水工建筑物地基處理混凝土芯勁性復(fù)合樁試樁工藝試驗(yàn)

商志清

(江蘇鹽城水利建設(shè)有限公司， 江蘇 鹽城 224002)

剛性樁復(fù)合地基中的混凝土樁復(fù)合地基和柔性樁復(fù)合地基中的水泥土攪拌樁復(fù)合地基都是目前比較常用的復(fù)合地基類型。在對(duì)軟弱土體進(jìn)行加固處理時(shí)，兩種樁型各有利弊。水泥土攪拌樁在成樁的施工過(guò)程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)和對(duì)環(huán)境的影響都比較小。并且其施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，具有較高的性價(jià)比。但其本身材料強(qiáng)度較低，且當(dāng)土層中含有軟弱土層時(shí)產(chǎn)生的沉降較大，因此極易發(fā)生因樁身強(qiáng)度不足而發(fā)生的破壞。而剛性混凝土樁樁身材料強(qiáng)度較大，因此可以承受較大的上部荷載。但通常情況下，其樁身強(qiáng)度還未得到充分發(fā)揮，樁土接觸面上的側(cè)摩阻力就已經(jīng)超過(guò)其剪切強(qiáng)度而發(fā)生破壞，導(dǎo)致樁整體下沉喪失承載能力。綜合這兩種樁型各自在加固軟弱土地基上的優(yōu)點(diǎn)。

出于這個(gè)目的，把預(yù)制好的混凝土樁打入剛剛成樁還未硬結(jié)的水泥土攪拌樁中，將剛性的混凝土樁作為內(nèi)芯樁，將柔性的水泥土攪拌樁作為外層樁，形成勁性芯水泥土攪拌樁[1]。這樣，既能使內(nèi)芯混凝土樁強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮，又可以充分利用水泥土攪拌樁較高的側(cè)摩阻力，兩者共同提高樁的整體承載力。兼具外層水泥土攪拌樁性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)閮?nèi)芯混凝土預(yù)制樁的存在，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水泥土攪拌樁承受荷載長(zhǎng)度有限(有效樁長(zhǎng))和樁身抗彎強(qiáng)度低易受彎使樁身發(fā)生破壞的缺點(diǎn)。具有良好的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價(jià)值。受到工程界的廣泛關(guān)注[2]。這種樁的基本形式如圖1所示。

1-柔性樁 2-剛性樁圖1 復(fù)合樁構(gòu)造示意圖

1994年，河北滄州機(jī)械公司聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)對(duì)一種新型樁開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。他們將一根預(yù)制好的混凝土電桿壓入水泥土攪拌樁之中組合成復(fù)合樁，并對(duì)該樁型進(jìn)行了試樁實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)測(cè)得該復(fù)合新樁型的豎向承載力為450 kN，而同尺寸的單一水泥土樁的豎向承載力僅為150 kN。且該樁型最終因?yàn)闃俄斚? m的混凝土被壓碎而發(fā)生破壞。這次試驗(yàn)標(biāo)志我國(guó)對(duì)該種新樁型研究的開(kāi)端，預(yù)制電線桿與水泥土攪拌樁的組合也是該種樁型在我國(guó)運(yùn)用研究的雛形。

1 工程概況

新孟河延伸拓浚工程位于太湖流域湖西區(qū)，北起長(zhǎng)江，南入太湖，途經(jīng)江蘇省鎮(zhèn)江市、常州市和無(wú)錫市，具有改善水環(huán)境、防洪、除澇、增加水資源供給等綜合效益，對(duì)太湖流域和湖西區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有重要的作用。奔牛水利樞紐工程為新孟河延伸拓浚工程干河樞紐工程之一，由京杭運(yùn)河立交地涵、船閘、節(jié)制閘和孟九橋組成。船閘、節(jié)制閘建筑物基礎(chǔ)主要位于②3層上，僅局部位于③2層上；立交地涵翼墻底板位于②3和④2層上。②3層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，地基允許承載力為70 kPa；④2層重粉質(zhì)壤土，地基允許承載力為100 kPa，均不宜作為建筑物的天然地基持力層。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，地基處理采用勁性復(fù)合樁地基。

