沉管灌注桩和钻孔灌注桩的组合应用研究

吴 玺

随着世界船舶修造产业的东移,给中国船舶工业的发展提供了良好的发展机遇。在美好行业前景和巨大利益的驱动下,近几年国内新增造船企业也日益增多,江苏、浙江等地的船厂纷纷扩建、新建船台。原来的船台[1,2]在浙江如舟山、象山、三门等沿海地区在建或拟建的2万t级、3万t级斜坡式船台数量较多。振动沉管灌注桩因其工效高和造价低廉,在国内外工程界得到广泛运用。但是,由于其成孔、灌注混凝土、成桩都处于隐蔽状态,质量难以控制。若某一工程桩达不到设计要求,就会造成建筑物的不均匀沉降。因此,必须严格遵照施工规范、施工工艺进行施工,而且要特别注重对工程桩的质量检测。否则,即使是装备齐全、经验丰富的施工单位也会因各种因素的影响而发生工程事故,从而影响整个工程的经济效益。

1 工程概述

沉管灌注桩又称为打拔管灌注桩,是利用沉桩设备,将带有钢筋混凝土桩靴(活瓣式桩靴)的钢管沉入土中,形成桩孔,然后放入钢筋骨架并浇筑混凝土,随之拔出套管,利用拔管时的振动将混凝土捣实,便形成所需要的灌注桩。利用锤击沉桩设备沉管、拔管成桩,称为锤击沉管灌注桩。利用振动器振动沉管、拔管成桩,称为振动沉管灌注桩。按作用分为挤密桩、摩擦桩和端承桩。

为了提高桩的质量和承载能力,沉管灌注桩常采用单打法、复打法、翻插法等施工工艺。单打法(又称一次拔管法):拔管时,每提升0.5 m～1.0 m,振动5 s～10 s,然后再拔管0.5 m～1.0 m,这样反复进行,直至全部拔出;复打法:在同一桩孔内连续进行两次单打,或根据需要进行局部复打。施工时,应保证前后两次沉管轴线重合,并在混凝土初凝之前进行;翻插法:钢管每提升0.5 m,再下插 0.3 m,这样反复进行,直至拔出。

沉管灌注桩以其成桩效率高、承载力强、工程成本低、桩长控制灵活等优点而得到广泛地应用。一般适用于黏性土、淤泥、淤泥质土、粉土、湿陷性黄土、稍密及松散的砂土。但是,它的施工工艺较复杂,稍有疏忽就会导致各种施工质量问题[3-5]。

2 材料及施工

1)水泥:425号及其以上的硅酸盐水泥、普硅、矿渣、火山水泥。水泥进场时应有出厂合格证明书。施工单位应根据进场水泥品种、批号进行抽样检验,合格后才能使用。水泥如存放时间超过三个月,应重新检验确认符合要求后才能使用。

2)中粗砂:采用级配良好、质地坚硬、颗粒洁净的河砂或海砂,其含泥量不大于3%。

3)石子:采用坚硬的碎石或卵石,最大粒径不宜大于40 mm,且不宜大于钢筋最小净距的1/3,其针片状颗粒不超过25%,含泥量不大于2%。

4)钢筋:钢筋进场时应有出厂质量合格证明书,应检查其品种规格是否符合要求及有无损伤、锈蚀、油污,并应按规定抽样,进行抗压、抗弯、焊接试验,经试验合格后方能使用(进口钢筋要进行化学成分检验和焊接试验,符合有关规定后方可用于工程)。钢筋笼的直径除应符合设计要求外,还应比套管内径小60 mm～80 mm。

5)桩尖:一般采用钢筋混凝土桩尖,也可用钢桩尖。钢筋混凝土的桩尖强度等级不低于C30。其配筋构造和数量必须符合设计或施工规范的要求。

振动锤击沉管灌注桩施工中常见的缩颈、桩体夹泥、断桩、吊脚桩、钢筋笼下沉或上浮等质量通病的出现原因、预防措施。

振动沉管灌注桩能适应复杂的地层,不受持力层起伏和地下水位高低的限制;能够用小桩管打出大截面桩,有较高的承载力;由于有套管护壁,可防止坍孔、缩孔、断桩,桩质量可靠;在砂土中可减轻或消除地层的地震液化性能;它能沉能拔,施工速度快,效率高,操作方便,安全,费用也较低。但是正是由于其能沉能拔,施工速度快,效率高,故在施工中也容易出现问题。

动静测结合法评价基桩受力特性,以反映工程质量情况。一般沉管灌注桩的长度不宜大于18 m。在具有保证桩身质量的可靠措施和成熟经验时可适当加长但不应大于25 m,本文阐述了在特殊情况下,行之有效的质量监测和可靠的施工措施成功地将36 m超长沉管灌注桩施工完毕。

1)测量放线:根据桩位平面图,建筑物控制点、水准点测量放线,精确施放桩位,测量场地标高,确定成桩长度。桩间距根据设计要求的复合地基承载力,桩间土的性质,宜取3倍～6倍桩径。

