地基基础与地下空间工程技术

中国建筑股份有限公司单彩杰1.1灌注桩后注浆技术1.2长螺旋钻孔压灌桩技术1.3水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）复合地基技术1.4真空预压法加固软基技术1.5土工合成材料应用技术1.6复合土钉墙支护技术1.7型钢水泥土复合搅拌桩支护结构技术1.8工具式组合内支撑技术1.9逆作法施工技术1.10爆破挤淤法技术1.11高边坡防护技术1.12非开挖埋管技术1.13大断面矩形地下通道掘进施工技术1.14盾构施工技术1.15智能化气压沉箱施工技术1.16双聚能预裂与光面爆破综合技术早在60年代初，国外就开发出解决灌注桩桩底沉渣和桩身泥皮的后注浆技术。国外的桩底后注浆装置大体可分为以下几种：预埋于桩底的装有碎石的预载箱、注浆腔、U形管阀；桩侧后注浆装置为设置于钢筋笼上的带套袖阀的钢管。国外灌注桩后注浆技术的特点是工艺复杂，附加费用高，桩侧注浆需在成桩后2天内通过高压射水冲破混凝土保护层来实施。我国关于灌注桩后注浆的最早报道，是交通部一航局设计院1974年在天津塘沽采用，北京市建研所等的试验。80年代初，采用PVC管作为注浆管进行后注浆试验。上述两单位的技术当时是在干作业灌注桩中试验和应用的，因此注浆阀无需具备抵抗泥浆和静止水压力的功能，且桩长较短，相对简单。90年代初，在徐州和郑州地区有关于后注浆技术应用于泥浆护壁灌注桩工程的报道，前者是将2根注浆管埋设在桩底虚土的碎石中，先由一管注入清水，由另一管排除泥浆，随后注入水泥浆，其承载力增幅较小；后者由西南交通大学岩土所与郑州铁路局郑州设计院进行的某桥梁桩基注浆试验，是在桩底设置橡胶囊，由带钢球的单向阀钢管与注浆腔相联，成桩后向囊中注浆，其加固机理主要靠注浆囊的膨胀压密和扩底作用，同时应用套管法于成桩后12小时内冲破混凝土保护层实施桩侧注浆的试验。总的说来，上述国内灌注桩后注浆装置与国外技术类似，安装较复杂，成本高，且与桩体施工有一定程度交叉。灌注桩后注浆（postgroutingforcast-in-situpile,简写PPG）是指在灌注桩成桩后一定时间，通过预设在桩身内的注浆导管及与之相连的桩端、桩侧注浆阀注入水泥浆，使桩端、桩侧土体（包括沉渣和泥皮）得到加固，从而提高单桩承载力，减小沉降。灌注桩后注浆是一种提高桩基承载力的辅助措施，而不是成桩方法。后注浆的效果取决于土层性质、注浆的工艺流程、参数和控制标准等因素。灌注桩后注浆提高承载力的机理：一是通过桩底和桩侧后注浆加固桩底沉渣（虚土）和桩身泥皮，二是对桩底和桩侧一定范围的土体通过渗入（粗颗粒土）、劈裂（细粒土）和压密（非饱和松散土）注浆起到加固作用，从而增大桩侧阻力和桩端阻力，提高单桩承载力，减少沉降。。在优化工艺参数的条件下，可使单桩承载力提高40%～120%，粗粒土增幅高于细粒土，桩侧、桩底复式注浆高于桩底注浆；桩基沉降减小30%左右。可利用预埋于桩身的后注浆钢导管进行桩身完整性超声检测，注浆用导管可取代等承载力桩身纵向钢筋。1桩底后注浆导管及注浆阀数量宜根据桩径大小设置，对于d≤l000mm的桩，宜沿钢筋笼圆周对称设置2根；对于d≤600mm的桩，可设置1根；对于1000mmd≤2000mm的桩，宜对称设置3～4根；2管阀应能承受1MPa以上静水压力；管阀外部保护层应能抵抗砂、石等硬质物的刮撞而不至使管阀受损；3浆液的水灰比应根据土的饱和度、渗透性确定，对于饱和土宜为0.5~0.7，对于非饱和土宜为0.7～0.9(松散碎石土、砂砾宜为0.5～0.6)；低水灰比浆液宜掺入减水剂；地下水处于流动状态时，应掺入速凝剂；4桩底注浆终止工作压力应根据土层性质、注浆点深度确定，对于风化岩、非饱和粘性土、粉土，宜为5～10Mpa；对于饱和土层宜为1.5～6Mpa，软土取低值，密实粘性土取高值；桩侧注浆终止压力宜为桩底注浆终止压力的1／2；5注浆流量不宜超过75L／min：6.单桩注浆量的设计主要应考虑桩的直径、长度、桩底桩侧土层性质、单桩承载力增幅、是否复式注浆等因素确定。