氯盐-硫酸盐环境下高铁路基螺钉桩施工关键技术

朱兆荣 秦昌乐 丁鸿程 吴红刚 张重庆

(1. 中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730099; 2. 兰州交通大学,兰州 730070;3. 中铁二十局集团有限公司,西安 710016)

引言

螺钉桩是一种新型挤土桩,由上部的圆柱形直杆段和下部螺丝形螺纹段组成。 相较于传统的直杆桩,螺钉桩上部直杆段可以增加桩身受力面积,提高强度;其下部螺纹段可增强与土体的咬合力,提高桩身的承载能力,同时螺牙增强了桩周土体的侧摩阻力和端承力,另外还具有无振动、环保性好、适用性强等诸多优点。

目前,国内研究主要基于现场实验、室内模型试验及数值模拟对螺钉桩的承载特性、作用机理和施工工艺等方面进行研究。 李新凯通过理论探索得到螺杆桩的2 种破坏形式,然后对螺杆桩承载特性进行原位试验研究,最后使用ABAQUS 软件对螺杆桩单桩和群桩基础承载特性进行研究[1];王曙光通过设计螺杆桩和直杆桩的室内模型试验得到在荷载作用下2 种桩体发生破坏形式及两者的承载机理和承载力特点,并通过工程现场的试验进行了验证[2];张克辉基于在建某高速铁路地基工程,研究在松软土地区螺杆桩的施工工艺、承载能力及沉降特性[3];万鹏洲采用现场试验和模型实验的方式分析富含盐渍土地区某铁路工程螺杆桩施工关键技术和承载受力特性,总结了现场施工的工艺方法和采用的重要技术参数[4];方崇通过设计静荷载作用下螺杆桩实验,分析螺杆桩在受到竖向荷载作用下的受力传递机制以及螺杆桩的受力破坏特性[5]。

综上所述,目前的研究主要集中于理论、试验及数值模拟分析桩承载力发挥机理和极限承载力及受力特性方面。 针对螺钉桩施工方面研究相对缺乏,氯盐-硫酸盐环境下螺钉桩施工方面更是罕有介绍。 为了确保螺钉桩成桩质量的可靠性,依托包银铁路项目,从螺钉桩打桩顺序、打桩速率、混凝土配比等施工关键技术及效果评价方面进行研究,以更好地指导复合地基施工,同时为同类项目施工提供经验参考。

1 工程概况

包银铁路作为我国“八纵八横”高速铁路主通道之一京兰通道的重要组成部分,是西北四省区与京津冀、东北地区旅客交流的主通道之一。 铁路银川至惠农段位于宁夏回族自治区石嘴山市、银川市境内,线路北起包兰铁路惠农站,经石嘴山市惠农区、大武口区、平罗县,自沙湖景区西侧约2.6 km 处通过,沿包兰铁路东侧南行经过贺兰县,接入在建银西高铁银川站高速场。

本段地基位于宁夏回族自治区石嘴山市星海湖东南侧,其处理范围为DK462+511.77 ～DK464+600。 涉及地层主要有第四系全新人工填土、冲击、粉土、湖积、沼泽地层。 岩性主要有粉质黏土、黏土、粉土、粉砂、细砂。 地下水埋深一般在0.4～4.4 m,土体含盐量高,氯盐环境作用和硫酸盐环境作用等级为L3 和H3,对混凝土腐蚀性较大,土体性质较差。 本段路基1 ～8 股道及旅客站台路堤地基均采用ϕ0.4 m、间距2 m、桩顶垫层厚0.6 m、桩长13～20 m 的螺钉桩复合地基,螺钉桩结构构造见图1。

图1 螺钉桩结构构造

1.1 螺钉桩施工工艺及设备

包银高铁路基工程螺钉桩施工采用JZU90 型螺钉桩钻机,输送泵采用HBT60 型输送泵。 根据螺钉桩现场施工需求,钻机、注浆机能满足现场施工质量要求和施工建设进度需求,螺钉桩施工工艺流程见图2。

1.2 螺钉桩施工主要过程

(1)施工准备

施工前,按照施工方案计划对钻孔进行放线,随后校正钻机塔身周边的垂直标杆,使钻杆位于桩位中心的正上方,使其垂直度偏差在1%以内,桩位偏差在5 cm 以内,施工准备主要过程见图3。

图3 施工准备主要过程

(2)桩身施工

钻头钻至设计深度时,进行提杆和泵送混合料,形成混凝土螺纹段桩身。 当桩身混凝土泵送至桩顶设计高程以上20～30 cm 时,对桩顶以下2.5 m 内混凝土进行振捣,以保障桩身强度,螺钉桩桩帽采用桩头前截法工艺,在浇筑完成以后,采取塑料膜覆盖对桩身进行养护,其施工主要流程见图4。

