混凝土夯扩桩在金水河倒虹吸地基处理中的应用

康建荣,张 彬

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局,成都,610225)

1 工程概况

南水北调元氏Ⅱ段工程全长15.1829km,其中渠道长14.9724km,项目主要包括主渠道和各类交叉建筑物。各类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,分水口门1座,渠渠交叉3座,共计11座。金水河排水倒虹吸为穿渠左岸排水建筑物,洞身段长88m,过水断面为钢筋混凝土箱形结构,3孔,单孔过水断面尺寸为3.5m×3.5m一联布置,洞顶在总干渠渠底以下埋深为1.564m。倒虹吸进口斜管段和出口斜管段地基不满足设计要求,需采用混凝土夯扩桩进行地基处理,以提高地基承载力。桩径0.6m,正方形布置,桩间距1.6m,桩长3m～4.5m。

2 夯扩桩的成桩原理及特点

2.1 夯扩桩的成桩原理

夯扩桩是充分发挥桩侧摩阻力和桩端支承力的一种新桩型,以单桩承载力为主,同时起到挤密和加固地基土、提高桩端地基土强度的作用。有资料显示,经静力触探测试,桩侧比贯入阻力提高5%～10%,扩大头比贯入阻力提高25%～35%。

夯扩桩是在锤击沉管桩的机械设备与施工方法的基础上加以改进,采用夯扩的方式将桩端现浇混凝土扩大成大头形的一种桩型,通过增大桩端截面和挤密地基土,使桩的承载力大幅提高。

锤击沉管夯扩桩成孔部分采用内外双管,外桩管为通心钢管,内桩管的下端封底,两管套装长度相等,一般无桩靴。用桩锤将其打到设计深度后拔出内管,往外管内灌入一定高度的扩底混凝土,重新插入内管并将外管向上拔一定高度,锤击力经内外桩管直接传给混凝土,通过桩管的挤撑作用,将管底的混凝土夯出管外,迫使扩底混凝土向下部和四周地基土挤压,形成扩大头(扩大头设计要求,采用一次或二次夯扩),再浇灌桩身混凝土。

2.2 夯扩桩的特点

夯扩桩实质上是一种侧壁阻力与端承力共同承载的摩擦支承桩,通过增大桩端面积和挤密地基土使单桩承载力有了很大的提高。

夯扩桩有如下突出优点:(1)对地质适应性强,持力层选择范围广,投资省。只要层位稳定、有足够厚度的稍密～密实的中砂～砾砂层、硬塑～坚硬状态的一般粘性土和网纹状粘性土、可塑～硬塑状态的砂质或砾质粘性土,均宜作为桩端持力层。只要桩底处于中等强度的土层,通过不断地夯扩挤密土层,就可以达到其他需要较长桩身桩型的同等承载,因而夯扩桩的造价很低。实践证明,除了距离地面很浅的岩石面或上部淤泥、松土层总厚度达到15m以上的地区,其他地质情况均可采用夯扩桩;(2)地基土挤密程度高,桩端面积大,承载力高。通过一次或二次夯扩,使桩端下被夯实土层中一定范围的土体极为密实,纵向的实际承载力比较高,也有利于减小沉降;(3)在内管底部放置干硬性混凝土作为薄型土塞,可有效起到止淤和短时止水的作用,保证混凝土的浇注质量;(4)相对其它桩型,特别是锤击沉管灌注桩,可省去桩靴或桩尖;(5)控制外管的提升距离,可以形成更为理想的扩大头形状;(6)桩身混凝土借助于柴油锤力量和内夯管的自重作用压密成型,能避免或减少缩颈和断桩等现象,设计桩径能够保证;(7)可视地层土质条件,调节施工参数、桩长和扩大头直径,以提高单桩承载力;(8)采用振动拔管,可以增加桩身混凝土的密实度,改善成桩质量;(9)夯扩桩与仅依靠桩身摩擦力作为抗拔力的等截面桩型相比,抗拔力可以成倍提高,可广泛应用于独立的地下室结构;(10)施工机械轻便,机动灵活,适应性强;施工速度快、工期短、性价比高。

