浅析高速公路砼芯砂桩软基处理

长期以来工程建设中经常遇到大量的软土地基处理问题, 地基处理以控制稳定为目标, 目前软土地基处理方法主要有:堆载预压法、强夯法、水泥搅拌桩、粉喷桩、挤密砂石桩、C F G桩、现浇薄壁管桩、预制管桩复合地基法等。但是总体上, 复合地基法普遍存在加固工期长、工后沉降大、对填土要求严等问题;低强度桩复合地基方法普遍存在质量控制困难、加固深度浅等问题;高强度复合地基方法则存在投资较大等问题, 因此这些方法均有其适用范围。砼芯砂桩复合地基法能更好的发挥复合地基的作用, 砼芯桩起到竖向承载力的作用, 砂或石作为竖向排水体起到排水作用, 集桩基与排水于一体。

砼芯砂桩即以混凝土桩为芯, 密实的砂为外壳, 使用振动沉管机在土层中形成的桩。施工过程中会经常发生沉管无法进深、带桩、断桩、灌砂不密实、场地积水等常见问题, 正确解决常见问题有利于工艺改进提高经济效益。本文总结了砼芯桩的施工工艺、施工中的常见问题和处理方法, 希望能够为类似工程的施工和监理提供一些有用的经验和参考。

1 工程基本情况

1.1 工程概况

某高速公路的施工段落为:K63+046~K63+087, 长度为41m, 宽度为63m, 150m以外为居民住宅, 表面为回填土, 位于桥头, 该桥在建, 桥的部分桩基位于施工段内。该施工段采用砼芯砂桩复合地基法处理, 桩径为5 0 c m, 其中砼芯桩横截面为正方形, 边长20cm, 桩间距分别为2.1m和1.9m, 正三角形布置, 打桩深度为2 2 m, 打穿软土层进入下部硬土层。砼芯砂桩施工后, 在其顶部铺设一层土工格栅和5 0 c m厚的砂石作为褥垫层。砼芯砂桩的主要构造为:整个桩中心是一根预制混凝土桩 (砼芯桩) , 预制混凝土桩外围充满砂石, 两者结合起来就是砼芯砂桩。

本次沉管孔深2 2 m, 为便于运输和起吊时桩体不致断裂, 设计整桩由3根短桩连接构成, 每根预制桩长度为7.0 m, 预制桩尖长约50cm, 这样3根桩的总长为21.5m, 放入深为2 2 m的孔内, 桩头离地面孔口还有约5 0 c m, 待拔管后灌入碎石压实, 可防止大间距情况下在上部荷载作用下预制桩体向上产生刺入破坏。

1.2 地质条件

该高速公路施工段属冲湖积平原工程地质, 浅表层广泛分布冲、湖积1-2层软土, 局部分布有2-2层中深层软土, 间夹1-2 a层软弱土层, 局部夹松散~稍密状态砂土或粉砂, 经判别具有轻微液化潜势。

1.3 施工机械

该工程采用振动沉管机, 施工机械沉重高大, 锤头电机功率为7 5 k w双振动锤步履式振动沉管机和电机功率为9 0 k w双振动锤轴管式振动沉管机。这两种机械打桩原理一样, 由于锤头电机功率和移机方式不同, 克服沉管受到的侧摩阻力之能力、成桩效率、移机就位速度也不同, 后者优于前者。前者电机功率低、沉管冲击力小, 但可以原地旋转3 6 0度, 施工较灵活, 占地小;后者锤头电机功率大、机械底盘宽大、横向移动速度快, 便于流水施工。前者可改装锤头、电机和偏心块等方法提高工作效率。

1.4 施工工艺

(1) 施工准备:根据施工场地形状、大小、交通情况等因素, 综合规划场地使用和平面布置。充分利用施工便道, 将料场放到场地内, 预制桩和砂石料靠近施工便道分开堆放, 充分利用现场和材料, 减少二次搬运, 降低工人的劳动强度。于醒目位置设置料牌、宣传牌等标识牌, 做到文明施。明确施工方案、打桩顺序, 为下道工序施工做好准备。

