冲淤沉积层中新型咬合桩工法及应用摘 要:通过分析冲淤沉积层的特点和套管咬合桩的施工工艺,对套管咬合桩在冲淤沉积层中的扩径现象进行研究。指出在该地层中套管咬合桩施工产生扩径的主要原因是套管下沉对地层的扰动、周围土体向管内涌挤而产生的超挖和缓凝混凝土对地层的挤压扩张作用。提出利用水泥搅拌桩替代A序素混凝土桩,用有钢筋笼的B序桩咬合A序的水泥搅拌桩,形成钻孔桩咬合搅拌桩的一种新型咬合桩工法。该工法可以有效解决在冲淤沉积层中进行咬合桩施工时的扩径问题和止水问题。该工法在南京地铁西延线工程中得到应用,取得了较好的应用效果。关键词:基坑工程;咬合桩工法;冲淤沉积层;搅拌桩;钻孔桩 铁道第三设计院设计、中铁隧道集团有限公司承建的深圳地铁会-购区间隧道的围护结构是钻孔咬合桩在我国应用的第1个工程实例[1]。随后该工法在杭州解放路隧道工作井、南京地铁等工程中得到进一步的推广应用[2]。在工程实践的同时,相关研究人员对咬合桩围护结构的计算方法及参数选取、咬合桩的设计、施工工艺及相应的控制措施进行了较为全面的研究和总结[3—5]。该工法在软弱地层特别是冲淤沉积层中应用有其优势,但也存在一些问题[6—8]。文献[9—11]分别从桩的施工质量控制和变形预测方面做了相应的研究。本文从钻孔咬合桩施工工艺和扩径方面探讨新型咬合桩形式。1 冲淤沉积层中灌注桩的扩径机理1.1 咬合桩的扩径原因分析 全新世冲淤沉积层一般具有强度低、高含水量、高压缩性和高灵敏度的特点。咬合桩的施工工艺流程如图1和图2所示。
A桩为Ⅰ序桩,通常为素混凝土桩,B桩为Ⅱ序桩,通常为钢筋混凝土桩。由于B桩施工时要切割A桩,所以A桩的混凝土须缓凝,缓凝的时间应根据桩长和施工速度控制,一般在28~60h之间,咬合桩施工流程和时间关系如图3所示。 根据冲淤沉积层的特点和咬合桩的施工工艺,钻孔咬合桩成桩过程中导致扩径有以下3方面的原因:①套管下沉过程中对土层的扰动;②由于取土面与套管底口刃脚间的距离控制不当,导致周围土体向套管内涌挤而产生超挖,如图4所示;③缓凝混凝土的比重比周围土层大,缓凝时间较长的混凝土对周围土体存在挤压扩张作用,成桩之后的扩径照片如图5所示。
1.2 套管内土隆起引起的超挖量分析 如图4所示,由于套管内外压力差的存在,在成孔取土中很容易造成开挖面以下的土体因隆起而发生超挖。本文近似采用基坑抗隆起计算公式[12]计算安全系数ks。
若安全系数取ks=1.4,对一般的冲淤沉积层,c=10~20kPa,φ=5°~20°,取上述指标的均值,不同开挖深度时套管内土体的预留厚度如表1所示。随着开挖深度的增加,套管内所需的预留厚度也越大。在实际施工中,预留取土厚度一般只能控制在2~3m,所以当桩长超过10m时,总存在一定的超挖量,这部分超挖量将引起混凝土超灌,从而产生扩径现象。
1.3 缓凝混凝土的挤压扩径 由于A序桩的缓凝时间较长,同时混凝土的比重要比土层的比重大,混凝土凝固前将对周围的地层产生挤压作用,如图6所示。图中r1和r2分别为圆筒内径和外径;p为混凝土压力,MPa;q为土压力,MPa。本文借助小孔扩张理论[13]对这一问题进行求解。
