PCC樁在鐵路松軟土類地基中的加固應用

吳愛群 中國鐵路上海局集團有限公司新長鐵路有限責任公司

1 PCC樁技術簡介

PCC樁，即現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁，英文全稱：Large Diameter Pipe Pile by using Cast-in-place Concrete，簡寫為PCC樁（圖1）。

圖1 PCC樁構造示意圖

2 成樁設備

PCC樁機設備主要由底盤（包括卷揚機）、龍門支架、振動頭、鋼質內(nèi)外套管空腔結構、活瓣樁靴結構、成模造漿器、進料口和混凝土分流器等組成。

3 工作原理及成樁機理

3.1 工作原理

該技術在設備底盤和龍門支架的支撐下，依靠上部振動頭的振動力，將雙層鋼質套管組成的空腔結構及焊接成一體的下部活瓣樁靴沉入預定的設計深度，形成地基中空的環(huán)形域，在腔體內(nèi)均勻灌注混凝土，之后振動拔管，灌注于內(nèi)管中土體與外部的土體之間便形成混凝土管樁。成模造漿器在沉樁和拔樁過程中，通過壓入潤滑泥漿保證套管順利工作?；畎陿堆ピ诠軜洞蛉霑r閉合，在拔樁時自動分開?；炷练至髌鞯淖饔檬沟贸凉苤械幕炷辆鶆蛎軐?。

3.2 成樁機理

現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁的施工機械振動沉管由兩層鋼管組成，內(nèi)管與外管直徑相差20～30cm，振動體的豎向往復振動，將腔體模板沉入地層。由于腔體模板在振動力作用下使土體受到強迫振動產(chǎn)生局部剪脹破壞或液化破壞，土體內(nèi)摩擦力急劇降低，阻力減小，提高了腔體模板的沉入速度。振動下沉時對樁側土體排土作用較小，并形成環(huán)形腔體模板，現(xiàn)澆注入混凝土，振動、提拔鋼管產(chǎn)生的擠壓、振密作用使得環(huán)形腔體模板中的土芯和周邊一定范圍內(nèi)的土體得到密實，擠壓、振密的范圍與環(huán)形腔體模板的厚度及原位土體的性質有關。同時混凝土從環(huán)形腔體模板下注入環(huán)形槽孔內(nèi)，從而形成了沉管、澆注、振動、提拔一次性直接成樁的新工藝，保證了混凝土在槽孔內(nèi)良好的充盈性和穩(wěn)定性。該樁成樁機理為：

（1）模板作用

在振動力的作用下環(huán)形腔體模板沉入土中后，澆注混凝土；當振動模板提拔時，同時混凝土從環(huán)形腔體模板下端注入環(huán)形槽孔內(nèi)，空腹模板起到了護壁作用，因此不會出現(xiàn)縮壁和塌壁現(xiàn)象。

（2）振搗作用

環(huán)形腔體模板在振動提拔時，對模板內(nèi)及注入槽孔內(nèi)的混凝土有連續(xù)振搗作用，使樁體充分振動密實；同時又使混

凝土向兩側擠壓，管樁壁厚增加。（3）擠密作用

振動沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土管樁在施工過程中由于振動、擠壓和排土等原因，對樁間土起到了相應的密實作用；擠壓、振密范圍與環(huán)形腔體模板的厚度及原位土體的性質有關。

在形成復合地基時，為了保證樁與土共同承擔荷載，并調整樁與樁間土的豎向荷載及水平荷載分擔比例，以及減少基礎底面的應力集中問題，在樁頂設置褥墊層，從而形成現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁復合地基。

4 主要性能指標

目前，既有施工機具的性能指標如下：

（1）沉樁深度達到20 m～25 m；

（2）樁徑為1000 m～1 500 mm；

（3）管樁壁厚100 m～150 mm；

（4）混凝土可以多次加料；

（5）提升力達到30 t，壓樁力加上高頻振動荷載達到100 t。

5 工程應用--滬寧城際仙西聯(lián)絡線PCC樁工程

6.1 地質地貌

仙西聯(lián)絡線是聯(lián)結南京南站與滬寧城際的一條客運專線，為引進PCC樁在鐵路地基加固的應用，本次選擇L1DXK10+260～L1DXK10+610軟土地基地段，該段地形地貌為秦淮河一級階地，基底土質為淤泥質粉質黏土，地勢平坦開闊，水塘沿線路中心分布，其中L1DXK10+315～L1DXK10+511、L1DXK10+530～L1DXK10+570為水塘，水塘一般寬為20 m～30m，局部最大達40 m～50 m，水深1 m～2 m，淤泥厚0.5 m。