图4 桩身施工主要流程

2 螺杆桩关键施工工艺

2.1 施工顺序控制

挤土效应作为桩基施工中常遇到的问题,会导致桩周边土体的孔隙率、土体重度、黏聚力、饱和程度等发生改变,造成周边土体不均匀沉降,影响正常施工计划的进行。 螺钉桩作为一种异形混凝土桩,需采用带有自控装置的旋挤式钻机,其成桩过程中需进行取土,浇筑混凝土桩身及混凝土桩身的凝固过程也会挤压土体。 因此,在打桩过程中,需要着重考虑施工对桩身周的土体产生的挤密作用。

采用圆孔扩张理论来计算挤密区影响半径[6-9]。对周边土体做如下假定:土体是均匀的弹塑性材料,忽略其自身的自重,采用摩尔库伦理论进行计算,具体计算见图5。

图5 圆孔扩张理论假设示意

土体体积的改变是由弹性区和塑性区的体积变化共同决定的,有

式中,Δ为塑性区平均体积应变;up为塑性区外侧边界径向位移;为土体总体积变化;为弹性区土体体积变化;为塑性区土体体积变化。

经过整理推导,影响半径表达式为

王兴龙等认为,在施工中顺着打桩方向产生的土体水平位移和竖向位移为逆着打桩方向的3 倍[10],表明施工中土体的位移变化量受打桩顺序影响较大。 因此,打桩顺序可以在不同程度上控制土体的位移量,同时结合现场施工,最终采用桩间距2 m,正方形布置,由路基一侧向另一侧推进,螺钉桩施打顺序示意见图6。 经现场试桩,未出现串孔及桩体挤压破坏等不良现象。

图6 螺钉桩施打顺序示意

2.2 螺钉桩施工速度控制

打桩速率主要作用是减小土体产生的超孔隙水压力,从而降低对土体变形产生影响。 在沉桩过程中,土颗粒受到侧向压力挤压,沉桩速率如果过快,土体周边水不能快速排除,从而造成土体周边产生过大的压力,影响正常施工进度;若沉桩速率过慢,则在长时间的沉桩过程中,桩身周围土体会发生再固结现象,导致桩的下沉难度加大。 目前在土体理论中计算超孔压最常用的是 Henkel 公式[11],其主要的表达式为

式中,σ0ct为八面体正应力增量;τ0ct为八面体剪应力增量;β、αf为空间应力条件下孔隙水压力参数。

研究发现,打桩时土体中超孔隙水压力的消散速度远小于其增长速度,但在施工间隔期,土体的超孔隙水压力会发生回落[12]。 因此,在施工中可以通过控制打桩速率来降低超孔隙水压力对土体造成的影响。 因此,在本项目螺钉桩施工中下钻过程中,根据结合现场螺钉桩试桩施工记录情况和桩身质量检测的结果,建议钻进速度为2.5 m/min,而灌注和拔管的提升速度在2～2.5 m/min 之间。 此外,电流保持在100 ～130 A的范围内进行控制。

2.3 氯盐-硫酸盐环境混凝土配合比控制

研究混凝土结构的性能退化和寿命缩短是土木工程领域目前关注的重点问题,其中环境因素对混凝土有较大影响[13]。 混凝土受硫酸侵蚀是一个非常复杂的物理化学过程,影响因素可分为内部因素和外部因素(见图7)。

图7 硫酸侵蚀影响因素分析

硫酸盐侵蚀主要是硫酸根与水泥水化产物反应形成膨胀产物导致混凝土破损剥落[14-15]。 外界硫酸根离子进入混凝土后,首先会和氢氧化钙反应生成石膏,而后与部分铝相反应生成钙矾石[16]。 其主要反应式如下[17]。

钙矾石具有膨胀性,与孔壁接触时会产生膨胀内应力[18],导致混凝土膨胀开裂,从而使混凝土的力学性能(如强度等)降低。 而氯盐侵蚀是混凝土结构面临的一种常见损伤形式,其侵蚀速度受到多种因素的影响。 如氯离子浓度、环境条件、混凝土质量、龄期等,其主要影响因素见图8。

图8 受硫酸侵蚀的影响因素

氯盐侵蚀是导致氯盐环境下混凝土结构内部钢筋发生锈蚀的主要原因。 氯离子会扩散并在钢筋表面聚集,导致钢筋逐渐脱钝和锈蚀,并减少其截面积,降低结构构件的承载力和延性[19]。

