浅析振动沉模现浇混凝土薄壁管桩施工工艺控制

振动沉模现浇混凝土薄壁管桩施工曲宏福 孙瑜（南宁分公司常张项目）摘 要 本文着重阐述薄壁管桩施工工艺控制和施工中出现的问题（或病害）及处理措施。通过二步法施工有效控制振动沉模现浇混凝土薄壁管桩在较高地下水位软土地基中的成桩质量；有效控制混凝土塌落度保证并提高桩体的强度。关键词 振动沉模现浇混凝土薄壁管桩 混凝土 施工工艺 1.前言振动沉模现浇混凝土薄壁管桩的软土地基加固技术，是岩土工程界最近开发的新桩型。振动沉模现浇混凝土薄壁管桩通过把桩体作为地基中的竖向增强体与土体共同作用，构成复合地基，加强土压力，增强土体间摩擦力，从而达到提高地基承载力的目的。其主要优点是造价低廉、施工速度快、加固处理深度不受限制，适宜各种地质条件，可明显增加路基的稳定性、提高地基的承载力和减少变形，降低工程造价，提高施工速度。施工原理：先将套管对准沉桩位置，依靠沉腔上部高振激力锤头振动产生的振动力，将内外双层钢管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打入预定的设计深度或者桩长下0.1m左右，使管中心土体与管外土体形成混凝土模，清除周边多余地基土。随后振动拔管，并同时在腔体内浇注混凝土，在环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土薄壁管桩。桩顶部激振器的竖向往复振动产生的激振力，将腔体模板沉入地层。当这个激振力大于桩尖法向力的竖向分力、桩尖摩擦力的竖向分力、地基土体对钢管壁周边的摩阻力的合力时，两层钢管沉入地下。由于钢壁套管在往复振动力作用下使土体受到强迫震动产生局部剪胀破坏、液化破坏，土体的摩擦力下降很大，阻力减小，钢壁套管的沉入速度有一定的提高。同时挤压、振密作用使得环形腔体模板中土芯和周边一定范围内的土体得到密实。在振动力的作用下套管沉入土中后浇注混凝土。当振动提拔钢管时，钢管在上拔过程中能起到护壁作用，不会出现缩壁和塌壁等意外事故。使整个混凝土桩浇注过程一次性完成，保证了混凝土在凝结硬化过程中的稳定性；套管在拔出时不断的振动对管内及槽孔内的混凝土有连续振捣作用，保证混凝土有一定的压力，使混凝土充分流动填充，确保成桩的密实性。同时混凝土向两侧挤压，管桩壁厚增加；振动沉模现浇混凝土薄壁管桩的施工过程中，在振动沉桩、振动拔桩、浇注混凝土、挤压土体和排土作用下，对桩间土起到挤压、密实作用，从而提高了地基土体的稳定性和承载力。振动沉模现浇混凝土薄壁管桩技术在高等级公路工程软基加固中的使用中有许多优点。管头结构由钢筋混凝土桩头改成活瓣桩靴结构，降低了成本并且加快了施工进度；从桩的形态来看，这是属于薄壁筒形桩，与实心桩比较来说，桩的摩擦力要高很多，而且由于桩直径很大（800 1500mm），充分发挥了桩的强度和稳定性；从桩的性质看，属于挤土桩，增强土压力，从而提高地基承载力；从桩受力能力看，能承受巨大的压应力，也可以承受强大的水平推力，而且可以组成多种形式的组合，形成单体排列的联体，也可用梁连成空间框架结构，并且桩体与桩周土形成变形很小的刚性复合地基，提高地基的稳定性；从结构特点来看，是现场灌注的薄壁圆形结构，有较强的抗压抗弯性能；从施工角度来看，它是连续浇灌而成，提高了桩身强度，而且施工方便迅速，可操作性强，便于质量监督管理；从桩基检测来看，可以采用人工开挖进行检测(应该在桩基完工14d以后进行)，也可以采用反射波法对桩身的完整性进行检测 。这些桩基检测方法费用低，检测施工的周期短应用范围广。这种桩基的用途十分广泛，目前已经应用于工业及民用建筑的基础、高速公路，特别是在海洋工程中发挥极佳的作用。