《港航建设》参考格式

.工程技术.沉管灌注桩断桩率减小措施试验研究刘吉福（中国铁建港航局集团有限公司，珠海，519070）摘要：针对沉管灌注桩断桩率较高的问题，依托多条高速公路沉管灌注桩复合地基，通过原位监测和检测，对沉管灌注桩挤土影响范围、不同措施减少断桩效果等进行了试验研究，分析了断桩机理和断桩率差异原因。研究表明，软粘土地基中预先设置竖向排水体对减少沉管灌注桩挤土效应、减小断桩率的作用很小，断桩的主要原因是地面隆起将桩拔断，连续施工的断桩率往往小于隔桩跳打，连续施工结合桩身上部插筋可以有效减少断桩率。关键词：沉管灌注桩跳桩施工插筋竖向排水体挤土效应断桩作者简介：刘吉福，博士，教授级高工，从事公路、港口与航道的施工管理、科研工作，[e-mail].1引言随着高速铁路、高速公路建设速度的加快，素混凝土桩（将砂改为粉煤灰时称为CFG桩）复合地基越来越多地用于软粘土地基加固[1-2]。素混凝土桩按照施工方法分为沉管灌注桩、长螺旋钻孔管内泵压桩等。沉管灌注桩属于挤土桩，其挤土效应非常明显。广东省西部沿海高速公路台山段某桥头路段采用素混凝土桩复合地基处理，桩直径0.5m，间距1.2×2.08m，采用沉管法施工素混凝土桩导致地表隆起约15cm，桥台偏移约4cm[3]。某港口散粮筒仓在2450m2范围内施工604根边长为45cm的方桩后隆起量和侧向位移均达到40-50cm，隆起体积约为桩体积的40%，距打桩区20m处超静孔压达50kPa，位移明显[4]。工程实践表明，用于软基处理的沉管灌注桩断桩率通常较高，部分工程高达70%。对于断桩的原因，则普遍认为侧向挤压或水平剪切是导致沉管灌注桩断桩的主要原因[5-8]。为减少断桩率，通常采用跳桩施工、预先设置竖向排水体等措施[2,5~7]。依托多条高速公路软基处理工程，对沉管灌注桩断桩率减少措施进行了一系列试验研究，分析了断桩的主要原因，对比了各种断桩率减少措施的效果，得到了一些值得设计、施工借鉴的结论。2挤土影响范围相邻桩在单根桩挤土影响范围之内才可能导致其断桩，因此首先通过现场试验和理论分析研究了沉管灌注桩施工挤土影响范围。2.1西部沿海高速公路阳江联络线为测试沉管灌注桩挤土影响范围，依托西部沿海高速公路阳江联络线K4+465~K4+603的素混凝土桩施工进行了试验。2.1.1地质条件该路段自上而下地层情况依次为：（1）耕植土：黄色，表面含植物根系，呈亚粘土状，呈可塑～硬塑状，层厚约0.9m。（2）淤泥：深灰色，含腐植物及少量贝壳碎屑，饱和，流塑状，层厚6.4～7.2m。含水率w=66.1%，孔隙比0e=1.78，压缩模量sE=1.38MPa，固结系数vC=7.2×10-4cm2/s，快剪黏聚力qc=8.33kPa，快剪内摩擦角q=8.42º。（3）淤泥、薄层细砂互层：深灰色，含腐植物，饱和。淤泥为流塑状，细砂为松散状，局部为薄层中粗砂，层厚约5.6m。（4）中粗砂：黄色，粒度较均匀，稍密～中密状，层厚约2.4m。2.1.2地基处理采用砂桩+素混凝土桩复合地基，砂桩和素混凝土桩桩长均为13.4m、设计桩径均为40cm。横向间距为3.2m，纵向间距为3.0m。素混凝土桩强度等级为C12。采用振动沉管桩机施工，激振力为230～260kN，成桩直径约45cm。砂桩施工后再施工素混凝土桩，素混凝土桩从路中心线向外推进施工，并隔桩跳打。2.1.3孔压监测设置3个监测断面，共埋设4个孔隙水压力计，埋置深度分别为5.2m（Ⅰ断面）、8.5m、11.3m（Ⅱ断面）、13.6m（Ⅲ断面）。素混凝土桩施工时振动沉管桩机导管入土深度与不同位置处的超静孔压的关系见图1和表1。