y型樁沉管灌注樁處理橋頭軟基施工總結(jié)報告

Y形沉管灌注樁處理橋頭軟基科研項目xx年階段總結(jié)報告一、前言Y形沉管灌注樁是一種派生于傳統(tǒng)沉管灌注樁的異形灌注樁。其斷面形狀為三段弧線弧面向內(nèi)組成的曲邊三角形，它采用普通沉管樁的成樁工藝，僅將原有原管形樁模改為Y形樁模，這樣既保持了沉管灌注樁施工快捷、價格低廉的優(yōu)勢，又發(fā)揮了等截面積非圓形樁側(cè)表面積增大、摩阻力提高的特點，經(jīng)理論計算，側(cè)摩阻力提高量可達60%。從而在等工程量的前提下大幅提高了樁基的承載能力，降低基礎造價，是一種較好的新型樁基施工方法。xx省地處我國東南沿海，為軟土廣泛分布地區(qū)，除中西部為內(nèi)陸丘陵地區(qū)外，其余地區(qū)均為軟土分布地區(qū)，因此，XX省高速公路均不同程度穿越軟土地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計有近70%里程的高速公路鋪筑在軟土地基上，軟土地基處理已成為XX省高等級公路建設中一個較為突出的問題。XX省軟土地基與其他沿海地區(qū)相比較，其更為突出的問題是多數(shù)屬于深厚軟土，XX省沿海的甬臺溫及湖州地區(qū)不但軟土層深厚，而且軟土的力學指標極差。高速公路橋頭對路堤沉降的要求非常高，橋頭差異沉降引起的橋頭跳車是高速公路建設中的一個老大難問題。近年來，XX省一直在探索處理高速公路軟基的技術措施。從XX高速公路二期、XX城南線采用薄壁筒樁作為路堤樁取得了經(jīng)驗，到XX高速公路拓寬工程中采用預應力管樁樁式路堤處理橋頭軟基也取得了初步成果，但造價均相對較高。而振動沉管灌注樁由于本身具有較好的性能價格比，用振動沉管法澆筑Y形樁又進一步通過增大側(cè)表面積能大幅提高單樁承載力，為優(yōu)化尋求較好的路堤樁型，有必要對Y形沉管灌注樁進行深入研究。Y形沉管灌注樁是將國外先進的Y形樁設計理念和國內(nèi)的傳統(tǒng)沉管灌注樁工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，在經(jīng)過一系列單樁承載力試驗后該項科研成果于2002年初通過了浙江省科技廳組織的專家鑒定，中央電視臺《科學調(diào)查》5月對此進行了專訪，并制作了《轉(zhuǎn)化的路有多長》專題節(jié)目在科技頻道播出“異形灌注樁確有一定優(yōu)點，在適當條件下可與預應力管樁和鉆孔灌注樁競爭”。有關材料引起省政府和省交通廳領導高度重視，當即安排在正要開工的XX高速公路工程先行試驗。本次科研項目由我公司牽頭，課題研究組由湖州指揮部、XX省交通規(guī)劃設計研究院、XX大學、XX高速公路XX合同項目部、XX駐地監(jiān)理工程師辦公室聯(lián)合組成。本次試驗系結(jié)合XX高速公路工程，通過現(xiàn)場成樁工藝研究對施工工藝及質(zhì)量控制等問題作初步探索，而后進行現(xiàn)場測試及理論分析，對采用Y形沉管灌注樁的路堤的變形、固結(jié)、穩(wěn)定等問題進行研究，并檢驗其處理效果。二、試驗項目概況XX高速公路一期工程的線路，基本上是沿著XX南岸自東向西而行，沿線水網(wǎng)交織，地質(zhì)情況較為復雜，全線軟基路段達20.796公里，占路線總長的34.16%，為了認真克服公路建設的三大質(zhì)量通病，切實處理好本工程項目的軟土路基，在工程設計時，認真吸取了其他高速公路的建設經(jīng)驗，更廣泛地應用了新技術和新工藝。其中“Y型沉管灌注樁”系在國內(nèi)首次使用的新技術。