3 夯扩桩的施工方法

3.1 相关设计参数

本标段金水河倒虹吸混凝土夯扩桩桩身混凝土设计强度为C20,桩径60cm,正方形布置。夯扩桩与基础之间设置30cm厚的砾石褥垫层,相对密度不低于0.75,桩长3m～4.5m,地基允许承载力208.8kPa,单桩承载力450kN,复合地基承载力212kPa。桩位布置见图1。

图1 桩位布置(单位:cm)

3.2 施工机具

根据开挖断面及地质剖面图显示,建筑物地基为壤土层,具有微湿陷性,3m～4.5m以下主要为粗砂层和砾石层。因此,设计桩长只有3m～4.5m,桩头深入粗砂层和砾石层即可。施工选用ZHY3500-22kW桩机进行,护筒采用φ625mm无缝钢管,长度6m,重锤质量3.5t,并配有自动脱钩装置。主要施工机械配置见表1。

表1 主要机械设备配置

3.3 夯扩桩施工

夯扩桩工艺流程:桩位放线——桩机就位——沉护筒——填料并夯实——测量贯入度——填干硬性混凝土夯实——灌注混凝土并振捣——成桩。

3.3.1 测量放线。根据桩位布置图设置测量控制点,按桩位图测放桩位,桩位测放允许偏差应小于30mm。

3.3.2 成孔及桩头施工。桩位线放好后,机器调整至桩位上,向护筒内倒入一定碎砖或卵石,以满足封底止淤的要求,然后将重锤放入管内提起6m,自由落下,将护筒沉到设计标高;在成孔过程中应保持垂直,桩孔的垂直度偏差≤桩长的1%。之后再填适量碎砖进行桩底夯扩(使桩端形成一扩大头),直到最后三击贯入度小于10cm为止;在护筒内倒入0.3m3的干硬性混凝土夯实后,将重锤提出。

3.3.3 灌料成桩。向外管内灌入高度为2m～4m的混凝土,内夯管放入外管内压在混凝土上面,并将外管拔起一定高度,通过重锤锤击内夯管,夯出外管内的混凝土,并继续夯打管下混凝土直至外管底端深度略小于设计桩底深度。拔出内夯管,在外管内灌入桩身所需的混凝土,将内管压在外管内混凝土面上,边压边缓缓起拔外管;将双管同步拔出地表,则成桩过程完毕。

拔外管时,将内夯管连同桩锤压在超灌的混凝土面上,随外管缓慢均匀上拔,内夯管徐徐下压,直至同步终止于施工要求的桩顶标高处,然后将内外管提出地面。拔外管的速度应控制在2m/min～3m/min,桩顶混凝土灌注标高应超出设计标高30cm。

4 夯扩桩的质量控制

4.1 施工过程质量控制

施工时认真校核桩位位置,采用隔行、隔排跳打,间隔时间为1周以上。施工中桩身保持垂直,以三击贯入度控制夯扩体的投料量不小于0.5 m3,且不大于1.8m3为宜。当投料量大时,应调整桩长或改变施工参数。夯击后地面隆起不得大于50mm,C20干硬性混凝土填料量约0.3m3。填料均以满足最后三击贯入度小于10cm作为控制标准;桩身混凝土坍落度控制在8cm～10cm,并在拔管前、后用插入式振捣器将桩身上部4m以内混凝土振捣密实。施工过程中现场质检人员全程旁站,做好施工记录。记录表见表2。