050100t(min)02040u(kPa)01020h(m)04080t(min)048u(kPa)01020h(m)(a)1m处(b)2.4m处04080t(min)0.00.40.8u(kPa)01020h(m)(c)4.6m处图1桩管入土深度h～孔压u曲线表1不同距离处沉管灌注桩施工时最大超静孔压水平距离/m12.44.65.11012最大孔压/kPa29.56.030.41.00.10按照内插，距离孔压测头3.6m范围内的素混凝土桩施工均会引起3kPa的超静孔隙水压力，因此沉管灌注桩施工挤土影响区半径约为3.6m，即挤土影响区半径约为导管半径的3.6/0.2=18倍。2.2新会绕城公路新会绕城公路k5+000-k5+127路段自上而下地层依次为：淤泥、淤泥质土层厚20.6m，粉质粘土4.4m，砂砾4.3m，粗砂5.3m，强风化粉砂岩8m。其中淤泥、淤泥质土平均含水量约为48.6%，天然密度1.65g/cm3，0e=1.378，sE=2.39Mpa，qc=7.8kPa，q=4.3º。该路段道路断面为半路半桥，半路半桥之间的挡土墙基础下面设置3排间距为1.5m、直径为0.5m的管桩。由于各种原因导致桥梁的钻孔灌注桩在管桩之前施工。管桩采用锤击法施工时将距离管桩3.75m和12.75m的1.5m直径的钻孔灌注桩挤偏12~46cm，见图2（图中尺寸单位为m）。从图2可知，沿管桩施工方向，钻孔灌注桩位移逐渐增大，且除产生垂直线路方向的位移外，还有平行管桩施工方向的位移。沿管桩施工方向钻孔灌注桩的位移逐渐增大的另一个原因是公路逐渐靠近西江。按照等体积换算原则，3排管桩换算为1.5m直径的管桩，则管桩施工挤土影响范围半径大于换算管桩半径的12.75/0.75=17倍。文献[4]中的群桩换算直径为4.06m，距离换算桩中心25+20=45m处孔压约50kPa，因此施工挤土影响范围半径大于群桩换算半径的45/2.04=22.2倍。2.3理论分析按照平面应力问题，应用圆柱孔扩张理论可得到塑性区半径pR和弹性区半径eR计算公式[9]。u0pCErR（1）SRRpe（2）式中：0r为桩半径，为回淤/扩孔系数，E为土体破坏时的割线模量，uC为不排水抗剪强度，S为应力水平。按照文献[9]，塑性区地面发生隆起和侧向位移，弹性区发生侧向位移，取S=0.4对应弹性区为挤土影响区cR。沉管灌注桩施工时扩孔系数与设计桩径、导管直径、软土强度、施工工艺和拔管速率等有关。设计桩径为40cm、导管直径与桩径相等，采用连续拔管成桩工艺、拔管速率为1-1.2m/min时的见表2。取s5.0EE[9]，得到的珠江三角洲地区沉管灌注桩0prR、0crR见表2。十字板抗剪强度时uC按q'qutanhcC计算。可见，西部沿海高速公路阳江联络线、新会绕城公路0crR与实测值基本相符；珠江三角洲地区沉管灌注桩0prR=10-17，0crR=16-27。软基处理工程中沉管灌注桩桩间距通常为桩半径的7~12倍，因此，沉管灌注桩施工时会导致相邻桩处土体侧向位移和地面隆起，桩间距较小时甚至可能导致隔排桩处侧向位移和隆起。图2管桩挤土效应平面布置图表2珠江三角洲地区挤土桩影响范围半径工程名称导管入土长度L/m/kN/m3sE/kPauC/kPa0prR0crR珠江电厂2015.5130081.616.125.5深圳福田保税区1515.7160091.616.926.7深汕高速公路试验段14.516.21310171.310.015.8西部沿海高速台山试验段21.515.41557181.310.616.8粤肇高速公路白土段15.415.5147081.617.127.1广珠东线灵山试验段1516.212468.621.615.224.0西部沿海高速公路阳江联络线13.416.1138015.71.411.117.5新会绕城公路（素混凝土桩）2516.5239012.71.516.826.6新会绕城公路（管桩）2516.5239012.71.013.721.73减小断桩措施对比试验3.1工程概况试验工程位于广珠西线高速公路二期第十七标段中江互通，该处存在薄层淤泥、淤泥质土等软黏土，地基典型分层情况见表3。地基采用沉管灌注桩复合地基处理，混凝土强度等级为C12，直径0.4m，间距2.2~2.4m。