(2) 施工放样:以先放样先施工, 由外向里为原则, 根据设计图纸、施工方案放出施工区域外边线, 在区域外线上的各角点、中点位置设置控制桩位, 并将控制桩位引到场地外重点保护, 避免被破坏。根据施工计划和打桩顺序放出区域内的桩位, 先放样、施工靠近施工便道的区域和桩位, 施工后的区域可作临时料场。

(3) 桩机就位:现场设置专门指挥人员指挥桩机施工。沉管中心对准桩位中心, 水平距离偏差不应超过5 c m, 调整沉管与地面垂直, 垂直度偏差不大于1%。

(4) 成孔施工:待桩机按要求就位后, 放松锤头, 使锤头通过自重及与锤头连接的起静压作用的卷扬机施加的静压力, 将直径450mm的空心钢管 (即沉管) 逐渐沉入到地基中设计深度, 必要时启动锤头电机振动成孔或振动加静压成孔。由于成孔方法受深层地质影响较大 (尤其遇到硬的夹层) , 往往成孔至一定深度时, 即使是采用振动加静压的成孔方法, 孔深也很难进深, 影响成孔效率。通过现场两种桩机对比试验可以看出大功率 (9 0 k w) 锤头成孔效率明显优于小功率 (7 5 k w) 锤头, 省时、省力。

(5) 吊桩、接桩:利用小卷扬机从塔架顶部将20cm×20cm的预制钢筋混凝土方桩吊起并穿过振动锤中间的定位孔放入沉管, 待预制桩上端于锤头外剩余5 0 c m~6 0 c m时固定, 准备接桩。接桩的方法有焊接法和钢板螺栓连接法。对比不同的接桩方式, 焊接、钢板螺栓连接都是可行的, 焊接工时长成本低, 钢板螺栓链接用钢量大成本高但速度快。

(6) 投料、拔管:接桩后将预制桩整体送入沉管中, 固定桩身于沉管中心, 从投料口灌入中粗砂 (或其他透水材料) , 一般情况下先灌入三分之一桩长的砂, 启动电机开始振动、拔管, 当沉管中砂料剩余50cm左右时开始投料, 直至形成砼芯砂桩。拔管速度应按匀速控制, 控制在1.2m/min~1.5m/min左右。

(7) 整理资料:施工记录资料整理是工程施工过程中的一项重要工作, 它是工程质量验收、工程计量的依据, 也是施工进度控制、施工质量控制的重要参考。除常规的申请和报验资料, 还有打桩施工纪录, 记录内容主要有沉管成孔时间、沉管深度、吊接桩时间、预制桩长、投料量、投料时间、拔管时间、成桩深度等。

2 施工安全

砼芯砂桩过程中空中走料和高处作业多, 应高度重视施工安全, 加强施工前和施工过程中的事故预防和处理。认真检查各种施工机械、设备、材料和施工人员的安全状态, 尤其是桩机安装是否牢固, 卷扬机和钢丝绳是否联结牢固, 钢丝绳是否有断丝情况, 是否被足够的钢丝扣拧紧拧牢, 电线电缆是否老化漏电, 电源是否做到保护等。整个施工过程中, 服从指挥人员指挥, 除操作人员, 其他人员必须站到桩机两侧7 m外, 非施工人员不得进入现场。

3 结语

砼芯砂桩施工技术在高速公路工程软土地基中应用首例, 经过多次反复试桩, 解决了未曾预见带桩、灌料密实性、工效低等问题。优化施工方案持续改进加强管理将大大提高施工质量、加快施工进度、保证施工安全, 提高经济效益。

摘要：砼芯砂桩处理深厚软基国内外尚属首例, 正确解决常见问题有利于工艺改进提高经济效益。砼芯砂桩是以混凝土桩为中心, 砂为外壳并密实的将混凝土桩包围起来, 使用振动沉管机在土层中形成以混凝土桩为芯的砂桩。施工过程中会经常发生沉管无法进深带桩、灌砂不密实、场地积水等现象, 但是只要施工前进行充分的质量控制准备, 施工过程中采用合理的施工方法, 施工后适当的处理即可以避免上述问题的发生。

关键词：砼芯桩,沉管,带桩