沉管碎石桩加水施工法新郑.docx
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沉管碎石桩加水施工法新郑
沉管碎石桩加水施工试验分析
马晓辉
【摘要】沉管碎石加水成桩法具有施工简单、加固效果好、工效快等优点,本文主要介绍了该法的施工要点和成桩后的质量检验及评价。
【关键词】桩长、桩径、留振时间、沉(拔)管速度、
㈠工程概况
北京至珠海国道主干线新乡至郑州段高速公路,沿线广泛分布的稻田区,地下水位浅,上部土层以低液限粉土和低液限粘土为主,下部为粉细砂和中砂,广泛存在着可液化土和软弱土分布。
为了解决沿线软弱地基土和可液化土的情况,用经济、合理的方法进行处治,使其既能满足高速公路的使用品质要求,又能降低工程造价、缩短工期,试验段在沉管碎石桩的施工中进行了摸索创新,先后用了振动沉管和振动沉管加水成桩两种方案进行了试验施工。
通过两种方案的对比试验,振动沉管加水施工法具有适应性广、效果好、工期短等优点。
㈡加固作用机理
⒈置换作用:
砂石材料在一定的侧限与压实情况下,其承载力与抗剪能力以及遇水稳定性都较软弱粘性土高;
⒉排水固结作用:
由于粘性土地基的土质粘粒含量多,粘粒间结合力强,渗透性差,一般均低于10-5cm/s,通过具有良好排水性能的砂石桩,可以形成竖向排水通道,缩减了粘性土中孔隙水渗透通道,起到加速软土排水固结的作用;
⒊沉管碎石桩沉管时将桩管部位的软土压向孔壁周围和孔底,在一定范围内使土的密度增大,孔隙减小,再将碎石倒入桩孔振动密实。
从而更有效的提高地基承载力,减小地基不均匀沉降,提高地基的抗剪强度,增加地基的整体稳定性;
⒋在低液限粉土中,单粒结构颗粒间空隙大,颗粒在静力和动力作用下很容易移位,产生较大的沉降。
由于在沉管碎石桩的施工过程中,桩管对周围土颗粒产生振、挤、压等作用力,加之碎石桩体使桩周围的土颗粒密度增加,空隙比减少,地基中水渗透于碎石的桩体中,使加固后地基减少了固结沉降,消除了液化和塌陷,加之密实度较高的碎石桩体,使加固后的复合地基提高了抗剪强度。
在低液限粘性土中,颗粒含量高,又多为蜂窝结构,其孔隙比大于土颗粒直径,渗透系数小,土体受扰动后比原状土力学性质指标会降低,挤密作用不明显。
甚至桩周土体的强度会出现暂时降低。
碎石桩加固粘性土是利用碎石桩本身的强度和排水效果的复合作用。
碎石桩体为较密实碎石柱体,与粘性土形成复合地基,提高了地基的承载力,减少了沉降。
外部荷载产生向桩的应力集中,桩周土承受的压力相对减小,相应的也减小粘性土的固结沉降。
碎石桩体在粘性土中构成排水路径,起排水砂井作用,可以加快固结速度。
外部荷载产生向桩的应力,因此碎石桩加固粘土是利用碎石桩本身的强度和排水效果的复合作用。
碎石桩体为较密实碎石柱体,与粘性土形成复合地基,提高承载力。
外部荷载产生向桩的应力集中,桩周土承受的压力相对减小,相应的也减小粘性土的固结沉降。
碎石桩体在粘性土中构成排水路径,起排水砂井作用,可以加快固结速度。
3管碎石桩施工要点
⒈准备工作
⑴清理平整场地,测量地面整平后的标高。
⑵测量放样。
⑶布设桩位,桩间距及形式按设计文件.桩间距允许偏差±15厘米。
⑷采取安全措施,编制施工安全技术交底。
⑸准备2—5cm自然级配碎石。
⑹机械设备
采用DJB25步履式振动沉管碎石桩机,设有平底活瓣并带有桩尖.
锤重大于等于35KN,激振力大于等于280KN.
