低标号素混凝土桩在六潜高速公路软基处理中的应用

低标号素混凝土桩在六潜高速公路软基处理中的应用都春苗 秦卫 孙海鹏 高福华 （安徽省公路勘测设计院 安徽合肥 230014）摘要六岳高速公路原设计为干振复合桩处理软基，但在施工时由于地下水非常丰富，桩顶浮浆过多，无法成桩。根据试桩结果变更为低标号混凝土桩，本文从低标号素混凝土桩的设计参数，沉降和稳定性计算，施工方法以及施工注意事项等方面指出低标号素混凝土桩技术要点，并探讨了该技术的优点、存在问题，同时对其推广提出了一些建议。关键词低标号混凝土桩；软基处理；设计与施工1 概述六安至潜山高速公路是国家重点公路规划中的东营香港（口岸）公路的一段，同时也是安徽省“十五”交通重点项目之一。项目位于大别山腹地，全长72.287公路。其中在K10+220K11+100段分布有河滨相沉积的软土，软塑流塑状, 厚约5m8m，软土分布呈夹层状和透镜体状，含少量粉细砂,基底为砂层,透水性较好。原设计为干振复合桩处理，采用15型振动沉管、管内投料施工，设计桩体材料配合比为：“胶凝材料：砂：石=1：1：2”，其中胶凝材料为“粉煤灰：石灰：水泥：外加剂=1：0.24：0.14：0.05”，外加剂选用硫酸钠。但在施工试桩时发现由于基底为砂层，地下水非常丰富，沉管投料后桩体还没来得及凝固就被涌上来的地下水冲散，粉煤灰、石灰等轻质材料浮在桩体表面，桩顶浮浆过多，无法成桩。通过分析认为，出现该情况一是由于地下水丰富，而且为承压水，二是由于松散体状的粉煤灰在配合比中所占比例过高，而具有固结作用的水泥含量偏低，桩体材料凝固速度慢，凝固力低。因此通过调整粉煤灰和水泥的比重进行多次试桩，但效果还是不理想，最后采用不掺加粉煤灰，直接按“水泥：砂：石=1：3：6”以低标号混凝土配合比试桩，成桩效果较好，桩体较为完整，强度较高。根据试桩结果，调整设计，变更为采用振动沉管低标号混凝土桩进行加固。2 低标号素混凝土桩复合地基设计及参数由于低标号素混凝土桩在省内首次应用于高速公路软基处理中，以前没有这方面的设计规范与标准，这次调整设计采用按复合地基理论计算和现场试桩检测相结合的方法来确定设计、施工参数和指标。2.1软基路堤沉降与稳定性计算沉降计算采用复合地基的沉降计算理论进行，低标号素混凝土桩作为高粘结强度桩与砂垫层、桩间土共同形成复合地基，通常复合地基沉降计算方法认为复合地基的沉降为加固区压缩量和下卧层沉降量之和，下卧层沉降量常采用分层总和法计算，加固区压缩量计算有应力修正法。本路段设计路堤高度7.2m，路堤设计顶宽26m，边坡坡度:1:1.5，工后沉降基准期15年。通过计算：路面竣工时,地基沉降 = 0.260(m)工后沉降基准期结束时,地基沉降 = 0.515(m)路面竣工后,基准期内的残余沉降 = 0.255(m)最终地基总沉降 = 1.200*0.641 = 0.769(m)根据软土的土质参数通过计算得出填土时间-沉降曲线与填土时间固结度曲线，如图所示：稳定采用有效固结应力法计算，通过计算：总的下滑力为1744.248(kN)，总的抗滑力为2795.661(kN)，滑动安全系数为1.603，为稳定状态。2.2软基地基承载力设计验算现将该几段选有代表性的钻孔地质资料计算如下：复合地基承载力表达式为： Fck = mFpk+(1-m)Fsk 式中：Fck 复合地基承载力标准值； Fpk 桩体承载力标准值； Fsk 桩间土承载力标准值； m 复合地基置换率。 对于等边三角形排列桩孔，其复合地基置换率为： m = 0.9069d2/S2 式中：S 桩孔间距； d 桩孔直径；设计桩长6m，桩径30cm，桩间距1.2m，按设计要求28天单桩承载力取1000kPa，桩间土承载力按软土标准取80kPa m = 0.9069d2/S2=0.9069*0.32/1.22=0.0567 Fck = mFpk+(1-m)Fsk=0.0567*1000+(1-0.0567)*80=132.16 kPa填土平均高5.5m，路基的重力密度（千牛顿/立方米）：19计算路堤基底压力：5.5*19 = 104.5 kPa 因此 Fck=132.16 kPa 104.5 kPa 满足路堤基底压力要求。2.3 处理措施及设计参数2.3.1 小型构造物处箱涵通道加固处理范围，划分B、A、B段3个加固处理区（具体情况详见下表），A区为加密加强处理区，B区为过渡处理区，其中在加密处理区A区桩顶铺设20厘米厚土工格室装碎石回填、压实，并在桩顶垫层的铺设完成后，铺上5厘米厚的砂垫层。布桩型式采用正三角形，平行涵洞的中轴线对称布桩，桩长经计算并结合该地区类似工程经验最终确定。