卜發(fā)東,宋義仲,李建明,程海濤
(山東省建筑科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南250031)
水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基技術(shù)及應(yīng)用
卜發(fā)東,宋義仲,李建明,程海濤
(山東省建筑科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南250031)
水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基是一種新的地基形式,其兼具水泥土樁與預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的優(yōu)點(diǎn),有利于實(shí)現(xiàn)其與地基土的變形耦合,達(dá)到共同承擔(dān)上部荷載的目的。文章結(jié)合山東聊城金柱大學(xué)城A區(qū)工程實(shí)例,提出了水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基的施工技術(shù);并通過(guò)樁身質(zhì)量與樁位偏差、靜荷載試驗(yàn),對(duì)水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基的應(yīng)用進(jìn)行研究。結(jié)果表明:采用的施工機(jī)械具有施工速度快、水泥土樁攪拌均勻、鉆頭故障率低等優(yōu)點(diǎn),滿足加固深度范圍內(nèi)土體攪拌次數(shù)要求,其施工工藝能夠較好的指導(dǎo)施工;水泥土芯樣立方體抗壓強(qiáng)度大于3.5 MPa,樁位偏差小于110 mm,滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求;復(fù)合地基承載力特征值為330 kPa,單樁承載力特征值為1050 kN,滿足設(shè)計(jì)要求;水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基比原樁基礎(chǔ)節(jié)約資金11.1%~12.7%。
水泥土復(fù)合管樁;復(fù)合地基;工程應(yīng)用;施工技術(shù)
在軟弱地基處理中,樁基的應(yīng)用常常是首選方案之一,而在樁土共同作用的研究中,考慮樁土共同承擔(dān)外荷作用的復(fù)合地基是一種較好的地基處理方法。20世紀(jì)30年代復(fù)合地基技術(shù)起源于歐洲。目前,不少地基處理方法是通過(guò)形成復(fù)合地基以達(dá)到提高地基承載力、減少沉降的目的。王國(guó)體等[1]對(duì)軟弱地基處理所應(yīng)用的復(fù)合地基理論,結(jié)合工程應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)公式的推導(dǎo),給出了復(fù)合地基承載力計(jì)算的修正公式。葉書麟等詳細(xì)介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外地基處理的新技術(shù),如砂墊層、素土墊層、粉煤灰墊層、礦渣墊層、聚苯乙烯板塊(EPS)、強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法、碎石樁法、灰土擠密樁法和土擠密樁法、堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、灌漿法、高壓噴射注漿法、水泥土攪拌法、土工合成材料、托換技術(shù)[2]。雷華陽(yáng)簡(jiǎn)要介紹了復(fù)合地基技術(shù)研究概況,對(duì)復(fù)合地基的發(fā)展趨勢(shì)提出了幾點(diǎn)看法[3]。鄭剛等研究了水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力的判定標(biāo)準(zhǔn),給出了復(fù)合地基工作機(jī)理及承載力判定標(biāo)準(zhǔn)建議[4]。任振甲總結(jié)了雙灰樁在處理軟弱地基中的經(jīng)驗(yàn),并進(jìn)一步提出了改進(jìn)意見(jiàn)[5]。谷美生等對(duì)振沖碎石樁的加固機(jī)理、設(shè)計(jì)、計(jì)算及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題作了介紹[6]。隨著地基處理技術(shù)的不斷發(fā)展和在土木工程建設(shè)中應(yīng)用的推廣,復(fù)合地基技術(shù)也在不斷的發(fā)展,它的推廣使用產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的主要有:砂樁復(fù)合地基、碎石樁復(fù)合地基、石灰樁復(fù)合地基、水泥土樁復(fù)合地基、低強(qiáng)度樁復(fù)合地基等,復(fù)合地基呈現(xiàn)多樣式發(fā)展。