式中:μ为土的泊松比;E为土的弹性模量,MPa;r为桩的半径,cm;C为土的不排水抗剪强度,kPa;k为水平抗力系数。 根据一般冲淤沉积层的物理力学指标,半径的扩张约5~10cm,这在工程中是一个不可忽视的量。2 钻孔桩咬合搅拌桩工法 冲淤沉积层中咬合桩因A序桩混凝土缓凝而发生的扩径问题,可以通过施工方法进行调整控制。文献[14]介绍了在软土地层中采用搅拌桩与钻孔灌注桩形成的复合式围护结构。其最初的设计思路是将搅拌桩作为止水结构设置在钻孔桩的外侧,由钻孔桩来承担坑外侧的土压力。本文根据搅拌桩的比重与土层的比重相近的特点,将A序桩改成水泥搅拌桩,用B序桩咬合A序搅拌桩形成钻孔桩咬合搅拌桩工法。钻孔桩咬合搅拌桩的平面布置如图7所示。由于B序桩中有钢筋笼,A序桩为水泥搅拌桩,在软土地层中不存在扩径问题,同时搅拌桩的存在还能制约B序桩的超挖,从而有效地解决扩径问题。
3 应用实例 南京地铁西延线的元—中区间地处南京的河西地区,在清代还是长江的漫滩,属全新世冲淤沉积层。区间隧道全长1152m,土层层厚及物理力学指标如表2所示。
由于区间隧道的开挖深度为9~11m,拟定的围护方式如图6所示,A序桩为 650mm水泥搅拌桩,B序桩为 800mm钻孔灌注桩,两相邻A序桩和两相邻B序桩的中心间距均为1050mm,实际咬合量为20cm,搅拌桩的水泥掺量16%,水灰比0.54。 隧道搅拌桩的最大优点是可以采用多台机具同时施工,加快施工进度。图8是钻孔桩咬合搅拌桩的实际效果,从中可以发现止水效果非常好,同时钻孔桩没有扩径现象。
5 结 论 钻孔桩咬合搅拌桩是针对冲淤沉积层的地质特性提出的新工法,其特点是充分利用搅拌桩的止水性能和钻孔桩的抗弯性能,可以避免钻孔咬合桩的扩径现象,也利于提高工效。但在施工中应注意对垂直度的控制。参考文献[1]王安龙.钻孔咬合桩———地铁工程围护结构新型式[J].现代隧道技术,2002,(9):51—58.[2]周顺华.我国城市轨道交通地下工程的施工技术现状与发展[J].城市轨道交通研究,2004,7(2):34—37.[3]郑剑升.咬合桩围护结构设计参数研究[D].上海:同济大学,2004.[4]姚燕明,周顺华,陈 力.钻孔咬合桩按刚度分配的计算方法[J].建筑结构,2003,33(11):25—26.[5]同济大学,中铁二局集团有限公司.全新世冲淤沉积层地铁车站及区间采用钻孔咬合桩围护结构的设计与施工技术研究[R].上海:同济大学,2004.[6]何泽刚.钻孔咬合桩围护结构施工工艺研究[D].上海:同济大学,2004.[7]周彦军.套管成孔灌注桩在公路软基处理中的应用[J].隧道建设,2004,24(2):56—57.[8]朱向荣,方鹏飞.深厚软基超长桩工程性状试验研究[J].岩土工程学报,2003,25(1):76—79.[9]宋 冶,高尔洋,马德云.广州地铁一号线车站深基坑支护技术述评[J].中国铁道科学,1998,19(4):64—74.[10]乔世范,方理刚,刘宝琛.GM(1,1)模型与指数模型在基桩沉降预测中的应用[J].中国铁道科学,2005,26(3):53—55.[11]贺玉龙,杨立中,郑永翔.声波透射法在旋喷桩复合地基加固效果评价中的应用[J].中国铁道科学,2003,24(5):44—47.[12]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.[13]王伟堂,裘华君.压桩挤土位移的预估与防治的研究[J].岩土工程学报,2001,21(3):378—379.[14]周顺华,余绍锋,吴海平.水泥土—灌注桩基坑围护结构的试验与现场实例[J].岩土工程学报,1998,20(2):290—292.