表2 夯扩桩施工记录

4.2 施工中常见问题的预防与处理

4.2.1 卡锤。由于落距过大、冲力过大、底部土层较软等原因,致主机卷扬机拔不出桩锤时,可用桩机副卷扬机系统拔出桩锤。

4.2.2 拔不出护筒。当成桩与拔筒时间间歇过长、拔筒困难时,可采用2台桩机合力拔出或吊车拔出,也可利用桩机上的主卷扬机通过副卷扬机滑轮组拔出护筒。

4.2.3 提护筒钢筋笼跟着走。放置钢筋笼时,认真检查钢筋是否有卡护筒问题,着重检查钢筋笼外径、吊环及钢筋笼的顺直等情况,如发现钢筋笼跟着走时,应停拔护筒,并用桩锤下压钢筋笼,使其复位,然后提护筒。

4.2.4 提护筒桩跟着走。如果提护筒时,发现桩也跟着走,停拔护筒,用桩锤将桩体压回原位,然后再提护筒,如果不见效,可采取复打法处理。

4.2.5 断桩。应采取措施防止断桩,如果发现断桩,可将断桩段拔去,并将表面清理干净后充分湿润,增大桩身混凝土截面面积或加钢筋联结后,再重灌混凝土补做桩身。

4.2.6 桩位移。应避免人为的操作失误,对于桩位偏移超出允许值,一般采取加宽承台、增设钢筋的方法解决,具体由设计人员决定。

5 试验检测

夯扩桩施工完成后,间歇15d后挖出施工平台,进行桩身检测。本标夯扩桩检测由国家承认资质的河北恒基建设质量有限公司负责,检测共分为三项进行。

5.1 采用单桩复合地基载荷试验法检测地基复合承载力

检测设备选用地锚反力装置系统,加荷观测系统选用油压千斤顶、精密压力表和大量程百分表。本次检测采用1.44m2的承压板、扣除桩间土其余荷载的等量法进行,共分8级加载,每加载一级,每隔30min测读一次沉降量。沉降量通过安装在承压板周围50mm范围内的百分表测定,为1h内沉降量小于0.1mm时则认为达到相对稳定,可进行下一级加载。经检测,单桩复合地基载力达到212kPa,满足设计要求。检验桩试验情况见表3。

表3 检验桩试验情况汇总

5.2 采用单桩竖向抗压静载试验法检测单桩竖向承载力

本次试验加荷采用油压千斤顶等量分级加荷,每级加荷量取最大加荷量的1/10,每级加荷后按5、15、30、45、60min测读桩顶沉降量,以后每隔30min测读一次。在每级加载后,当1h内承压板沉降量小于0.1mm,并连续2次时,方可加载下一级。经检测,单桩竖向承载力达到450kPa,满足设计要求。检验桩静载试验数据见表4。

表4 静载试验数据汇总

5.3 采用低应变法检测桩身完整性

低应变反射波法是在桩顶竖向激振,产生的弹性波沿桩身向下传播,如桩身存在明显波阻抗差异的界面(如断桩,混凝土严重离析)或桩身截面积发生变化,将产生反射波,经接收、放大、滤波和数据处理,可识别来自不同部位的反射信息。测度设备包括激振设备(手锤),磁电式速度传感器,信号采集分析仪。经过检测,评价桩身完整。试验桩低应变桩基完整性检测见图2(混凝土强度等级:C20;波速:2.45km/s)。

图2 低应变桩基完整性检测成果

6 结语

综上所述,根据本工程实际施工效果分析,混凝土夯扩桩不论是施工工艺、施工方法、质量控制和最终地基处理结果都取得了成功。在特殊地质条件下,与其它桩型相比,其施工工艺简单、施工机械单一,地基处理效果明显,具有多项优越性。因此,在建筑物地质结构中,基岩或砂砾料层埋藏较深,只要上部土层中有一定厚度的中等强度土层,均可优先选用夯扩桩,以获得更好的施工质量和经济效益。

〔1〕建筑地基基础设计规范,GB5007-2002[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

〔2〕建筑地基处理技术规范,GJ79-2002[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

〔3〕建筑地基基础工程施工质量验收规范,GB50202-2002.北京:中国计划出版社,2002.

〔4〕复合载体夯扩桩设计规程,JGJ/T135-2001.北京:中国建筑工业出版社,2001.