由于此前Y形沉管灌注樁僅在工民建工程中作為試樁進行過試驗，未曾在實際工程中應用過，在實際施工中Y形樁的成樁工藝，包括樁模結(jié)構(gòu)，樁尖形狀，打設時提高速度等參數(shù)，特別是三個凸角的充盈情況等，均有待于工程實踐的檢驗及完善，同時Y形沉管灌注樁在高速公路中作為路堤樁首次應用，其設計計算理論及其他參數(shù)均有待于研究，故決定先在具有代表性的路段小規(guī)模試用，根據(jù)已有的預應力管樁設計修改使用，樁間距仍采用2.2m和2.7m兩種。設計概況根據(jù)沿線地質(zhì)情況，選取XX高速公路K24＋080～K24＋155和K24＋959～K25＋049兩橋頭路段采用Y形沉管灌注樁，填土平均高度為3.7米和5.1米，其中K24＋080～K24＋113和K24＋113～K24＋155兩路段的設計樁距和樁長分別為2.2m/19m、2.7m/16m、2.2m/15m；設計樁身砼標號為C25，樁身截面面積為0.191m3，周長2.143m，樁帽采用直徑1.4m，厚度0.35m的C25鋼筋砼澆筑，樁帽頂面鋪設一層剛塑格柵，要求延伸率小于3%，抗拉強度大于60KN/m。兩個橋頭路段Y形樁設計共1591根、共27368米，設計圖紙詳見附件一。2、地質(zhì)概況（1）K24＋080～K24＋155路段該路段表層為2.5～3.0m厚的軟塑亞粘土I1，上部為16.0m左右厚的湖沼積淤泥質(zhì)亞粘土Ⅱ3，為本路段的主要軟土層，中部為13.0m左右厚軟塑偏硬狀粘土IV1，中下部為厚5～9m軟塑粘土，為第二軟土層，下部為亞粘土V4，其具體物理力學指標詳見表1表1試驗路段K24＋080～K24＋155路段物理力學指標表分層代號巖土名稱土層厚度天然含水量W（%）孔隙比e0塑性指數(shù)IP（%）滲透系數(shù)Kv/Kh(㎝/s)壓縮模量Es(Mpa)固結(jié)系數(shù)Cv/Cb(㎝/s)抗剪強度指標固結(jié)快剪快剪Ccu(Kpa)Φcu(°)Cuu(Kpa)Φuu(°)I1亞粘土2.5～3.0027.20.80611.57.5E—65.8E—65.3040.812.4Ⅱ3淤泥質(zhì)亞粘土15.0～166.548.41.31816.50.50E—550.88E—552.071.22E—331.05E—339.93.720.08.5Ⅳ1亞粘土12.0～133.227.80.78210.05.9430.214.549.05.7Ⅳ5淤泥質(zhì)亞粘土5.0～6.5542.31.17620.54.620.62E—330.65E—3329.36.3Ⅴ4亞粘土8.0～10..031.70.87712.67.5040.96.5（2）K4＋959～K25＋049路段該路段表層為1.7～2.8m厚的軟塑亞粘土Ⅱ，上部為2.0～4m厚的淤泥Ⅱ3和9.0～11.2m厚的湖沼積淤泥質(zhì)亞粘土Ⅱ3，為本路段的主要軟土層；中部為9.6～12.4m厚硬塑狀粘土Ⅳ1；中下部為厚3～4m的亞砂土；下部為厚3～6m亞粘土Ⅳ4，其具體物理力學指標詳見表2表2試驗路段K24＋959～K25＋049路段物理力學指標表分層代號巖土名稱土層厚度天然含水量W（%）孔隙比e0塑性指數(shù)IP（%）滲透系數(shù)Kv/Kh(㎝/s)壓縮模量Es(Mpa)固結(jié)系數(shù)Cv/Cb(㎝/s)抗剪強度指標固結(jié)快剪快剪Ccu(Kpa)Φcu(°)Cuu(Kpa)Φuu(°)I1亞粘土1.7～2.8828.30.79611.540.817.3Ⅱ3，淤泥2.0～4.0059.91.68719.90.50E—550.88E—550.43E—330.88E—3314.812.321.52.5Ⅱ3淤泥質(zhì)亞粘土9.0～11..233.00.93318.776.39.5Ⅳ1亞粘土9.6～12..449.31.38218.70.62E—330.65E—3312.012.018.37.5Ⅳ5，亞粘土3.0—4.0028.50.8018.528.424.0Ⅳ4亞粘土3.0～4.0035.50.96414.113.013.031.99.9Ⅳ3粘土1.2—6.5542.33、設計理論沉降值試驗路段設計提供的路面頂理論工后沉降值如下：斷面（樁號）Y1（K24＋1000左右）Y2（K24＋1344左右）Y3（K24＋9744左右）Y4（K25＋0044左右）Y5（K25＋0344左右）設計理論沉降值（㎝）6.59.65.79.25.34、經(jīng)濟比較XX高速公路橋頭軟基處理設計的路堤樁主要采用Φ300㎜和Φ400㎜預應力管樁、薄壁筒樁和Y形樁。