水泥土復(fù)合管樁是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),其由外圍高壓噴射攪拌的水泥土樁與同心植入的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁通過(guò)尺寸、材料強(qiáng)度優(yōu)化匹配復(fù)合而成[7]。水泥土復(fù)合管樁具有預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁樁身材料強(qiáng)度高與水泥土樁樁側(cè)阻力大的優(yōu)勢(shì)[8],它既能夠有效的提高地基土的承載力,減小沉降,又能夠充分發(fā)揮材料本身的強(qiáng)度,是一種經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方法[9-13]。由水泥土復(fù)合管樁組成的復(fù)合地基(水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基)是一種新的地基形式,能夠通過(guò)調(diào)整水泥的摻入量、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的型號(hào)、尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)與地基土的變形耦合,達(dá)到共同承擔(dān)上部荷載的目的,具有廣闊的應(yīng)用前景。但國(guó)內(nèi)尚無(wú)關(guān)于水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基工程應(yīng)用的研究,制約了其技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展。文章結(jié)合山東聊城金柱大學(xué)城A區(qū)工程實(shí)例,提出了水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基的施工技術(shù),并對(duì)水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基的應(yīng)用效果和可靠性進(jìn)行分析和驗(yàn)證。
山東聊城金柱大學(xué)城A區(qū)工程21#、23#高層住宅樓均為主體地上十九層,設(shè)兩層地下室,剪力墻結(jié)構(gòu),±0.000相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高32.200 m,基底相對(duì)標(biāo)高-6.700 m?,F(xiàn)場(chǎng)地面絕對(duì)標(biāo)高約31.700 m。各棟樓筏板平面尺寸、樁頂以上空孔深度見(jiàn)表1。
表1 建筑物筏板平面尺寸
建設(shè)場(chǎng)地所處地貌類型為魯西黃河沖積平原,土層形成的地質(zhì)年代為第四系,物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。地下水類型為第四系孔隙潛水,埋深4.00 m,擬建建筑物周邊無(wú)影響樁基施工的地下管線。自然地面相對(duì)標(biāo)高約-0.500 m,地基土自上而下分為8層,如圖1所示。
表2 各層土物理力學(xué)指標(biāo)
圖1 地層剖面圖/m
工程原設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁—筏板基礎(chǔ),但該樁型單位承載力造價(jià)高,而水泥土復(fù)合管樁兼具高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土樁的優(yōu)點(diǎn),具有造價(jià)低、承載力高等特點(diǎn),因此將原設(shè)計(jì)方案改為水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基,水泥土復(fù)合管樁所處地層如圖1所示。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算,設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),采用的水泥土復(fù)合管樁構(gòu)造如圖2所示。
表3 水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)
圖2 水泥土復(fù)合管樁結(jié)構(gòu)圖/mm
根據(jù)設(shè)計(jì)文件,水泥土復(fù)合管樁施工時(shí)應(yīng)滿足如下要求:
(1)施工作業(yè)面高于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5 m以上,外圍水泥土樁施工至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上0.5 m;
(2)樁位放線偏差不得大于10 mm;
(3)采取跳打措施增加相鄰樁施工時(shí)間間隔,間隔時(shí)間不宜少于1 d;
(4)拌制水泥漿在2 h內(nèi)用完,因故停漿時(shí),應(yīng)在恢復(fù)供漿后把噴頭下沉或上提至停漿點(diǎn)以下或以上0.5 m處再次噴漿提升或下沉;
(5)管樁在外圍水泥土樁施工完成后2 h內(nèi)壓入。水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基置換率為8.7%,則有91.3%的基底面積的樁間土承擔(dān)了絕大部分水平荷載而樁承擔(dān)的水平荷載則占很小一部分,且基礎(chǔ)下樁間土的面積與使用的樁間土承載力之積是一個(gè)可觀的數(shù)值,這樣樁的數(shù)量可大大減少[14]。因此,21#、23#樓布樁分別由高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁—筏板基礎(chǔ)的244、231根樁減少至水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基的169、166根樁,具體布樁如圖3所示。
3.1 施工設(shè)備
水泥土樁施工機(jī)械采用履帶式樁架,與立柱平行設(shè)置的鉆桿頂端設(shè)置高壓旋噴水龍頭、動(dòng)力頭,鉆桿底端設(shè)置攪拌翅、水平向噴嘴、鉆頭,鉆桿通過(guò)高壓旋噴水龍頭與注漿設(shè)備連接;管樁施工機(jī)械可采用靜力壓樁機(jī),管樁施工前需要進(jìn)行二次定位,以確保水泥土樁和管樁同心。樁機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備的型 號(hào)與用途見(jiàn)表4。