⒉施工注意事项
⑴施工采用间隔跳打的方式(两次打完),桩机就位时要校正桩管的垂直度不大于1.5%;
⑵边振动边下沉至设计孔深,停止振动,加料(到沉管装满为至),同时灌入一定量的水,留振30秒。
⑶边振动边拔管,拔管速度均匀且每拔1米留振20秒,根据成桩的碎石用量及时填充管内的碎石量,直到成桩为至;
⑷拔管速度要均匀。
施工中及时挖除桩管带出的泥土,孔口的泥土不得掉入孔中;
⑸填料量确定需按下列公式计算:
S=(1+0.01w)(Aplds)/(1+e1)
式中:
S-填料量(以重量计);
Ap-桩截面积;
L-桩长;
ds-碎石料的相对比重;
e1-地基经处理后要求达到的孔隙比;
w-碎石料的含水量;
⒊现场施工情况
设计桩长7.0米,桩径450毫米,桩距1.4米,桩点采用正方形布置,施工采用间隔跳打的方式。
施工时,机械设备选择了DJB25步履式振动沉管碎石桩机.锤重大于等于35KN,激振力大于等于280KN.沉管长(管底至料仓口)9.6米,沉管内径42.5厘米,外径45厘米,料仓高80厘米。
施工时,分别采用了内置式尖嘴活瓣、外置式尖嘴活瓣、外置式平地活瓣进行了试桩,试桩工艺首先吸取了其他地方的成功经验,分别对沉管速度、拔管速度、留振时间、反插深度等施工参数进行多次试验,同时也对不同粒径的碎石进行了试验,其成桩情况都不能满足设计规范要求,表现在试桩时,在-7~-5.5米位置不下碎石,在-5.5~-4米的位置有较严重的缩颈现象,在-4~0米施工较为正常。
试桩时,为了检测设计桩底处土压力的大小,我们把带有平地活瓣的空管振动沉入设计孔深,然后在把空管不振动拔出地面,发现桩管里冲有2.0米左右的泥土,由此分析下面下料不顺的原因是管内碎石的自重不能平衡桩底泥土的挤压力从而使碎石不能下去。
为了使碎石能顺利下到设计孔深,采取了加料之后向桩管中灌入一定量水的方法来减少管内碎石间的内摩擦角和粘聚力,同时也相应的减少了碎石与沉管壁间的摩阻力,又平衡了水位。
试桩结果表明,采用这种方法对成桩比较有利。
施工前,对施工中的几个参数都做了详细的量测。
沉管长(管底至料仓口)9.6米,沉管内径42.5厘米,外径45厘米,,料仓高80厘米。
施工时,通过对桩管提升一定的高度,测出料面到仓口的距离,从而反算出提升后的下料量、成桩高度、管中剩余料量及桩的扩、缩颈情况。
综合成桩结果,在-7—-6.5米(距地面)范围内略有缩颈现象,在-6.5米—-4米的范围内桩径基本符合设计要求,在-4—0米范围内均发生不同程度的扩颈,并且越往上扩颈现象越严重。
距此,在施工时,我们在-7—-6.5米位置进行了桩管反插并增加了留振时间,效果显著。
试验段施工的1754根成桩中,平均填料量1.0立方米。
管振动下沉约3分钟,沉管速度2.7米/秒;拔管约6分钟,拔管速度约1.75米/秒,拔管过程中,每拔一米留振20秒-1分钟(一般在-7米—6米留振时间可长一点90秒)。
⒋施工质量控制
⑴桩身的连续性以拔管的速度控制。
拔管的速度可根据处理地基工程地质条件通过试桩来确定。
在试验路的施工中,根据工程地质条件试桩总结拔管速度1.5m/min。
⑵桩长要根据设计要求桩长选择合适的沉管长度,施工时通过控制沉管深度来确保桩长,一般沉管深度比设计孔深深0.5米。
⑶桩的直径以沉管的直径及碎石的灌入量来控制。
⑷成桩的倾斜度应根据沉管的垂直度来控制,施工时要时刻注意桩管的垂直度。
㈣成桩质量检验
沉管碎石桩施工完毕后,对复合地基加固效果进行质量检查,检查内容包括用重Ⅱ型连续动力触探检测桩体的密实程度;用静力触探检测桩间土的挤密情况及液化处理情况;用面波及高密度电法检测整体处治情况;用静载试验检测处治后的地基土的工程性质。
⒈重Ⅱ型连续动力触探检测结果评价
被测试的2%的桩体中,平均击数都大于5击。