勁性復(fù)合樁由直徑70 cm水泥土攪拌樁和直徑22 cm素混凝土振動(dòng)沉管樁芯組成。其中攪拌樁的水泥摻量為18%(重量比)，攪拌樁土體28 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.5 MPa，樁芯混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。工藝試樁樁長(zhǎng)為13.35 m，單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值為413 kN。勁性復(fù)合樁橫截面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 勁性復(fù)合樁橫截面結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)場(chǎng)試樁工藝試驗(yàn)

由于勁性復(fù)合樁首次在水利工程中大面積使用，所以在勁性復(fù)合樁施工前應(yīng)進(jìn)行試樁工藝試驗(yàn)，檢驗(yàn)勁性復(fù)合樁單樁承載力，同時(shí)檢驗(yàn)勁性復(fù)合樁成樁設(shè)備和施工工藝，確定主要施工工藝參數(shù)；通過(guò)對(duì)工藝試驗(yàn)的研究，優(yōu)化并確定工程樁的施工工藝方案。

2.1 試樁方案要點(diǎn)

(1)成樁設(shè)備。試樁選用SP—15A型深層攪拌樁機(jī)、DZ30型振動(dòng)沉管樁機(jī)。攪拌樁主電機(jī)功率為90 kW，額定電流165 A；振動(dòng)沉管樁機(jī)主電機(jī)功率30 kW，額定電流55 A。噴漿設(shè)備為Pk—250型灰漿泵，噴灰設(shè)備為SOY—60ATJ型螺桿空氣壓縮機(jī)，均配套設(shè)置流量自動(dòng)記錄儀。

(2)試樁數(shù)量。試樁共計(jì)12根，采用濕噴和干噴兩種施工工藝，其中濕噴、干噴各6根，比較采用兩種不同施工工藝的成樁效果。其中濕噴樁選在地涵北側(cè)翼墻底板范圍內(nèi)，作為工程樁使用，干噴樁選在地涵翼墻底板范圍外。

(3)水泥攪拌樁攪拌工藝試驗(yàn)。

①攪拌工藝采用四攪二噴工藝進(jìn)行試樁；

②攪拌方式，通過(guò)試驗(yàn)確定選用干噴或者濕噴；

③濕噴施工參數(shù)：灰漿水灰比、比重、注漿量及噴漿壓力、攪拌葉片轉(zhuǎn)速、攪拌鉆進(jìn)與提升速度、電流值等試驗(yàn)。

④干噴施工參數(shù)：噴灰壓力值、攪拌葉片轉(zhuǎn)速、攪拌鉆進(jìn)與提升速度、電流值等試驗(yàn)。

(4)振動(dòng)沉管樁施工參數(shù)。沉管速度1.5 m/min，提管速度1.5～2.0 m/min，混凝土充盈系數(shù)1.25～1.28。

具體試樁方案見(jiàn)表1。

表1 勁性復(fù)合樁試樁方案

2.2 施工流程

(1)施工總流程

測(cè)量放樣→攪拌樁機(jī)就位→攪拌樁施工→復(fù)核樁位→沉管樁機(jī)就位(6 h內(nèi))→沉管樁施工→成樁完畢→移至下一根樁施工。

(2)攪拌樁施工工藝及施工流程

①施工工藝

采用四攪二噴，預(yù)攪下沉→噴漿(灰)攪拌提升→重復(fù)攪拌下沉→重復(fù)噴漿(灰)攪拌提升至頂。

②濕噴法施工流程

施工準(zhǔn)備→鉆機(jī)就位→拌制漿液→鉆進(jìn)→攪拌、噴漿、提升→升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后再?gòu)?fù)鉆→復(fù)拌、噴漿、提升→升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后停機(jī)→下一樁循環(huán)施工。

③干噴法施工流程

施工準(zhǔn)備→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)→攪拌、噴灰、提升→升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后再?gòu)?fù)鉆→復(fù)拌、噴灰、提升→升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后停機(jī)→下一樁循環(huán)施工。

(3)沉管樁施工流程

復(fù)核樁位→樁機(jī)就位→振動(dòng)沉管至設(shè)計(jì)深度→混凝土攪拌、運(yùn)輸、灌注→邊振動(dòng)、邊拔管、混凝土灌注至足量→振動(dòng)拔管至地面→成樁完畢→下一根樁循環(huán)施工。