圖3 復(fù)合地基樁位分布圖
表4 施工設(shè)備
工程所采用的水泥土樁施工機(jī)械和管樁施工機(jī)械,如圖4所示。首先由水泥土樁施工機(jī)械按照設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)完成高噴攪拌水泥土樁的施工,然后由靜力壓樁機(jī)按照靜壓管樁的施工步驟完成管樁在水泥土樁中的同心植入施工。
為了確保成樁直徑,使土體切削攪拌更加均勻,在鉆桿上設(shè)置了外徑為700 mm的斷續(xù)螺旋片式攪拌翅,水泥土樁機(jī)鉆桿底端設(shè)置了帶6片攪拌翅并具有噴射功能的特制鉆頭,在鉆頭上安裝4個(gè)直徑為2.4 mm的噴嘴,水泥土樁機(jī)主要性能指標(biāo)見(jiàn)表5。
圖4 水泥土復(fù)合管樁施工機(jī)械圖
表5 水泥土樁機(jī)性能指標(biāo)
按照設(shè)計(jì)水灰比制備水泥漿,水泥漿應(yīng)攪拌2 min以上,并在2 h內(nèi)用完,采用20目以上濾網(wǎng)進(jìn)行三級(jí)過(guò)濾,防止未攪勻的水泥粗顆粒堵塞噴嘴,如圖5所示。如發(fā)現(xiàn)泥漿泵壓力跳動(dòng)較大等異常現(xiàn)象,宜停止施工,查找原因,排除故障后再進(jìn)行水泥土樁施工。
圖5 水泥漿三級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)圖
3.2 施工參數(shù)
采用上述設(shè)備施工時(shí),施工參數(shù)見(jiàn)表6。
制樁質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到地基處理的效果。水泥土樁施工應(yīng)確保加固深度范圍內(nèi)土體的任何一點(diǎn)均能經(jīng)過(guò)20次以上的攪拌,并且施工中應(yīng)嚴(yán)格控制噴漿提升速度。按照J(rèn)GJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[15]分別對(duì)每遍攪拌次數(shù)和噴漿提升速度驗(yàn)算,由式(1)表示為
式中:N為每遍攪拌次數(shù);h為攪拌葉片的寬度,m;β為攪拌葉片與攪拌軸的垂直夾角,°;∑Z為攪拌葉片的總枚數(shù);n為攪拌頭的回轉(zhuǎn)數(shù),rev/min;V為攪拌頭的提升速度,m/min。
計(jì)算結(jié)果N>20,滿足加固深度范圍內(nèi)土體攪拌次數(shù)要求,因此采用上述參數(shù)進(jìn)行施工是合理的。
表6 施工參數(shù)
3.3 施工工藝
工程使用的水泥土樁施工機(jī)械具有施工速度快、鉆頭故障率低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)該型機(jī)械的特點(diǎn)形成了適用于其施工的工藝,具體施工工藝如圖6所示。在水泥土初凝前沉管樁,送樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高,施工工藝如圖7所示。
各工藝流程工作內(nèi)容及控制要點(diǎn)如下:
(1)水泥土樁施工機(jī)具就位、調(diào)平
檢查注漿泵、空氣壓縮機(jī)、水泥漿攪拌桶、儲(chǔ)漿桶、高壓旋噴水龍頭、噴嘴等機(jī)具的性能指標(biāo)是否符合施工要求,檢查輸氣管、輸漿管連接是否嚴(yán)密,將樁機(jī)移至樁位并對(duì)中、調(diào)平。水泥土樁機(jī)就位時(shí),必須再次復(fù)核樁位;調(diào)平時(shí)可采用機(jī)械自帶水準(zhǔn)泡、線墜等。由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員檢查確認(rèn)無(wú)誤后方可開(kāi)機(jī)作業(yè)。
圖6 水泥土樁施工工藝圖
圖7 管樁施工工藝圖
(2)制備水泥漿
啟動(dòng)水泥漿攪拌桶,制備水泥漿。現(xiàn)場(chǎng)所用的水泥品種、強(qiáng)度等級(jí)、水灰比、外摻劑的種類及摻量應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求,不得使用過(guò)期的和受潮結(jié)塊的水泥。水泥漿應(yīng)經(jīng)過(guò)三級(jí)過(guò)濾后方可使用,每根樁測(cè)試水泥漿比重不少于3次。
(3)高噴攪拌鉆進(jìn)下沉
啟動(dòng)注漿泵、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)漿桶、樁機(jī)等施工機(jī)具設(shè)備,漿液壓力、氣壓等施工參數(shù)應(yīng)符合高噴攪拌的鉆進(jìn)下沉施工要求,噴射鉆具開(kāi)始自鉆式下沉至設(shè)計(jì)深度。
鉆進(jìn)下沉前,必須人工開(kāi)挖或用鋼筋觸探,確保樁位處無(wú)妨礙鉆進(jìn)的大塊石頭或建筑垃圾;鉆進(jìn)下沉前,必須試噴水,看噴嘴是否正常。
(4)高噴攪拌提升
噴射鉆具在設(shè)計(jì)深度處噴漿攪拌30 s后方可開(kāi)始提升,提升過(guò)程中鉆桿提升速度、鉆桿旋轉(zhuǎn)速度、漿液壓力、氣壓等施工參數(shù)應(yīng)符合高噴攪拌的提升施工要求,并始終保持送漿連續(xù),中途不得間斷。提升時(shí),經(jīng)常檢查提速,并做好記錄。
(5)復(fù)攪復(fù)噴
重復(fù)前述作業(yè),對(duì)需復(fù)攪復(fù)噴段進(jìn)行高壓噴射攪拌的下沉與提升。一般情況下,樁頂和管樁底端附近水泥土應(yīng)復(fù)攪復(fù)噴。
(6)關(guān)閉高噴攪拌設(shè)備
