鋼筋籠外徑、吊環(huán)及鋼筋籠的順直等情況,如發(fā)現(xiàn)鋼筋籠跟著走時(shí),應(yīng)停拔護(hù)筒,并用樁錘下壓鋼筋籠,使其復(fù)位,然后提護(hù)筒。

4.2.4 提護(hù)筒樁跟著走。如果提護(hù)筒時(shí),發(fā)現(xiàn)樁也跟著走,停拔護(hù)筒,用樁錘將樁體壓回原位,然后再提護(hù)筒,如果不見效,可采取復(fù)打法處理。

4.2.5 斷樁。應(yīng)采取措施防止斷樁,如果發(fā)現(xiàn)斷樁,可將斷樁段拔去,并將表面清理干凈后充分濕潤,增大樁身混凝土截面面積或加鋼筋聯(lián)結(jié)后,再重灌混凝土補(bǔ)做樁身。

4.2.6 樁位移。應(yīng)避免人為的操作失誤,對于樁位偏移超出允許值,一般采取加寬承臺(tái)、增設(shè)鋼筋的方法解決,具體由設(shè)計(jì)人員決定。

5 試驗(yàn)檢測

夯擴(kuò)樁施工完成后,間歇15d后挖出施工平臺(tái),進(jìn)行樁身檢測。本標(biāo)夯擴(kuò)樁檢測由國家承認(rèn)資質(zhì)的河北恒基建設(shè)質(zhì)量有限公司負(fù)責(zé),檢測共分為三項(xiàng)進(jìn)行。

5.1 采用單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)法檢測地基復(fù)合承載力

檢測設(shè)備選用地錨反力裝置系統(tǒng),加荷觀測系統(tǒng)選用油壓千斤頂、精密壓力表和大量程百分表。本次檢測采用1.44m2的承壓板、扣除樁間土其余荷載的等量法進(jìn)行,共分8級加載,每加載一級,每隔30min測讀一次沉降量。沉降量通過安裝在承壓板周圍50mm范圍內(nèi)的百分表測定,為1h內(nèi)沉降量小于0.1mm時(shí)則認(rèn)為達(dá)到相對穩(wěn)定,可進(jìn)行下一級加載。經(jīng)檢測,單樁復(fù)合地基載力達(dá)到212kPa,滿足設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)樁試驗(yàn)情況見表3。

表3 檢驗(yàn)樁試驗(yàn)情況匯總

5.2 采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)法檢測單樁豎向承載力

本次試驗(yàn)加荷采用油壓千斤頂?shù)攘糠旨壖雍?每級加荷量取最大加荷量的1/10,每級加荷后按5、15、30、45、60min測讀樁頂沉降量,以后每隔30min測讀一次。在每級加載后,當(dāng)1h內(nèi)承壓板沉降量小于0.1mm,并連續(xù)2次時(shí),方可加載下一級。經(jīng)檢測,單樁豎向承載力達(dá)到450kPa,滿足設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

5.3 采用低應(yīng)變法檢測樁身完整性

低應(yīng)變反射波法是在樁頂豎向激振,產(chǎn)生的彈性波沿樁身向下傳播,如樁身存在明顯波阻抗差異的界面(如斷樁,混凝土嚴(yán)重離析)或樁身截面積發(fā)生變化,將產(chǎn)生反射波,經(jīng)接收、放大、濾波和數(shù)據(jù)處理,可識(shí)別來自不同部位的反射信息。測度設(shè)備包括激振設(shè)備(手錘),磁電式速度傳感器,信號采集分析儀。經(jīng)過檢測,評價(jià)樁身完整。試驗(yàn)樁低應(yīng)變樁基完整性檢測見圖2(混凝土強(qiáng)度等級:C20;波速:2.45km/s)。

圖2 低應(yīng)變樁基完整性檢測成果

6 結(jié)語

綜上所述,根據(jù)本工程實(shí)際施工效果分析,混凝土夯擴(kuò)樁不論是施工工藝、施工方法、質(zhì)量控制和最終地基處理結(jié)果都取得了成功。在特殊地質(zhì)條件下,與其它樁型相比,其施工工藝簡單、施工機(jī)械單一,地基處理效果明顯,具有多項(xiàng)優(yōu)越性。因此,在建筑物地質(zhì)結(jié)構(gòu)中,基巖或砂礫料層埋藏較深,只要上部土層中有一定厚度的中等強(qiáng)度土層,均可優(yōu)先選用夯擴(kuò)樁,以獲得更好的施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

〔1〕建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范,GB5007-2002[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

〔2〕建筑地基處理技術(shù)規(guī)范,GJ79-2002[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

〔3〕建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范,GB50202-2002.北京:中國計(jì)劃出版社,2002.

〔4〕復(fù)合載體夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)規(guī)程,JGJ/T135-2001.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.