表3地质情况深度/m地层情况0-2.8工作垫层，以中砂为主2.8-4.5淤泥,软塑4.5－5.5淤泥质砂，以粉砂为主5.5-6.6贝壳层6.6-8.6淤泥质粉细砂，含少量碎贝壳8.6-9.6贝壳层，含粉细砂9.6-16.0淤泥，软塑16.0-20粘土，软塑3.2试验方案三个相邻路段分别采用跳桩施工、连续施工、插筋连续施工（桩身上部4m范围内插设4根Φ16钢筋）方案施工，采用钻芯法、低应变动测法、开挖法等方法检测断桩情况。隔桩跳打时先施工序号为1的桩，然后施工序号为2的桩，每批桩的施工顺序均如图3（a）所示；连续施打时施工顺序见图3（b）。（a）跳桩施工（b）连续施工图3沉管灌注桩施工顺序图3.3检测结果检测表明，钻芯法难以检测断桩，低应变动测法容易检测10m内的断桩，开挖法可检测浅层断桩。低应变动测表明跳桩施工时断桩率高达80%，连续施工时断桩率为40%，插筋连续施工时断桩率为0%。开挖表明断桩位置多位于工作垫层与淤泥交界面附近，断桩处1cm范围内呈现轻微缩径现象，没有水平错位现象（见图4）。说明导致断桩的主要因素不是水平剪切，而是地面隆起对桩体造成的上拔力。（a）断桩局部照片（b）断桩示意图图4断桩示意图挤土桩缩颈裂缝ABCDEFABCDEF121221211212212121211212212112121221ABCDEFABCDEF3.4原因分析3.3.1混凝土凝固影响不同跳桩施工时，相邻桩施工时间相差几天~十几天，图3（a）中2号桩施工时，1号桩已经终凝，失去了塑性，但是其抗拉强度很低，在地面隆起产生的上拔力作用下极易被拉断，因此图3（a）中1号桩均可能被拉断。另外，如果图3（a）中桩挤土影响范围半径大于桩间距且一排桩数量很多时，下排2号桩施工时上排部分2号桩可能已经终凝，也可能被拉断。图中有阴影的桩是可能被拉断的桩。一根沉管灌注桩的施工通常小于1h，沉管灌注桩连续施工时，同一排相邻已施工桩的混凝土还未初凝，具有塑性，在地面隆起产生的上拔力作用下沉管灌注桩可能被拉伸缩径，但是不会被拉断。从图3（b）可知，如果每排桩数量较多，下排桩施工时，上排部分沉管灌注桩可能已经终凝，可能被拉断。图3（b）有阴影的桩是可能北下排桩施工拉断的桩。对比图3（a）和图3（b）可知，跳桩施工断桩比例更大。从以上分析可知，延长混凝土的凝固时间可以减少连续施工时的断桩率。部分工程通过加大相邻批次桩的施工间隔时间，使混凝土强度达到设计强度的75%以后再施工下一批桩。这种作法一方面延长了工期，另一方面沉管灌注桩的抗拉强度仍然小于1MPa，仍易于被拔断。3.4.2地面隆起影响不同图5（a）中，施工B桩时，在C桩处产生的侧向位移为J1，地面隆起丘为B丘，在B桩处的地面隆起量为T2，在相邻桩处的地面隆起量为T1。跳桩施工时先施工A、C、E桩，后施工B、D桩。施工B、D桩时在C桩产生的侧向位移大小均为J1，方向相反，在C桩处产生的累计地面隆起为2倍的T1。连续施工时由B逐桩向E施工，施工B桩时在C桩处产生的侧向位移和地面隆起发生在C桩施工之前，对C桩没有影响，而施工D桩时在C桩处产生侧向位移为J1，与跳桩施工时相等；在C桩处的隆起量为T1，即C桩处的累计地面隆起量仅为跳桩施工时的0.5倍。因此，如果侧挤位移J1可能导致断桩，则连续施工、跳桩施工均会因侧挤导致断桩；连续施工时相邻桩处的地面隆起量小于跳桩施工时，因此可以减少地面隆起产生的不利影响。本工程的断桩的类型为拔断型，因此连续施工的断桩率小于跳桩施工的断桩率。侧移线B丘D丘D丘T2J1J1EDCBA挤土桩2T1侧移线隆起丘挤土桩隆起丘BCDEJ1T1T2侧移线T2T1（a）跳桩施工（b）连续施工图5不同施工顺序时已施工桩隆起和侧移对比3.4.3插筋的作用桩身上部插设钢筋并连续施工时，相邻桩混凝土强度已经较高时，混凝土对插筋握裹力很大，钢筋不会被拔出，钢筋可以抵抗上拔力，从而避免断桩；相邻已施工桩混凝土强度很低时，由于沉管灌注桩混凝土通常采用较小的水泥掺量和