2.3 試樁方法

(1)攪拌樁施工方法

①攪拌樁機(jī)械就位、對(duì)中、調(diào)平、設(shè)定流量計(jì)參數(shù)。

調(diào)平：在樁機(jī)對(duì)位后，在底盤基本水平的條件下，調(diào)整兩邊的支撐桿，使起立架中心垂球?qū)?zhǔn)中心。

設(shè)定流量計(jì)參數(shù)：打開(kāi)流量計(jì)電源，在自動(dòng)記錄儀設(shè)置前按總清鍵，然后依次設(shè)置樁號(hào)、日期、段流量、深度、總漿量等參數(shù)，通過(guò)自動(dòng)記錄儀對(duì)試樁施工進(jìn)行全過(guò)程記錄。

②攪拌鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度：樁深度既要達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，又要進(jìn)入持力層不得小于0.5 m。采用深度記錄儀和鉆樁平臺(tái)下量測(cè)鉆桿長(zhǎng)度控制攪拌樁深度，根據(jù)電流大小判斷鉆進(jìn)深度是否進(jìn)入持力層。

③拌制漿液：采用P.042.5的普通硅酸鹽水泥，根據(jù)不同要求的配合比拌制水泥漿，制備漿液時(shí)嚴(yán)格控制水灰比、水泥摻入量，待壓漿前將漿液放入集料斗中。

④第一次攪拌下沉：?jiǎn)?dòng)攪拌樁機(jī)轉(zhuǎn)盤，鉆桿沿導(dǎo)向架攪拌，下沉至設(shè)計(jì)樁標(biāo)高；下沉速度控制在1.0～1.5 m/min，工作電流不大于額定值。

⑤噴漿(灰)攪拌提升：攪拌下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，鉆機(jī)反轉(zhuǎn)，邊噴漿(灰)攪拌邊提升鉆桿，提升速度控制在0.8 m～1.2 m/min，使?jié){液(灰)和土體充分拌和。

⑥重復(fù)攪拌下沉、提升、噴漿(灰)，當(dāng)漿液(灰)到達(dá)設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后原位噴射攪拌不少于10 s。

⑦關(guān)閉攪拌機(jī)械，主機(jī)移動(dòng)至下一樁位，重復(fù)上述步驟。

(2)沉管樁施工方法

①樁機(jī)就位：根據(jù)已施工的攪拌樁重新復(fù)核樁位。

②振動(dòng)沉管：振動(dòng)沉管機(jī)架要穩(wěn)定，沉管下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，并記錄沉管深度和所耗時(shí)間。

③混凝土灌注：沉管達(dá)到深度后，立即灌注混凝土，盡量減少間隔時(shí)間。第一次灌注混凝土必須灌滿樁管，加灌時(shí)應(yīng)保證混凝土面高出設(shè)計(jì)樁頭標(biāo)高0.3～0.5 m。拔管速度要均勻，拔管速度不大于1.2 m/min，邊振邊拔，每拔0.5～1.0 m停拔留振5～10 s，如此反復(fù)至沉管全部拔出。

④關(guān)閉沉管樁機(jī)，移動(dòng)至下一樁位，重復(fù)上述步驟。

3 勁性復(fù)合樁的質(zhì)量檢驗(yàn)

勁性復(fù)合樁的質(zhì)量檢驗(yàn)包括施工過(guò)程的檢驗(yàn)、樁體強(qiáng)度檢驗(yàn)、樁身結(jié)構(gòu)完整性檢驗(yàn)、承載力檢驗(yàn)等。

3.1 施工過(guò)程的檢驗(yàn)

施工過(guò)程中的檢驗(yàn)參數(shù)包括樁位、樁長(zhǎng)、樁頂高程、樁身垂直度、復(fù)合樁外芯與樁芯的偏差、樁身水泥摻量、噴漿速度、水灰比、攪拌和噴漿起止時(shí)間、噴漿量、灌注混凝土量、混凝土芯樁與水泥攪拌樁施工間歇時(shí)間等，主要通過(guò)施工過(guò)程中的檢驗(yàn)記錄來(lái)確定是否符合施工工藝和技術(shù)要求。對(duì)于水泥攪拌樁施工還可以通過(guò)自動(dòng)計(jì)量裝置對(duì)施工過(guò)程時(shí)間、階段注漿(灰)量、總漿(灰)量進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控。

3.2 樁體強(qiáng)度檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)水泥攪拌樁的施工質(zhì)量和樁芯混凝土的抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，在試樁過(guò)程中，對(duì)試樁水泥土、樁芯混凝土進(jìn)行取樣，并對(duì)水泥土、樁芯混凝土試樣進(jìn)行抗壓檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 樁身抗壓強(qiáng)度

