方桩基础施工科技成果

2004年度优秀科技论文第1页共17页方桩基础施工技术内容提要：方桩以其刚度大、承载力高的优越性将越来越多地应用于大型建筑物基础中，本文详细介绍了方桩基础的施工过程和施工工艺。关键词：方桩施工技术1.工程概况1.1工程简介桥梁是民族文化的象征，也是国家交通和经济法发展的重要标志。近几年矮塔斜拉桥在桥梁设计中得到广泛应用。京承高速公路（高丽营-沙峪沟段）工程第18#标段位于北京市怀柔区杨宋镇耿辛庄东，潮白河河道内，工程起点桩号为K49+525，终点桩号为K49+909，潮白河大桥主桥为三矮塔斜拉桥，桥宽29.5m，跨径72m+120m+120m+72m＝384m，是全线重点工程。该工程为了赶工期，经过抓孔试验，由原设计沉井基础改为方桩基础。在一个中塔和两个边塔承台下各设3排方桩，每排4根，桩长为26m，横桥向中心间距4m，纵桥向中心间距4m，截面尺寸为2.5m×1.0m，共计36根；两个边墩承台下各设2排方桩，每排2根，桩长为18m，横桥向中心间距4m，纵桥向中心间距4m，截面尺寸为2.5m×1.0m，共计8根。全桥方桩共计44根。1.2工程地质亚砂土填土①层：褐黄色，稍湿，松散，含砖渣、树根，主要分布于东西两侧河堤。该层层底标高为39.91～41.21m。卵石②层：杂色，湿，稍密～中密，一般粒径40～60mm，最大粒径600mm，亚圆形，褐黄色中粗充填，粒径大于20mm的颗粒占总质量的65%。该层层底标高为23.12～34.79m，整体厚度呈从河堤向河床加深趋势。卵石③层：杂色，湿，中密～密实，一般粒径40～60mm，最大粒径450mm，亚圆形粒径大于20mm的颗粒占总质量的68.5%。褐黄色中粗充填,岩石成分以辉绿岩、石英岩为主。该层层底标高为20.86～25.60m，整体厚度呈从河堤向河床减少趋势。亚粘土④层：褐黄色，饱和，硬塑，局部软塑，含氧化铁、云母。该层层底标高为19.40～23.40m。卵石⑤层：杂色，饱和，密实，一般粒径60～80mm，最大粒径150mm，亚圆形，粒径大于20mm的颗粒占总质量的68.7%，褐黄色中粗充填,岩石成分以辉绿岩、石英岩为主。该层层底标高为11.08～18.87m。卵石⑥层：杂色，饱和，密实，一般粒径40～60mm，最大粒径140mm，亚圆形，粒径大于20mm的颗粒占总质量的83.5%，褐黄色中粗充填,岩石成分以辉绿岩、石英岩为主。该层层底标高为2.42～6.37m。卵石⑦层：杂色，饱和，密实，一般粒径20～50mm，最大粒径120mm，亚圆形，粒径大于20mm2004年度优秀科技论文第2页共17页的颗粒占总质量的69%，褐黄色中粗充填,岩石成分以辉绿岩、石英岩为主。钻至标高-8.79m处仍为该层。2.施工方法2.1成孔2.1.1机械选择由于桩基形式限制我单位地下连续墙施工机械：意大利BH－12液压抓斗。利用履带式60吨液压系统为动力的施工机械，并根据方桩的厚度，选配100厘米厚的斗体靠液压系统提升靠抓斗自身重量进入岩体斗体自重11000kg。液压抓斗成孔是靠斗体重量和液压闭斗，抓取土体提出地面而成孔，为保证垂直度，施工时随抓随测，并每抓2～3抓将斗体旋转180度（见图二）图二意大利抓斗2.1.2导墙砌筑2.1.2.1导墙的作用：a、是保证方桩施工时平面位置的准确性；b、是分散和承受一部分施工机械的重力；c是防止地表土层的坍塌。方桩的导墙相当与圆桩的护桶，因此导墙的制作必须保证精度。根据现场实际情况，导墙采用砖混结构，底板及顶板采用20cm厚C20钢筋砼，中间砌筑37cm砖墙，两导墙内侧间距比方桩厚度大4～6cm，导墙深2～3m，以导墙底板座在原始地层为准。2.1.2.2导墙砌筑方法a、场地平整后，用经过标定的全站仪测设出桩位中心及轴线，报请监理工程师复测合格后，放出导墙开挖边线。2004年度优秀科技论文第3页共17页b、导墙基坑开挖后，再精确测设出导墙内边线。c、导墙施工完毕后，在顶板上测设出桩位控制点及高程控制点，并以此控制桩基施工。