5.2 工程地質及水文地質概況

（0）人工填土；

（1）-1 al+plQ4淤泥質粉質黏土：褐灰色，流塑（Ⅱ）；

（1）-2 al+plQ4粉質黏土：褐黃～灰色，軟塑（Ⅱ）；

（1）-3 al+plQ4粉質黏土：褐黃色，軟塑（Ⅱ）；

（1）al+plQ4粉質黏土：褐黃色，硬塑，土質均勻（Ⅲ）；

（2）alQ3粉質黏土：褐黃色，硬塑（Ⅲ）；

（3）alQ3粉質黏土夾碎石，粉質黏土：褐黃色，硬塑（Ⅲ）；

（4）-1泥質砂巖：全風化，棕紅色（Ⅲ）；

（4）-2泥質砂巖：強風化，紫色、棕紅色（Ⅳ）；地下水不發(fā)育，測時水位埋深1.0 m～2.0 m，對混凝土無侵蝕性。

6 工程設計

6.1 主要技術指標

樁徑1 m000mm，設計樁長815.5 m，管樁壁厚150 mm，混凝土標號C20，群樁間距2.5 m，布置方式按梅花形布置，樁底進入硬塑土層或全風化基巖不小于1.5 m；樁頂設0.6 m厚碎石墊層夾土工格柵，總工作量19 487 m，砼用量約為8 769.2 m3。

6.2 施工參數(shù)

根據(jù)本工程特點和設計要求，確定主要施工參數(shù)為：

（1）現(xiàn)澆砼強度標號，砼坍落度一般控制在60 m～80 mm，石子粒徑5 mm～25 mm；砂采用中粗砂;水泥采用普通硅酸鹽

32.5 等級。

（2）樁長：按設計要求8 m～15 m；

（3）樁機垂直度偏差不大于1%,水平度不大于1%；

（4）樁位布置按設計要求三角形布置，樁中心誤差控制在100 mm以內(nèi);

（5）在一般土層內(nèi)拔管速度宜為1.0 m/min～1.2 m/min，在松散或稍密砂土層宜控制在0.6 m/min～0.8 m/min。

6.3 施工工藝

（1）施工流程圖（圖2）

施工前準備→測量放樣→樁機安裝定位→試樁并提交試樁報告→全面施工→檢測與測試→退場。

圖2 工藝流程框圖

（2）施工要點

①為保證在含地下水層現(xiàn)澆管樁的質量，保證成樁過程中地下水、流砂、淤泥不會自樁靴進入管腔，澆筑采用二步法處理，即在成樁管下到地下水位以上即進行第一次澆筑，先將樁靴完全封閉，然后繼續(xù)下到設計深度后進行第二次澆筑成樁。

②為保證施工過程中樁與樁之間不互相影響，施工順序宜采用隔孔隔排進行灌筑。

③如遇到較硬夾層，可利用專門設計的成模潤滑造漿器在成樁過程中注入泥漿。

④內(nèi)外管應鎖定后方可起吊裝配。

⑤混凝土應以細石料為主，可適當摻入減水劑，以利于腔體內(nèi)砼的流動性。

⑥在遇到砂性土層時，宜放慢上提速度，軟土層內(nèi)的速度一般控制在1 m/min～3 m/min。

（3）施工措施與要求

①樁位測放：首先放出中心點，根據(jù)中心點放出足夠的邊界控制點，以中心點和邊界控制點為基準，用鋼尺放出樁位。中心點和邊界控制點的位置偏差小于2 cm。為防止打樁產(chǎn)生的振動造成場內(nèi)中心點或控制點偏差，在打樁前，應根據(jù)場地情況，在場地最少兩側邊，距邊界外5 m處設放基準線，此基準線可在測放中心點時同時放出，也可在中心點測放完成后進行，但應保證此基準線位置的準確性和可靠性，并在打樁過程中不斷校核樁位。

②樁機就位并調整好樁機的水平度及垂直度，樁機水平度控制在1%以內(nèi)，垂直度控制在1%以內(nèi)，垂直控制以樁塔一側放置垂線，垂線長度宜不小于樁塔高度的1/3。待各項設備到位并檢查合格后，進行各單機的通電試驗。樁機移機就位。

③利用沉管自重或鋼絲繩加壓將密封活瓣樁靴沉管壓入土中一定深度，無特殊情況，壓入深度應在50 cm以上，然后開動振動錘起振沉管至設計樁底標高。后使用測繩測量孔底是否有地下水進入或淤泥擠入，如大于10 cm，應在沉管前先灌入大于1米的不低于樁身標號的混凝土。以此進一步封閉套管內(nèi)腔，確保成樁質量。嚴格控制最后30 s的電流、電壓值，其值按設計要求決定。

④試樁時以設計要求為依據(jù)，就施工有關參數(shù)：土層的貫入情況，沉管進尺情況，砼的充盈系數(shù)，工作電流的大小，砼坍落度等有關參數(shù)，作好記錄，根據(jù)現(xiàn)場試樁的實際情況，確定最后的施工技術參數(shù)，并依此作為確定整個工程樁體施工參數(shù)的主要依據(jù)。