但由于工程地質(zhì)復雜，軟土深度變化較大，而預應力管樁一般按廠家定尺規(guī)格長度生產(chǎn)，不能與現(xiàn)場實際工況相符，大面積截樁易造成浪費，故在施工階段將設計樁長在15米以內(nèi)的預應力管樁變更為Φ377㎜普通沉管灌注樁。經(jīng)經(jīng)濟比較，Y形樁造價低于預應力管樁和薄壁筒樁，僅略高出Φ377㎜沉管樁，這是由于Y形樁的樁間距尚未與其承載力相應作出調(diào)整之故，Y形樁單樁承載力一般可超出Φ377㎜沉管樁一倍以上，而樁間距只增大了10%。樁的承載力尚未得到充分發(fā)揮，與預應力管樁相比較造價降幅不大的原因也在于此，如果樁間距能調(diào)整到2.5m—3.0m，造價降幅將能達到初設時的預期值（即節(jié)省20—25%，見下表中右下黑體數(shù)字）。本工程中幾種型式路堤樁經(jīng)濟比較表普通沉管樁預應力管樁薄壁筒樁Y形樁樁徑（㎜）Φ377Φ400Φ1000Φ490截面（㎡）0.1120.350.19單價（元/延米米）72110180102樁間距（㎡）2.02.22.22.72.53.02.22.72.53.0控制面積（㎡）4.04.844.847.296.259.04.847.296.259.0單位面積造價（元元/㎡）18.014.822.715.028.820.021.014.016.311.3三、工藝參數(shù)試驗及施工情況砼充盈工藝控制參數(shù)試驗2003年6月2日在K24＋080～K24＋155段進行試樁，采用DZ—90振動沉管打樁機進行施工（見下圖）。首次試打6根樁，開始按一般沉管灌注樁工藝操作，砼充盈很大，單樁理論體積3.6㎝3，最多一根樁灌入砼竟達6m3之多，且樁頂均未達到設計標高，與原地面相差1米多，充盈系數(shù)超過1.8。經(jīng)各方研討后，認為主要原因是由于地質(zhì)條件太差，管內(nèi)外砼面高差太大，以及樁機的振動影響所造成的。2003年6月8日至6月15日通過逐步調(diào)整工藝參數(shù)繼續(xù)試樁。根據(jù)少擾動土層、低砼灌壓的原則，采取先將樁管振動穿透表層硬土后改為靜壓沉管，在樁架抬起后再振動沉管至設計高程，砼灌入后振動拔管，拔起7～8m后將連續(xù)振動改為間歇振動。拔管采取加一斗料拔一段管，保持管內(nèi)砼面不高過地面2.5～3m，坍落度控制在13—15㎝，拔管速度1.5～2m/min能順利成樁，且充盈系數(shù)保持在1.25以內(nèi)。工藝措施經(jīng)歸納總結(jié)為“靜壓貫入、輕振拔出、分級加料、逐斗提升”。試樁階段結(jié)束后科研小組及時召開專題會議，確定改進下達了施工作業(yè)指導書，規(guī)范了以后Y形沉管灌注樁的大面積施工。K24＋080～K24＋155和K24＋959～K25＋049兩段Y形沉管灌注樁施工時間從6月中旬開始，至10月23日全部完成。K24＋080～K24＋155段Y形樁施工打設深度與設計相符為19米；K24＋959～K25＋049段Y形樁因地質(zhì)情況變化，實際打設深度為13.5米，兩個橋頭路段實際打設Y形樁1581根、共24895米。不同樁模結(jié)構(gòu)及樁尖形狀的對比試驗本次試驗成樁工藝研究中對樁模和樁尖也進行了研究。樁模是對有無中隔板的兩種樁模進行耐久性試驗，而樁尖則主要對有尖頭和無尖頭兩種樁尖進行現(xiàn)場適應性選用。樁模的主要作用是與樁尖共同在地層中擠出空間供樁體砼材料置換，在拔出過程中又要儲存待灌砼。