涵洞、通道A区处理长（m）A区桩排数B区处理长度(m)B区桩排数1.25圆管涵/2.77/cos45.20/cos62m涵洞、通道/3.46/cos56.06/cos73m涵洞、通道/4.16/cos66.93/cos84m涵洞、通道/5.54/cos88.66/cos10 （为涵洞的设置角度）设计通过调整桩间距的方法控制构造物处与一般路堤段的差异沉降。控制有效桩长不变，A区的桩顶标高要满足至少高出涵洞基础的底面标高以上50厘米，开挖基坑时再予以破除，以保证桩头的完好性，桩间距0.8米；B区的桩顶标高按正常工艺控制，到施工工作面，桩间距1.0米。涵洞、通道处进行低标号素混凝土桩处理之后，原则上不再填土预压反开挖施工，而是在复合地基强度经检验合格后，直接在处理完毕的地基上做涵洞或通道，结构物做好后，再填土至设计高度。2.3.2 桥坡段桥坡段按2倍左右的台后填土高度等分A、B、C段3个加固处理区，采用有效桩长不变，通过调整间距控制桥坡段与一般路堤段的差异沉降的方法进行过渡处理。 （桥头段低标号素混凝土桩处理立面布置图）A区桩间距0.8米，B区桩间距1.0米，C区桩间距1.2米，另外在台前1.52倍左右的台后填土高度范围内及桥台锥坡地范围内也要进行处理，称之为D区，桩间距1.2米，D区不设桩顶垫层，整平填土即可。桥台基桩周围调整低标号素混凝土桩布置，桥台基桩周边50厘米的范围不进行低标号素混凝土桩施工。布桩型式采用正三角形，按平行于桥台走向布设；桩长经计算并结合该地区类似工程经验最终确定。软基段应先进行软基处理，然后进行桥台桩基施工。3 低标号素混凝土桩的施工3.1施工工艺选用15T型振动锤振动沉管、管内投料成桩。成桩工艺流程如下：桩机就位沉管投料（拌和） 振动拔管 成桩移位材料搅拌，施工步骤如下：1、将主机安置于沉管位置，接上底端装有活瓣开启式或分离式管靴的套管，以避免土或水进入套管中，将套管立于打桩位置。2、启动振动锤将套管按设计要求的深度沉入到软土中。3、当套管穿透软土层后立即开始拌料，根据设计配合比采用离心式拌和机对桩体混合料进行拌和均匀。4、将拌和好的混合料通过装料漏斗送入孔中并通过振动能力将其振实。5、密封套管管口并振动提升套管，使混合料落入孔中。提升速度应慢速进行，每当提升1米后停止提升。这时继续振动20s30s使混合料密实。6、成桩完毕后移动桩机至下一桩位，同时对刚施工完毕的干振桩进行检查并作好施工记录（施工时间、桩位编号、入土深度、混合料使用量），同时检根据土层含水率情况对桩头洒水，最后采用砂土对桩口进行封闭。3.2施工注意事项1、打桩顺序采用连续施打顺序施工。连续打桩施工时，对相邻桩的振动影响是显著的。通常这种振动对相邻已施工的桩起到辅助再振实的作用。对于含水量丰富的地层，这种辅助振实类似于对湿拌混凝土的附着式振捣，因而使桩身变得更加密实。当土层中含水量大于30%时，复合料采用干料；当土层中含水量小于20%时，则必须采用湿料；而当土层中含水量小于30%，大于20%时，采用干料浇注成桩后，再在桩头加少量水。2、拔管拔管速度过快，会导致成桩直径较小，甚至产生缩径或断桩；拔管速度过慢，由于振动时间长容易产生离析，会使得桩体下部粗颗粒材料含量较多，桩顶细颗粒材料含量过多而降低强度。因此，施工时拔管速度应控制在1.01.5m/min。3、振动沉管干料这种施工工艺对桩间土一般有两方面的影响，其一是由于挤密作用而使得桩间土变得更密实；其二是干料吸水作用使桩间土含水量减少而改变桩间土的性质，因此除密实砂土、粉土以外，一般情况下，桩间土的承载力都会得到提高。4 低标号素混凝土桩的质量检测 质量检测除了检查施工原始记录、桩长、桩数以及桩偏差等常规检测外，重点做了现场载荷试验，随机进行了3根桩单桩静载荷试验以及3组复合地基静载荷试验，由于路堤对地基承载力的要求不高，因此载荷试验未达到破坏荷载，所加的荷载为设计最大荷载，复合地基采用2x2的加载板，通过试验结果表明:三根单桩复合地基静载试验和三根单桩静载试验的Q -s曲线、s -lg(t)曲线均未出现陡降迹象,按相对变形s/b =0.01确定复合地基承载力,单桩复合地基在标准值为400kPa 的荷载下沉降值与压板作用宽度之比s/b 分别为0.009、0.0096、0.004,其比值均小于0.01,表明单桩复合地基承载力满足设计要求。单桩静载试验在标准值为650kN 时,沉降分别为2mm、3.6mm、3.6mm,说明单桩承载力仍有很大潜力。 因此地基承载力均大大高于设计要求值，质量检测结果表明低标号素混凝土桩处理软土地基效果良好。5 结束语 目前六岳高速公路低标号素混凝土桩加固软基施工已经结束，通过静载试验和抗压强度试验检测验收，均达到设计要求，取得较好的效果，得到较高的评价，总结低标号素混凝土桩处理软基有如下特点： （1）低标号素混凝土桩采