7承载力估算公式：灌注桩经后注浆处理后的单桩极限承载力，应通过静载试验确定，在没有地方经验的情况下，可按下式预估单桩竖向极限承载力标准值。式中qski、qpk——极限侧阻力和极限端阻力标准值，按JGJ94-94或有关地方标准取值；U、Ap——桩身周长和桩底面积βsiβp——侧阻力、端阻力增强系数，可参考以下取值范围βsi：1.2～2.0；1.2～3.0，细颗粒土取低值，粗颗粒土取高值。首都机场18000余根灌注桩全部采用后注浆技术，缩短工期4个月，节约投资1亿多。长螺旋钻孔压灌桩技术是采用长螺旋钻机钻孔至设计标高，利用混凝土泵将混凝土从钻头底压出，边压灌混凝土边提升钻头直至成桩，然后利用专门振动装置将钢筋笼一次插入混凝土桩体，形成钢筋混凝土灌注桩。后插入钢筋笼的工序应在压灌混凝土工序后连续进行。与普通水下灌注桩施工工艺相比，长螺旋钻孔压灌桩施工，由于不需要泥浆护壁，无泥皮，无沉渣，无泥浆污染，施工速度快，造价较低。1.螺旋钻机就位；2.启动马达钻孔至预定标；3.砼泵将搅拌好的砼通过钻杆内管压至钻头底端，边压砼边拔管直至成素砼桩；4.将制作好的钢筋笼与钢筋笼导入管连接并吊起，移至已成素砼桩的桩孔内；5.起吊振动锤至笼顶，通过振动锤下的夹具夹住钢筋笼导入管；6.启动振动锤通过导入管将钢筋笼送入桩身砼内至设计标高；7.边振动边拔管将钢筋笼导入管拔出，并使桩身砼振捣密实。其施工流程如图所示。与该施工工艺配套的主要施工设备包括长螺旋钻机、砼输送泵、钢筋笼导入管、夹具、振动锤。长螺旋钻机、砼输送泵）采用目前市场上常规型号的机械设备，其动力性能和砼输送泵功率的选择根据桩径及桩长确定。1.长螺旋钻孔泵送砼成桩技术2.振动锤及夹具3.钢筋笼导入管4.导入管与钢筋笼的连接方式长螺旋水下成桩工艺与设备施工便捷、无泥浆或水泥浆污染、噪音小、效率高、成本低，是一种很好的灌注桩施工方法。该工法施工的单桩承载力高于普通的泥浆护壁钻孔灌注桩，成桩质量稳定。与泥浆护壁钻孔灌注桩相比，该工法的施工效率是其施工效率的4~5倍，施工费用是其施工费用的72%，节约费用约28%；与长螺旋钻孔无砂砼桩相比，该工法的施工效率是其施工效率的1.2~1.5倍，施工费用是其施工费用的51%，节约费用约49%。钢筋笼导入管与钢筋笼巧妙连接，将激振力传至钢筋笼底部，通过下拉力有效地将钢筋笼下至设计标高。钢筋笼导入管的振动，使桩身砼密实，桩身砼质量更有保证。1混凝土中可掺加粉煤灰或外加剂，每方混凝土的粉煤灰掺量宜为70～90kg。2混凝土中粗骨料可采用卵石或碎石，最大粒径不宜大于30mm。3混凝土塌落度宜为180～220mm。4提钻速度：宜为1.2～1.5m/min。5长螺旋钻孔压灌桩的充盈系数宜为1.0～1.2。6桩顶混凝土超灌高度不宜小于0.3～0.5m。7钢筋笼插入速度宜控制在1.2～1.5m/min。设计施工可依据现行《建筑桩基技术规范》JGJ94进行。适用范围适用于地下水位较高，易塌孔，且长螺旋钻孔机可以钻进的地层。北京京东方项目投入长螺旋成套设备16台，完成工程桩6195根，总延米148700米，桩身砼总方量42520m3。水泥粉煤灰碎石桩复合地基是由水泥、粉煤灰、碎石、砂加水拌合形成的高粘结强度桩（以下简称CFG桩），通过在建筑物基础和桩顶之间设置一定厚度的褥垫层保证桩、土共同承担荷载，使桩、桩间土和褥垫层一起构成复合地基。CFG桩复合地基适用于处理粘性土、粉土、砂土和自重固结完成的素填土等地基。对淤泥质土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。采用CFG桩复合地基对建筑物进行地基处理设计时，除满足复合地基承载力和变形条件外，还要考虑以下诸多因素进行综合分析，确定设计参数：1地基处理目的设计时必须明确地基处理是为了解决地基承载力问题、变形问题还是液化问题，解决问题的目的不同采用的工艺、设计方法、布桩形式均不同。