樁模打入地層后，模內(nèi)尚未灌入砼之前，空模必須承受模外土壓力，此時樁模處于被壓縮狀態(tài)。而在拔出樁模澆灌砼時，樁模內(nèi)儲存的流態(tài)砼面高出地面，此時砼壓力是向模外擠漲的，在整個工作過程中樁模處于壓縮→擠漲→壓縮的交變荷載下，根據(jù)這樣受力情況分析，Y形樁樁模與圓管樁模應有不同的結(jié)構(gòu)。因為圓管樁模無論在受壓縮受擠漲時都是均勻受力狀態(tài)，無應力集中問題。而Y形樁模則在受壓縮時模板內(nèi)凹，受擠漲時模板外凸，交變應力集中于尖角焊縫處，導致模板容易產(chǎn)生疲勞破壞。所以Y形樁模結(jié)構(gòu)為適應這種受力特點，在樁模內(nèi)距三個尖角頂端一定距離設置三條中隔板，其作用除使模板主跨兩端由簡為固端改變節(jié)點處的受力狀況之外，還減少模板受彎支點距離，增加模板剛度，大大增強了樁模的強度。（圖1）為了驗證中隔板的作用，試驗先用一付無中隔板樁模試打，整根樁模累計打了不到一百根樁，樁模經(jīng)多次修補而終于報廢，而采用中隔板的樁模自開始使用至試驗結(jié)束，兩付樁模各打了七百多根樁，從未出現(xiàn)焊縫開裂問題，試驗結(jié)果證明中隔板的作用是明顯的。關于樁尖的試驗主要分為預制和施工的現(xiàn)場工藝適應性比較，分別制作了帶尖頭的樁尖（圖2）和小平底樁尖（圖3）兩種樁尖，它們中上部形狀是一樣的，區(qū)別在于下部一種有尖頭，一種采用小平底加三條線狀刃口，具體形狀見照片，由于帶尖頭的樁尖預制時需將模具翻轉(zhuǎn)脫模養(yǎng)護，尖頭必需朝上才能放穩(wěn)，而小平底樁尖無需翻轉(zhuǎn)，可就地脫模。從使用角度看，尖頭樁尖需挖坑埋設，而小平底樁尖能水平放穩(wěn)，無需挖坑。定位效果兩種樁尖相差不多，都能滿足工程要求，但平底樁尖穿透能力不如尖頭樁尖。使用效果見下表特點尖頭樁尖小平底三刃樁尖尖預制需翻模養(yǎng)護無需翻模養(yǎng)護埋設需挖坑埋設，和和樁模套合合不便無需埋設，和樁樁模套合方方便定位效果一樣施打穿透力強穿透力梢差根據(jù)樁模和樁尖的對比試驗得到以下結(jié)論：1.Y形樁模在超過10m以上深度時，樁模內(nèi)設置中隔板是必要的，中隔板距尖角距離以不少于5㎝為宜。2.小平底三刃樁尖能滿足Y形樁定位導向要求，制作和埋設都較尖頭樁尖方便，而尖頭樁尖穿透能力略優(yōu)于小平底樁尖。四、質(zhì)量控制情況對Y形沉管灌注樁的成樁質(zhì)量采用了低應變動測、單樁承載力試驗等檢測方法。目前樁基施工已經(jīng)結(jié)束，檢測單位對部分基樁進行了檢測。兩路段低應變動測檢測數(shù)量為180根，檢測頻率為11.4%（技術規(guī)范檢測頻率為10%），其中I類樁118根，占總檢測樁數(shù)的65.7%，Ⅱ類樁30根，占總檢測樁數(shù)的16.6%，Ⅲ類樁經(jīng)開挖驗證主要是樁頭以下1米左右存在裂縫。在檢查完完整性之后，隨機抽取了第一批8根樁進行了單樁承載力靜載試驗，測試結(jié)果見下表：第一批靜載荷試驗匯總表里程號現(xiàn)場樁號設計樁長（m）設計極限承載力力（KN）極限承載力（KKN）樁頂沉降量（㎜㎜）K24＋0800～K24＋11210—619.060042044.8312—519.060024029.76K24＋1122～K24＋1559—1019.0600﹥6006.824—619.060018026.0212—719.060018043.90K24＋9599～K24＋98913—813.550018027.97K24＋989～K255＋01910—613.5500﹥6006.05K25＋019～K255＋04915—913.550036032.55第一批8根Y形樁靜載荷試驗中有6根不符合設計要求，且出現(xiàn)了4根樁的極限荷載嚴重偏低、測試結(jié)果離散較大的現(xiàn)象，表面看似被測樁體承載力不足，但經(jīng)觀測被壓沉陷的樁帽明顯傾斜，據(jù)此推測樁帽與樁體結(jié)合部的混凝土已經(jīng)破壞，經(jīng)開挖檢查后實際情況證明確實如此，樁體并未沉降產(chǎn)生刺入破壞，而只是樁帽發(fā)生了沉陷位移。