2)桩孔就位:桩机就位后,首先调平桩机,由专人负责桩管垂直对准桩位中心,确保桩孔垂直偏差小于1%。

3)成孔:固定合龙管尖活叶,管尖对准桩位缓慢平稳沉管,发现沉管偏移,及时采取措施纠正,通过桩机电流大小或贯入度控制好成孔深度。

4)混凝土搅拌:依据设计配合比配制混凝土料,设专职搅拌工准确计量,严格控制搅拌时间和混凝土坍落度。

5)提管成桩:在沉管深度符合要求后,管内加入混凝土料,按规定的拔管速度(一般为1.2 m/min～1.5 m/min左右)拔管,同时进行一定的反插控制好混凝土料用量,确保成桩长度符合要求。

6)褥垫层的铺设:桩施工、检测完成后,按设计要求虚铺一定厚度的垫层材料,采用12 t压路机静力压实,对机械无法压实的部位用人工夯实。褥垫层的厚度一般为100 mm～300 mm,褥垫层材料宜用粗砂、中砂、级配砂石或碎石,最大粒径不宜大于30 mm。

沉管桩施工:

1)试桩:为了根据桩的设计承载力,确定桩的入土深度;确定合理的拔管速度和充盈系数,在相同的地质条件下,试桩不少于2根。在软基段上根据设计文件和地质条件合理选择试桩的位置,并机具就位。采用单打法进行沉桩作业,作业过程中根据沉管速度和电流变化确定地层地质变化情况。沉管至持力层标高或设计标高后,根据沉管时确定的地层地质变化情况,初步拟定拔管速度。在拔管过程中及时测定推算各种地层混凝土的充盈系数,在不能满足要求时及时采取补救措施。试桩施工完成后,根据试桩确定的施工工艺和参数进行沉管桩的施工。

2)测量放样:为使桩位放样准确,减少中间环节及受地形条件的影响,预应力管桩施工采用桩位坐标点放样,首先根据计算的坐标引出桩基轴线;桩基轴线的定位点位置在不受打桩影响的地点,并在施工过程中作系统的检查。

3)沉桩顺序:主要采用逐排沉桩的方法,沉桩过程中要边退边打,避免桩机移动时扰动已施工的桩位。

4)施工方法及工艺流程:

a.设置桩尖和桩管:按照施工放样的桩位中心,先设置预制钢筋混凝土桩尖。桩架安装必须水平,桩管应垂直套入桩尖,二者在同一轴线上。b.沉管:在振动沉管过程中,不得有偏心,并随时检查预制钢筋混凝土桩尖有无破损,桩管有无偏移或倾斜,若有上述情况应立即纠正。桩管内不允许进入水或泥浆,当有水或泥浆进入时,应灌入1.5 m高的封底混凝土后再开始沉桩。c.灌注混凝土:每次向管桩内灌注混凝土时应尽量多灌,用长桩管打短桩时,混凝土可一次灌足;打长桩时第一次灌入桩管的混凝土应尽量灌满。第一次拔管高度应控制在能容纳第二次所需要灌入的混凝土量为限,不宜拔得太高。在拔管过程中应设专人用测锤检查管内混凝土面的下降情况。d.拔管:开始拔管时,应测得混凝土确已流出桩管后,才可进行继续拔管。由于采用了预制桩尖振动沉入的桩管,应先振5 s～10 s再开始拔管,边振边拔。每上拔1 m,应停拔并振动5 s～10 s,如此反复操作至桩管全部拔出。拔管速度应控制在0.8 m/min以内。e.桩帽:管桩打设完成后,按设计图纸要求设置桩帽钢筋,支立模板,浇筑桩帽混凝土,及时覆盖养护。

3 质量保证措施

1)施工前应复核测量基线、水准基点和桩位。桩基轴线的定位点及施工地区附近所设的水准点应设置在不受桩基施工影响的地方。2)沉桩设备就位后必须平正、稳固,确保在施工中不发生倾斜、移动。为准确控制沉桩深度,应在机架或桩管上标志醒目的深度标记。桩身必须垂直。应在机架上相互垂直两面上分别设置两个0.5 kg重的吊线锤,并画上垂直线。3)沉管灌注桩施工中,应注意观察桩顶和地面有无隆起及水平位移情况,并应及时研究,采取措施。4)沉桩过程中桩突然下沉或不能下沉时,可能桩尖损坏或遇到地下障碍物,应及时将桩管拔出,进行研究处理后,重新插入进行施工。5)检查成孔质量合格后应尽快灌注混凝土。在灌注过程中应用测锤测定混凝土的灌注高度,以检查灌注质量。灌注充盈系数不得小于1。6)加强施工管理,密切注意桩身混凝土有无发生缩颈及断桩等现象,若有发现应立即采取反插法或复打法及时处理。

[1] 朱崇诚,李越松,王笑难.灌注桩在码头结构加固中的应用[J].水道港口,2008(10):358-361.

[2] 吴春秋,安旭文,张 伟.大直径嵌岩灌注桩承载力性状的试验研究[J].建筑结构,2004(9):21-28.

[3] JTJ 291-98,高桩码头设计与施工规范[S].

[4] JTJ 254-98,港口工程桩基规范[S].

[5] JTJ 285-2000,港口工程嵌岩桩设计与施工规程[S].