导墙沟槽开挖后，重新精确测设出导墙边线，然后浇筑底板砼，待底板砼具有一定强度后，砌筑导墙竖墙，然后将导墙后用土分层夯填至原地面高度，浇筑顶板砼。(见图一)50cm104～106cm50cm图一导墙图2.1.2.3导墙的质量标准：导墙的内墙面应竖直，顶面应水平。两导墙内墙面间的距离允许偏差为5mm，导墙顶面高程允许偏差±10mm。2.2抓孔施工在开挖前我们认真研究方桩挖孔质量通病及并根据实际情况采取防治措施2.2.1方桩挖孔质量通病及预防措施2.2.1.1抓孔过程中坍孔原因：发生坍孔时，具体表现为孔内水位突然下降又回升，孔口冒细密水泡。坍孔多由泥浆性能不符合要求、孔内水头未能保证、机具碰撞孔壁等原因造成。预防措施：严格控制泥浆比重，确保水头高度，导墙埋至原状土层。处理方法：ａ、查明坍孔位置后进行处理，坍孔不严重时，可回填土到坍孔位以上，并采取改善泥浆性能、加高水头、深埋护筒等措施，继续钻进。ｂ、严重时应立即将钻孔全部用砂类土或砾石土回填并应等待数日方可采取改善措施后重钻。若坍孔部位不深时，可采用深埋护筒法，将护筒填土夯实，重新钻孔。2.2.1.1偏孔、扩孔、缩孔原因：偏孔多是由地质松软不均、岩面倾斜、机械位移、安装未平或遇探头石等原因造成。扩孔多系孔壁小坍塌或抓斗摆动过大造成，缩孔常因地层中含遇水能膨胀的软塑土或泥质页岩造成，抓斗磨损过甚，亦能使孔径稍小。2004年度优秀科技论文第4页共17页预防措施：ａ、抓孔过程中，要每抓3～5斗将抓斗旋转180度，再继续抓孔，同时严格控制抓斗提升及下落速度，减小抓斗摆动幅度，防止发生偏孔、扩孔，如出现偏孔，可在偏斜处用抓斗反复扫孔。偏斜、扩孔严重时，应回填粘质土到偏斜处顶面，待沉积密实后重新抓孔。ｂ、抓孔过程中，经常测量抓斗尺寸，磨损严重时及时焊补，遇到软塑土或泥质页岩时，应采用失水率小的优质泥浆护壁，防止发生缩孔。如发生时，可用抓斗上下反复扫孔，扩大孔径。根据以上预防措施及主桥桥位实际地质情况我们对泥浆的调制、机械选择等做了认真的部署。2.2.2调制护壁泥浆本工程中因为当地地质情况砂石料较多，没有粘土，所以泥浆采用购买膨润土泥浆。泥浆在泥浆池内配制，泥浆池设在9#墩上游桥梁红线以外，容积120m3，底部及四周铺设塑料薄膜，防止泥浆渗漏。膨润土泥浆的主要成分为：膨润土粉、水、纯碱(含在成品膨润土中)。2.2.2.1泥浆配比泥浆生产及使用是按照：‘拌和生产→静置水化→使用→回收处理→再使用→…→废弃’的顺序进行。本工程的地质条件以细砂、卵石为主，对泥浆影响较大，但配比正确的膨润土泥浆应可使用三到四次。泥浆配合比材料名称单位数量水Kg/m3970膨润土（内含纯碱5Kg/m3）Kg/m3752.2.2.2泥浆生产泥浆生产采用BE-10型立轴泥浆搅拌机，平均生产效率为10m3/h，生产时按水→土。泥浆贮存采用泥浆池。为防止渗入地下及便于清渣，泥浆池要进行防渗处理，在泥浆池底部铺设塑料布。所生产的泥浆应达到以下标准：标称数值比重1.03-1.10粘度18-24Pa.s含砂量4%30分钟失水量20ml泥皮厚2-3mm/30minPH值8.5-10.5胶体率98%2004年度优秀科技论文第5页共17页2.2.2.3泥浆使用在成孔过程中，泥浆用泵送注入孔内,随着土体的抓进，槽孔内补入泥浆保证孔内稳定，在钻进过程中要保证浆面高度，防止槽孔坍塌并随时检查孔的垂直度。维持孔稳定,悬浮钻屑。在浇注混凝土的同时对泥浆进行回收，底层与淤积物接触并受混凝土污染的泥浆则废弃。2.2.3挖孔过程出现的问题及解决方法ａ、进度问题我们一开始租用的第一台抓斗，该抓斗是意大利进口原装机械，但该机械不能冲击（即自由落体下放）。在河道西侧曾经用可以冲击的组合抓斗进行试桩８小时可以钻进21米，其开挖速度可达２．６ｍ／ｈ。由于河道地质情况复杂，在实际钻进过程中，意大利抓斗平均每抓一斗用时15分钟。一小时可以抓土4次，意大利抓斗需旋转90度后放废碴再用装载机把废碴铲掉。