⑤攪拌砼

管樁特點是混凝土用量較小，每延米僅0.45 m3，所以不用商品混凝土，采用現(xiàn)場攪拌混凝土。

進場的砼原料：水泥、砂、碎石以及混凝土配合比必須經(jīng)具有相應檢測資質的檢測單位所出具的原料試驗報告和混凝土配比報告，合格后原材料方能進場使用。混凝土制拌采用強制式砼攪拌機，攪拌時間不小于120s，砼的坍落度控制：60 mm～80 mm。砼按設計（即每50 m3或每臺班）要求制作試塊，且每機班組，日留置不少于三組砼試塊并進行相應養(yǎng)護。養(yǎng)護可在現(xiàn)場設置養(yǎng)護池或養(yǎng)護室，也可在試塊拆模后送至具有養(yǎng)護條件的養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。到達齡期后及時送至檢測單位試壓。

因施工期處于秋冬季節(jié)，混凝土試塊養(yǎng)護特別應注意養(yǎng)護環(huán)境的溫度和濕度。

⑥灌注砼至管頂

通過提升料斗將混凝土送入成孔器。

在灌注樁身砼之前，應根據(jù)工程施工經(jīng)驗，結合地質報告預估充盈系數(shù)，計算投料體積，制定分批投料計劃。

沉管沉至設計樁底標高后，利用提升料斗將砼從沉管上端的料斗口灌注砼至樁頂標高，如樁頂離自然地面較近，需拔管超注時，應注意不宜拔得過高，應以控制在樁需注入的砼量為限。

混凝土適當超灌，一般為50 cm，以使樁頂混凝土強度在鑿除樁頂浮漿后滿足設計要求。

詳細記錄灌注砼量，充盈系數(shù)嚴禁小于1.0，一般為1.05～1.2。結合本公司以往的施工經(jīng)驗，充盈系數(shù)可在試樁總結和地質情況中確定，依據(jù)此系數(shù)作為一次投料體積計算的參考依據(jù)。

⑦振動拔管

樁管灌滿砼之后，邊振動邊拔管，以確保混凝土密實性，拔管速度控制在1 m/min；在拔管過程中，應分段添加砼，保持管內(nèi)砼面始終不低于地面或高于地下水位1.5 m～2.5 m以上。至樁頂以下2.0 m左右時應添加足夠的混凝土一次性拔管到地面，對于地層變化的地段，由硬土層到軟土層或由軟土層到硬土層的界面處應降低振動拔管的速度，一般應控制在1.0 m/min以下。

沉管上拔時同一土層中應均勻控制，土層界面處應適當降低拔管速度，以免出現(xiàn)縮徑。在最后5 m應一次性拔出中途不得停頓。

⑧移機

重復上述步驟，進行下一樁的施工。如前樁芯土較高（一般高于50 cm）時，應先人工清除后，方可移機。以防移機時樁機前端兩架壓腿將高出部分樁芯土碰倒造成樁頭部分壁厚不均。

⑨檢測

管樁結束，混凝土齡期達到后，按設計要求進行低應變檢測和靜載試驗。低應變抽檢比例為總樁數(shù)的30%，靜載試驗抽檢比例為1%，且不少于3根。

6.4 工程檢測

為確保管樁的施工質量，可酌情選用下列方法進行加固質量檢測。

（1）在灌注混凝土前，應對已成孔的中心位置如孔深、孔徑、垂直度等進行認真復測檢查，并填寫相應的質量檢查記錄和報告。

（2）沉樁過程中應檢查每米進尺貫入度、最后一米貫入度、最后三米貫入度及樁尖標高、樁身垂直度等。

（3）對于更高要求的建造樁基和地質條件復雜或成樁質量可靠性低的樁基工程應進行成樁質量監(jiān)測，采用可靠的動態(tài)檢測。

（4）開挖檢測：選取1%端樁體進行開挖，深度1.5 m左右，觀察成樁情況。

（5）抽樣檢驗：整樁鉆孔取芯檢驗樁身長度，并制成試件，進行抗壓實驗，抽檢比例為0.5%。

（6）荷載試樁：抽檢比例為0.5%（單樁和復合地基各半）。

7 結束語

本工程經(jīng)過2008年11月初試樁至2009年1月底完工，在鐵路軟土地基加固中取得了明顯的工程效果，使用現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁有以下優(yōu)點：

（1）節(jié)省了大量混凝土，從而大大降低造價。

（2）加快了施工進度；并且可以調整成樁擠土方向。

（3）通過造漿器造漿，可以減少沉模時環(huán)形套模內(nèi)外摩擦阻力，保護樁芯和側壁土穩(wěn)定。

（4）混凝土分流器可以避免管腔中混凝土澆注時的離析和厚薄不均。

（5）采用振動雙層套管成模工藝，灌注混凝土方量的相應減少，施工速度較鉆孔灌注樁及粉噴樁要快，且質量也容易控制，加固同等面積軟土地基效率提高40%以上。

（6）選擇大直徑管樁進行地基加固，由于樁身表面積大，使單樁承載力大為提高.

（7）該樁型成樁質量穩(wěn)定，可沉樁較深（25 m～35 m），樁體與樁周土形成剛性復合地基，復合層的變形很小，地基穩(wěn)定性得到提高。

通過現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁復合地基技術在鐵路軟基加固中的使用，明顯節(jié)約了成本，大大縮短了工期，提高了工程質量，具有廣泛的應用前景。