2建筑物结构布置及荷载传递如建筑物是单体还是群体，体型是简单还是复杂，结构布置是均匀还是存在偏心荷载，主体建筑物是否带有裙房或地下车库，建筑物是否存在转换层或地下大空间结构，建筑物通过墙、柱和核心筒传到基础的荷载扩散到基底的范围及均匀性等。总之，在设计时必须认真分析结构传递荷载的特点以及建筑物对变形的适应能力，做到合理布桩，地基处理方可达到预期目的，保证建筑物安全。3场地土质的变化对复合地基施工工艺的选择和设计参数的确定有着密切的关系，因此在设计时需认真阅读勘察报告，仔细分析场地土质特点。不仅要阅读综合统计指标，而且要阅读每个孔点的试验指标。通过对场地土的了解，对荷载情况、地基处理要求等综合分析，考虑采用何种布桩形式。工程中，CFG桩采用的布桩形式有等桩长布桩、不等桩长布桩、长短桩间作布桩以及与其它桩型联合使用布桩等。4施工设备和施工工艺选用的设备穿透土层能力和最大施工桩长能否满足要求，施工时对桩间土和已打桩是否会造成不良影响。5场地周围环境场地周围环境情况是设计时确定施工工艺的一个重要因素。当场地离居民区较近等，施工不宜选择振动成桩工艺，而应选择无振动低噪音的施工工艺，如长螺旋钻管内泵压CFG桩工法；若场地位于空旷地区，且地基土主要为松散的粉细砂或填土，选用振动沉管打桩机施工显然是适宜的。CFG桩复合地基设计主要确定5个参数，分别为桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度及材料。设计程序如图所示。地基处理后的变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定执行。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的倍，值可按下式确定复合地基的变形计算经验系数应根据地区沉降观测资料统计确定，无经验资料时可采用表中数值。MPaEss真空预压法加固软基技术在1952年首先由瑞典皇家地质学院的W.杰尔曼教授（W.Kjellman）提出。1957年，天津大学在室内进行了真空预压试验，试验将配置均匀的黏土分四层填入φ20cm的圆筒中，利用真空泵抽真空，保持负压在80kPa情况下连续抽气84h后，对软土进行检测，含水量由抽气前的86％降至52％，说明有明显的加固效果。1960年，天津港务局在现场作了较大比尺的模型试验，平面尺寸为12m×4m，排水砂井深2m，抽真空120h，虽取得一定的效果，但真空度较低，仅达到26kPa，故未能推广应用。中港第一航务工程局自1980年起在天津港进行了小面积的现场试验，试验分为砂垫层真空预压和袋装砂井真空预压，试验面积各为25m×50m，试验初期密封膜采用的是1mm厚的合成革，抽真空设备则引入了降水设备射流泵。由于抽真空设备选用正确，使试验区的真空度形成并能维持在80kPa左右，达到了预期的目的。后经过加固效果检验，袋装砂井真空预压法显示出了强大的生命力，受到了人们高度重视。1983年，该项目经国家计委批准纳入国家“六五”科技攻关项目，在三年的试验研究中，科研人员从理论探讨，到室内试验、现场试验，进行了260m2的探索试验，550m2和1250m2的中间试验，以及18300m2的典型施工，3万m2生产应用，逐步改进和完善了真空预压的施工工艺、密封膜的材料性能、抽真空设备等，搞清了真空预压法的加固机理。该项目获得圆满成功，并于1985年12月通过国家鉴定。真空预压作用下土体的固结过程，是在总应力基本保持不变的情况下，孔隙水压力降低，有效应力增长的过程。由于塑料密封膜使被加固土体得到密封并与大气压隔离，当采用抽真空设备抽真空时，砂垫层和垂直排水通道内的孔隙水压力迅速降低。土体内的孔隙水压力随着排水通道内孔隙压力的降低（形成压力梯度）而逐渐降低。根据太沙基有效应力原理，当总应力不变时，孔隙水压力的降低值全部转化为有效应力的增加值。因抽真空设备理论上最大只能降低一个大气压（绝对压力零点），所以真空预压工程上的等效预压荷载理论极限值为100kPa，现在的工艺水平一般能达到80kP