这样很难达到试桩钻进速度，尤其在标高19-14m以及9至-0.5m段挖孔速度达到0.5－1m/h，甚至达到0.１ｍ／ｈ。按照前四棵（９＃－１，９＃－１２，９＃－９，９＃－４）方桩挖孔速度每棵平均需59个小时由此计算44棵方桩全部施工完毕需要107天，工期延后67天。面对紧张工期我们对此种机械进行研究，对其斗体进行改进，根据斗体靠自身重量伸入土体，我们技术部对其斗牙角度进行改进，使斗牙由原来于地面不垂直改为与地面垂直。经过改进后开挖速度有所提高平均每棵桩用54小时减少工期延误时间８天。但对于业主要求的工期还远远不够，因地质原因在开挖9m至-0.5m段时岩石极其坚硬，卵石基本被斗体抓碎，弃碴几乎没有完整的卵石，专家称之为卵石成板结。抓斗的出碴量很小，为了解决此问题我们经研究讨论决定用旋挖钻配合抓斗，旋挖钻机配直径0.8m的螺旋钻头对卵石层进行翻松，每次翻松厚度约0.5m，提出钻头后，用液压抓斗将已翻松的卵石挖出；液压抓斗将翻松的卵石挖出后，再用旋挖钻机翻松，然后液压抓斗再向外挖卵石，如此交替进行，直到预定的孔深；（见图二）第一次没有卸下旋挖钻取料斗，取出原状土样证明该段是由黄土卵石构成极其密实岩石土。由于方桩尺寸为2.5*1.0米不能对其再次钻孔形成空洞反影响挖孔速度。所以我们决定只用旋挖钻钻头进行翻松，每翻松一次（包括定位、翻松、退位）需用4分钟，每翻松一次深度可达到０．５米。平均到每次抓土两分钟。但通过翻松后每次提斗时间为9分钟比没翻松节约５分钟，每米可节约时间2０分钟。每棵桩可以节约时间８．６小时，每棵装还需４５．４小时，按剩余４０棵桩计算工期还延后４６．６天．B、坍孔问题在钻进９＃－４时由于前三棵桩时泥浆的循环使用，泥浆池内沙子沉淀太厚，虽然泥浆配合比2004年度优秀科技论文第6页共17页可以达到标准．但在钻进至21.9（标高8.85米）时水位下降很快，造成塌孔。原因此处有一强透水层泥浆不能形成泥皮。解决方法：发现水位下降后，现场技术员及时指挥装载机将附近砂石料回填至水位不再下降为止，又经过11天再次开挖，开挖时重新搅浆，加高浆面水位保证与导墙顶一平。我们吸取了这次教训，严格控制泥浆质量，每一池泥浆只许供三个方桩开挖，不和格的泥浆坚决不用，在每次开挖之前都在附近备一车红土以备坍孔时回填，从此再没有发生坍孔现象。C、漏浆问题在7#-1开挖至22.3米（标高10.687米）、8#-1开挖至23.1米（标高10.437米）8#-5开挖至26米（标高7.532米）、10#-5开挖至20.2米（标高13.43米）、10#－11开挖至20.3米（标高13.324米）、10#-12开挖至19.5（标高14.101米）共计六棵桩发生漏浆现象。在漏浆过程中我们沿用防治坍孔方法，保证水头压力，回填部分粘土用斗体在孔内造浆，，再用抓斗抓出粘土，如水位下降再回填粘土造浆，反复几次在漏浆处形成厚层泥皮直至水位保存不动方可继续开挖。（见图三）图三旋挖钻配合抓斗虽然这样大大加快了挖孔速度，但这样仍然不能满足工期要求，我们采取了加大了投入的办法我们最多时租赁三台抓斗，其中令外两台都是由抓斗和80吨液压系统组装（包括试桩抓斗），其提升系统与闭斗系统分离（见图四）。该种机械可以使斗体自由落体下放这样即节约了提落时间也节约了抓土时间其出碴是由装载机接料不用转动因此大大加快了开挖速度每抓一斗用时８分钟。比意大利抓斗节约７分钟．（见图三）但由于后两台机械上场时间比较晚我们仍没按计划工期完工，整个桩基施工完毕共计８１天平均４４．２ｈ／桩2004年度优秀科技论文第7页共17页图四冲击抓斗成孔质量标准项目允许偏差孔的中心位置（mm）100孔径（mm）不小于设计桩径（2500×1000）倾斜度小于1％孔深不小于设计规定（26m）槽孔抓到设计孔深后，停滞1小时，待泥浆中的悬浮物沉入到孔底后，用抓斗把孔内淤积清出，达到规范要求。砼浇筑之前，一定要保证泥浆的主要性能指标参数符合要求，孔底淤积物厚度应小于设计要求（20cm）。在钢筋笼