進一步分析破壞原因主要是成樁后澆筑樁帽時，同心度不夠，偏心荷載使樁頂端混凝土破壞所致，同時沉管灌注樁本身的工藝特性就存在樁頂浮降、部分混凝土質(zhì)量較差的特點，其他灌注樁也存在這個通病，并非是由于Y形這種樁形的改變所造成的，從動測結(jié)果來看Y形樁的成樁完好率反而明顯高于普通圓形沉管樁。據(jù)此，我們又召開了專題會議，決定部分承載力嚴重偏低的4根樁樁帽鑿除，重新做何在試驗，并選取了部分未澆筑樁帽的樁（13—12、14—1、14—14、14—1）和已澆筑樁帽的樁（12—7、10—6）做了荷載試驗，結(jié)果如下：第二批靜載荷試驗匯總表里程號現(xiàn)場樁號設計樁長（m）設計極限承載力力（KN）極限承載力（KKN）樁頂沉降量（㎜㎜）K24＋0800～K24＋11213—1219.0600﹥120013.3712—719.060072033.2014—119.060040022.5710—619.060064030.2712—519.060036015.60K24＋1122～K24＋1554—619.060084023.7112—719.0600﹤24036.57K24＋9599～K24＋98914—1413.550024032.7414—113.5500﹥120019.70K25＋019～K255＋04915—913.550048024.77檢測結(jié)果看，第一批承載力嚴重偏低的樁在鑿除樁帽后，承載力明顯提高，證明樁與樁帽同心度不夠是造成樁承載力嚴重偏低的原因。因此我們認為所測的極限荷載高端數(shù)據(jù)1200KN應可認定是切合樁實際承載力的，出現(xiàn)的偏低數(shù)據(jù)并未能真正反應樁的承載能力，針對經(jīng)動測發(fā)現(xiàn)的部分樁在原地面以下1米左右存在裂縫的問題，我們認為其原因是施工過程中，樁機產(chǎn)生的振動波和擠土效應對剛初凝的素砼鄰樁產(chǎn)生的破壞作用。所以今后要解決此問題，我們認為可通過改變施工機械（如采用高頻振蕩打樁機）、調(diào)整施工順序（從路中心向兩側(cè)隔排跳打）來解決。解決靜載測試中發(fā)現(xiàn)的樁與樁帽同心度不夠，致使樁頂結(jié)合部強度不足問題的措施也不困難：只需在距樁頂一定范圍采取適合的過渡性加強斷面可以解決，在樁模上略作修改即可。進一步還可以根據(jù)沉管灌注的特點采取樁臺一體化工藝從模具裝備上來確保樁身和樁帽的同心度，而且能加快工效及提高樁頂混凝土質(zhì)量。五、科研進展情況目前，Y型樁科研項目我們主要做了以下幾方面的工作：1、編寫了試驗研究大綱，明確研究目的、內(nèi)容及試驗方法及試驗計劃。通過現(xiàn)場成樁工藝研究、現(xiàn)場試驗段測試及理論分析研究，對Y型樁樁式路堤的變形、固結(jié)、穩(wěn)定、施工工藝控制等問題作探索和深入研究，檢驗Y型樁的處理效果，為今后Y型樁在公路上的推廣打下基礎及提供理論依據(jù)。研究內(nèi)容主要包括成樁工藝研究、Y型樁樁式路堤受力機理研究、有限元理論分析、適用性及經(jīng)濟分析。2、為了進一步查清試驗路段的地層分布情況，以及獲取更精確的地質(zhì)參數(shù)，為試驗研究提供可靠的依據(jù)，在打設之前，進行了試驗路段的地質(zhì)補探。3、完成了現(xiàn)場觀測儀器的埋設。根據(jù)兩個試驗路段的地質(zhì)土層以及Y型樁的布樁間距和深度不同情況，在K24＋080～K24＋155路段布置Y1和Y2二個觀測斷面；在K24＋959～K25＋04