由此可见,氯盐-硫酸盐环境是影响混凝土耐久性的重要因素之一,需要采取专门的防护措施来确保混凝土的使用寿命。 为了应对氯盐-硫酸盐环境的侵蚀,混凝土的配合比控制至关重要。 一般来说,采用高性能混凝土、控制水灰比、使用矿物掺合料等方法可以提高混凝土的抗侵蚀性能,同时还可以提高混凝土的力学性能和耐久性。

混凝土的密实度作为评判混凝土质量的重要依据,对提高桩身混凝土的抗盐侵蚀能力具有重要作用。在提高混凝土的密实度的同时,也会使混凝土的孔隙率下降,从而使侵蚀溶液不易通过孔隙渗透进入桩身内部,降低其与混凝土反应生成的有害产物,从而增强混凝土自身的强度,在氯盐-硫酸盐环境作用下抗开裂能力也就越强。 而混凝土的密实度又与混凝土自身水灰比有着直接的关系。

NEHDI 和 HAYEK 通过试验发现,水胶比越大,试件抗硫酸盐侵蚀能力就越差[20]。 方祥位通过试验得出,水胶比越大,胶砂比越小,则试件在硫酸盐腐蚀下破坏的速度就越快[21]。 大量实验研究表明,适当降低水胶比或者增大胶砂比可提高混凝土密实性,从而提高其抗硫酸盐侵蚀能力。

在螺钉桩混凝土实际施工中,按照现场施工需求,设计了3 种满足要求的配合比(见表1)。

表1 每立方混凝土拌和物材料用量

通过现场对3 种不同混凝土拌和物进行性能试验,得到结果见表2。 由表2 可知,通过适当调整水胶比及外加剂,混凝土的含气率、表观密度都有显著提升。 对2 号拌和物的耐久性进行测试,得到结果见表3,其56 d抗硫酸盐结晶破坏等级远大于普通规范要求值。

表2 混凝土拌和物性能结果

在满足现场施工要求的前提下,同时结合节约建设资金的原则,最终采用2 号配合比。 经施工现场实测,混凝土泵送性能良好,未出现堵管等质量问题,满足现场螺钉桩浇筑混凝土泵送需求。

3 施工效果及评价

3.1 螺钉桩单桩承载力分析

通过对螺钉桩试桩现场承载力检测,得到螺钉桩单桩承载力Q-S曲线,同时结合检测报告分析得出桩基沉降量和回弹量,见图9 及表4。

表4 桩基承载力检测

由图9 可知,在加载阶段,3 根试桩均呈现缓慢的线性变化趋势,无明显陡降;3 根试桩加载到设计承载力特征值的2 倍时,其最大累计沉降量均接近18 mm,最大回弹量平均值也接近在7 mm。 其中,48 号桩的累计沉降量和回弹量略低于3 根试桩的平均值。 另外,3 根试桩的承载力特征值大于单桩承载力设计值(228.15 kN),且最大累计沉降均小于允许沉降(40 mm)。 综合所述,3 根试桩承载力均达到预期设计要求,满足现场施工需要。

3.2 螺钉桩复合地基承载力分析

对6 根螺钉桩复合地基进行静载试验,加载到设计承载力特征值的2 倍,得到其沉降Q-S曲线及沉降回弹量(见图10)。

图10 螺钉桩复合地基承载力Q-S 曲线

由图10、表5 可知,螺钉桩复合地基承载力Q-S曲线呈规则排列,其6 号桩的累计沉降量最大值达到21.5 mm,最小值为18.86 mm,均小于规定要求值136 mm,最大回弹量在6～8 mm 之间,在规定时间内均能达到《铁路工程地基处理技术规程》的要求,并满足实际铁路中对复合地基承载力规定要求。

表5 复合桩基承载力检测

4 结论

螺钉桩复合地基作为近年来兴起的一种新型地基,已广泛应用于各实际工程中。 依托包银高速铁路螺钉桩施工关键技术进行研究,得到以下结论。

(1)挤土效应作为螺钉桩的施工过程遇到的主要问题,可以通过调整打桩顺序、打桩速率及混凝土配合比等措施来降低挤土效应对成桩身质量的影响。

(2) 采用高性能混凝土、控制水灰比、使用矿物掺合料等方法,可以提高混凝土的抗侵蚀性能,同时还可以提高混凝土的力学性能和耐久性。 通过现场施工结合质量检测表明,采用螺钉桩复合地基处理氯盐-硫酸盐环境土体取得预期效果,满足高速铁路路基沉降变形要求,同时具有较好的成桩质量和单桩承载力。