關(guān)閉注漿泵、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備。
(7)移走水泥土樁施工機(jī)具,采用全站儀二次定位,管樁施工機(jī)具就位、管樁定位調(diào)直。
(8)水泥土初凝前沉樁、接樁、送樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。
植樁時(shí)允許少量水泥土擠出;應(yīng)采取措施保證垂直度。
(9)移位,進(jìn)行下一根樁施工。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,采用上述工藝施工時(shí),水泥土樁平均施工效率為0.75 h/根,返土約1 m3,返土量為鉆孔體積的15.3%,返土較干燥,無(wú)泥漿污染,采用該施工工藝施工水泥土樁是合理的。
3.4 技術(shù)難點(diǎn)及處理措施
水泥土樁機(jī)在施工中遇到的問(wèn)題主要有如下幾個(gè)方面,針對(duì)問(wèn)題特點(diǎn),結(jié)合工程實(shí)際,提出了相應(yīng)的處理措施。
(1)螺旋片夾泥
處理措施:當(dāng)開(kāi)始一根水泥土樁的施工時(shí),隨著鉆進(jìn)深度的增加,采用人工的方式及時(shí)清理螺旋片上的水泥土,可以每天清理一次,這樣水泥土在螺旋片上就不會(huì)累加。
(2)遇有較硬地層時(shí),水泥土樁與管樁不同心
處理措施:遇到較硬地層時(shí),可以多鉆進(jìn)幾遍,經(jīng)過(guò)鉆頭的多次切割,可以將鉆桿調(diào)直,保障水泥土樁的垂直度,確保水泥土樁與管樁同心。
(3)鉆頭磨損
處理措施:鉆頭磨損2~3 cm后,在當(dāng)天施工任務(wù)完成后及時(shí)在鉆頭上補(bǔ)焊耐磨金屬。
4.1 樁身質(zhì)量與樁位偏差分析
采用軟取芯法檢驗(yàn)水泥土強(qiáng)度,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度均大于3.5 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。
基坑開(kāi)挖后觀察樁位橫成排、豎成列,無(wú)明顯凸出于筏板外側(cè)的樁,如圖8所示。測(cè)量樁位偏差小于110 mm,樁徑大于700 mm,樁位的施工偏差小于樁徑的±40%,滿足JGJ 79—2012[15]的要求。
圖8 樁位分布圖
4.2 靜載試驗(yàn)
每棟樓選取3點(diǎn)做單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn),選取1點(diǎn)做復(fù)合地基增強(qiáng)體單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)。單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)時(shí),選用方形承壓板,承壓板邊長(zhǎng)為2.1 m,在承壓板底面以下鋪設(shè)中砂墊層,墊層厚度為100 mm。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)曲線是緩變性曲線,如圖9所示。單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線,如圖10所示。
圖9 單樁靜載荷試驗(yàn)曲線圖
根據(jù)JGJ 79—2012[15],當(dāng)s/b=0.008,即沉降量為16.0 mm時(shí),對(duì) 應(yīng) 的 荷載 值 為487.7~660 kPa,且按相對(duì)變形值確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的一半,因此復(fù)合地基承載力特征值為330 kPa。
根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[16],樁頂總沉降量s<40 mm,因此取最大加載量的一半為單樁承載力特征值,即單樁承載力特征值為1050 kN,滿足設(shè)計(jì)要求。
靜載試驗(yàn)完成后,由圖9和10得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。
圖10 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線圖
表7 靜載試驗(yàn)結(jié)果
由表7可知,復(fù)合地基承載力特征值為330 kPa,單樁承載力特征值為1050 kN,滿足水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表3)。
4.3 經(jīng)濟(jì)分析
為了比較水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基與原設(shè)計(jì)方案在工程中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),將原設(shè)計(jì)方案造價(jià)與復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案造價(jià)對(duì)比(筏板厚度未發(fā)生變化,不參與比較),見(jiàn)表8。
由表8可知,水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基比原設(shè)計(jì)方案節(jié)約資金11.1%~12.7%,經(jīng)濟(jì)上具有明顯優(yōu)勢(shì),更加合理。
表8 復(fù)合地基與樁基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比
通過(guò)上述研究表明:
(1)水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基施工機(jī)械具有施工速度快、水泥土樁攪拌均勻、鉆頭故障率低等優(yōu)點(diǎn),滿足加固深度范圍內(nèi)土體攪拌次數(shù)要求。根據(jù)該型機(jī)械特點(diǎn)形成的施工工藝能夠較好的指導(dǎo)施工。
(2)水泥土芯樣立方體抗壓強(qiáng)度大于3.5 MPa,滿足設(shè)計(jì)要求;樁位偏差小于110 mm,滿足規(guī)范要求。
(3)水泥土復(fù)合管樁成樁質(zhì)量好,復(fù)合地基承載力特征值為330 kPa,單樁承載力特征值為1050 kN,單樁復(fù)合地基承載力特征值與單樁承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求,水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基取得了良好的應(yīng)用效果。
(4)水泥土復(fù)合管樁復(fù)合地基相比原設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力管樁—筏板基礎(chǔ)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),節(jié)約資金11.1%~12.7%。
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(學(xué)科責(zé)編:趙成龍)
Technology of pipe pile embedded in cement soil com posite foundation and its application
Bu Fadong,Song Yizhong,Li Jianming,et al.
(Shandong Academy of Building Research,Jinan 250031,China)
Composite foundation of pipe pile embedded in cement soil is a new type of foundation,and ithas the advantages of cement soil pile and pipe pile,can be deformed with the foundation soil at the same time,and can bear the upper load together with the foundation soil.By combining with the Shandong Liaocheng Jinzhu University town area as an engineering example,the construction technology of composite foundation of pipe pile embedded in cement soil is proposed.Through the quality of pile and the deviation of pile and static load test,the application of cement soil composite pipe pile composite foundation is studied.The results show that the construction machinery used has the advantages of fast construction speed,uniform mixing of cement soil pile and low failure rate of drill bit.It canmeet the requirementof soilmixing in strengthening depth range,and according to the construction characteristics of this type ofmechanical technology,it can better guide the construction.The compressive strength of cement soil sample is more than 3.5 MPa,which meets the design requirements;the deviation of pile position is less than 110mm,which meets the requirement of the code.The characteristic value of bearing capacity of composite foundation is 330 kPa.The characteristic value of single pile bearing capacity is 1050 kN,its index meets the design requirements,and compared with the pile foundation,composite foundation of pipe pile embedded in cement soil saving is 11.1%~12.7%,which has achieved good results.
pipe pile embedded in cement soil;composite foundation;engineering application;construction technique
TU 447
A
1673-7644(2017)03-0276-08
2017-04-09
卜發(fā)東(1973-),男,研究員,博士,主要從事地基處理等方面的研究.E-mail:752615027@qq.com