3.3 勁性復(fù)合樁樁身結(jié)構(gòu)完整性檢驗(yàn)

為有效地檢驗(yàn)整個(gè)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)樁身的完整性，采用低應(yīng)變反射波法對(duì)勁性復(fù)合樁的質(zhì)量進(jìn)行檢查和判斷樁身結(jié)構(gòu)(混凝土樁芯)完整性。

根據(jù)所測(cè)波形特性，結(jié)合樁的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求，本工程樁身結(jié)構(gòu)的完整性按4類劃分,檢測(cè)結(jié)果如表3所示。本次試驗(yàn)共檢測(cè)12根試樁，均為Ⅰ類樁。

3.4 勁性復(fù)合樁承載力檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)單樁承載力是否滿足設(shè)計(jì)承載力的要求，在勁性復(fù)合樁成樁28d后進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。進(jìn)行承載力檢驗(yàn)的試樁數(shù)量為6根(試樁總數(shù)的50%)。

(1)加載、卸載方式

采用壓重平臺(tái)反力法，即由壓重平臺(tái)提供反力通過(guò)鋼梁及千斤頂對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行豎向抗壓荷載試驗(yàn)，最大壓重量為1000 kN。

采用慢速維持荷載法，用電動(dòng)油泵逐級(jí)加載，加荷等級(jí)為10級(jí)，總加載量為設(shè)計(jì)要求的2倍即826 kN。首級(jí)加載量為165 kN，加載依次為：165 kN→248 kN→330 kN→413 kN→496 kN→578 kN→661 kN→743 kN→826 kN。

卸載為5級(jí)，卸載量為其2倍,依次為：826 kN→661 kN→496 kN→330 kN→165 kN→0 kN。

(2)加載測(cè)讀沉降時(shí)間、相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、終止加荷條件按相關(guān)檢測(cè)規(guī)程進(jìn)行確定。

(3)單樁豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，檢測(cè)結(jié)果表明：①檢測(cè)的6根勁性復(fù)合樁的單樁豎向抗壓承載力≥826 kN，滿足本工程的設(shè)計(jì)要求；②相同試驗(yàn)荷載下，干噴樁的沉降值比濕噴樁大。

4 試樁結(jié)論

根據(jù)勁性復(fù)合樁試樁記錄和試樁的各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，綜合考慮滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)合理要求，確定工程樁的工藝方案為：

(1)勁性復(fù)合樁攪拌樁選用濕噴法施工，采用四攪二噴成樁工藝。

(2)水泥摻量18%；

(3)首次噴漿下沉→噴漿攪拌提升→重復(fù)攪拌下沉→重復(fù)噴漿攪拌提升至頂。首次下沉噴漿可以克服穿硬土層時(shí)下沉的阻力。

根據(jù)試樁和檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果獲得下列各項(xiàng)勁性復(fù)合樁施工工藝參數(shù)：

(1)水泥漿水灰比為0.8，噴漿量為142 L/m，噴漿壓力為0.5 MPa左右。

(2)攪拌樁進(jìn)入持力層前鉆進(jìn)速度為1.2～1.5 m/min，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為 80 r/min；提升速度為1.0～1.2 m/min時(shí)，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min，進(jìn)入持力層后鉆進(jìn)速度為0.15 m/min左右，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為30 r/min。

(3)振動(dòng)沉管樁沉管速度為1.5 m/min左右，提管速度為1.5～2.0 m/min。

(4)混凝土充盈系數(shù)1.25～1.28。

表3 勁性復(fù)合樁(混凝土芯)樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)結(jié)果表

表4 單樁豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

勁性復(fù)合樁是一種新型的地基處理方式，樁、土聯(lián)合作用效果較好，可以有效防止建筑物底板與土體間形成間隙，將在水工建筑物地基處理中得到廣泛應(yīng)用。為充分發(fā)揮勁性復(fù)合樁在水工建筑物地基處理中的作用，掌握其施工工藝及質(zhì)量控制要求尤為重要。通過(guò)試樁工藝試驗(yàn)研究，可深度掌握了勁性復(fù)合樁的施工工藝流程、施工工藝參數(shù)、質(zhì)量檢驗(yàn)方法，為今后勁性復(fù)合樁的大規(guī)模施工積累了經(jīng)驗(yàn)。