表层-1.0米~0米范围一般为6~11击;-5.4米~-1.0米范围内一般为7~12击;-7.0米~-5.4米一般为14~20击;-8.0米~-7.0米范围一般为12~17击。
从连续动力触探试验结果来看,桩体的密实度和强度达到了设计要求的强度。
⒉静力触探测试结果分析评价
静力触探结果表明,处理后的地基土得到了密实,桩间土的挤密效果呈现如下规律:
一般在粘性土部位土体的挤密效果稍差,而以亚砂土和砂土为主的部位挤密效果较为明显,特别是呈松散状态的亚砂土得到了很好的挤密(见表1)。
根据静力触探的锥尖阻力判断,在桩长范围内地基土的液化势基本消除或减弱。
处治前后锥尖阻力对比表表1
深度(米)
处治前(Kp)
处治后(Kp)
备注
0-0.5
0.9-1.9
2.0-3.5
表层粘质粉土
0.5-1.4
1.6-2.0
4.5-8.7
亚砂土
1.4-2.7
0.6-1.2
0.7-1.3
粉质粘土
2.7-3.7
0.8-1.4
2.1-6.5
亚砂土夹粉砂
3.7-5.4
1.6-2.7
3.6-5.0
亚砂土夹粉砂
5.4-7.4
4.4-5.9
5.0-8.5
粉砂
7.4-8.0
0.6-1.2
0.2-1.4
粉质粘土
⒊面波及高密度测试结果分析
地基土处理前后面波速度对比见表2:
处理前后面波速度对照表表2
深度(米)
处理前(米/秒)
处理后(米/秒)
0-2.5
70-90
100-130
2.5-8.0
100-130
120-140
从表中可见地基土面波速度在处理范围内整体有所提高。
在试验路沉管碎石桩处理范围内作了6条高密度电法横断面,从电阻率大小情况来看,在处理深度内电阻率分布比较均匀,整体有所上升(见表3)表3
深度(米)
处理前(欧姆.米)
处理后(欧姆.米)
0-2.5
10.8-14.6
17.3-24.0
2.5-8.0
14.6-19.5
17.1-40.0
⒋载荷试验测试结果分析
在试验路沉管碎石桩处理范围内分别做了桩间土、桩和单桩复合地基3个载荷试验,承载板的直径或边长分别为500mm(圆形)、450mm(圆形)、1400mm(方形)。
桩径为450mm碎石桩单桩极限承载力设计要求95KN,实测为126KN;复合地基承载力设计要求140KN,实测为187KN,达到设计要求。
另碎石桩的密实度于测试时间有很大的关系。
在试验路测试中,施工完成8~18天的击数最大为21击,间隔20天后再测试的击数最大达30击,且地面以下5.5米的桩体击数大部分大于24击,这与桩间土的施工扰动和恢复有关,建议规定碎石桩密实度的测试时间为8~18天。
㈤沉降、位移观测分析
⒈分层沉降
下图为软土地基经沉管碎石桩处理后分层沉降沿土层深度的分布曲线,图中表明,0~10米的相对沉降-41毫米,地面的绝对沉降-58毫米,沉降沿深度非均匀的衰减。
0~2米和6~10米的相对沉降较大,分别为-7毫米和-31毫米,而2~6米几乎无相对沉降,这说明沉管碎石桩的加固区域2~6米范围内的地基强度高、刚度大。
⒉2、侧向水平位移
下图为经沉管碎石桩处治后的软土地基在填土荷载作用下路基坡脚的侧向水平位移过程线。
图中表明,侧向水平位移较小,满足规范设计要求,用沉管碎石桩处理的软土地基后的刚度较大。
从观测结果可以看出,一般路基的水平位移和沉降成线形变化的,沉降大水平位移随之增大。
㈥结束语
试验路软土地基沉管碎石桩加水施工处理检测结果表明,这种方法是行之有效的,具有施工简单、经济合理和工效高的特点。
但在施工中,要采取有效的排水措施,可以开挖纵横向排水沟和集中排水坑,以保证施工场地清洁。
在具体施工方案的选择上,还要综合考虑到工程地质条件、工期、工程用料、用地条件一以及对周围环境的影响等因素。
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