振动沉模现浇混凝土管桩在目前的应用中，通常桩径为 800 1500mm，并正在向更大直径的方向发展；壁厚在100200mm之间；处理深度可达25m；混凝土强度通常采用C15C20。2.工程概况湖南省常德至张家界高速公路第四合同段K19+600K19+700段软土路基处理采用振动沉模现浇混凝土薄壁管桩，桩径为1000mm，壁厚为120mm，处理深度平均为14m，混凝土强度为C15。群桩成长方形型布置，横排间距为3m，纵排间距为3.5m，共计532根，7448m，群桩顶布置两层0.25m碎石垫层及两层土工格栅。（以下本工程均指此段工程施工）（1）场地工程软土区地貌地质概况从上到下的土层分布为：种植土：为水田表土，厚度约0.3m（属软土地基）；低液限粘土：褐黄色，可塑硬塑状为主，厚度约为23.2m，局部厚度达6.5m，但中间夹软塑可塑状（属软土地基）；有机质低液限粉土：灰褐色，软塑可塑状，厚度约为6.710.7m（属软土地基）；卵石夹土：中密密实状，厚度约2m左右，分布于整个软土区；粉沙岩：厚层状，钙泥质胶结，岩石遇水易软化。（2）水文地质条件地下水主要为松散堆积层孔隙水，主要赋存在粘土质砂、卵石夹土层，地下水与地表河水互为补给，施工地段附近为长江的支流沅江，所以此处地下水丰富，地下水位距离地表在10m20m不等深度，孔隙水压力较大。3.施工工艺流程施工准备桩机定位振动沉管浇注混凝土振动拔管成桩移机等待混凝土强度检测（见图1）。图 1 施工流程示意图4.施工设备和材料 施工设备一览表序号设备名称单位型号及规格数量产地额定功率kw备注1振动沉模管桩机套ZD-1002南京1802砼搅拌机台JGZ2山东203翻斗车辆1.5t2山东4吊车辆16t1徐州5千斤顶个25T4南京材料一览表序号名称单位数量备注1水泥吨6502砂吨14203卵石吨23204水吨330 5.施工要点5.1 地下水的影响及控制措施本工程由于毗邻沅江，所以地下水丰富，孔隙水压力大，在浇筑混凝土及提管的过程中容易引起埋管及断桩。在成桩过程中，为保证地下水、流沙、淤泥从桩靴进入管腔而形成病害，本工程混凝土浇筑采用二步法施工工艺，即在桩管下沉到地下水以上即进行第一次混凝土浇筑，将桩靴完全封闭，以阻止地下水、淤泥等进入桩管，然后继续下沉到设计深度后进行第二次浇筑成桩。本段薄壁管桩施工正常提管速度控制在1.2m1.8m/min,在地下水丰富深度范围提管速度控制在0.6m/min以下，从而防止因提管过快而使管内进水造成夹泥引起断桩缩颈。通过这些措施有效提高了薄壁管桩在较高地下水位软土地基中的施工质量。5.2 混凝土塌落度的影响及控制措施本工程C15混凝土配合比为水泥：砂：卵石：水1：2.392：3.902：0.54，水灰比为0.54。水泥强度等级为P32.5；卵石采用5-20mm（75）及20-40mm（25）两种规格进行相应比例掺配，掺配后的表观密度为2.664g/cm3；砂采用II区中砂，细度模数为2.8，表观密度为2.632 g/cm3。混凝土坍落度的大小直接影响到成桩后桩身混凝土的强度，而薄壁管桩由于钢模空腔的厚度较小(一般12cm左右)，过小的坍落度不利于混凝土在钢模腔内的流动，坍落度过大则由于振动的影响而易形成离析造成混凝土卡管，混凝土坍落度的控制就显得更为重要。如何根据不同的地质条件及不同空腔厚度选择合适的坍落度是一个值得研究的问题。本工程的实践经验得出混凝土坍落度控制在5080mm较为合适，塌落度最佳值控制为70mm。针对不同土质和水文条件，塌落度的最佳值也随之改变，所以在土质和水文条件变化大的路段应该加强塌落度的控制，以保证薄壁管桩的成桩质量。5.3 提管速度和其他因素的影响及控制措施为尽量不影响混凝土在浇筑及提管时的和易性及塌落度，灌注时在桩管内灌满混凝土后，先振动510S，再边振边拔。桩管内应保持不少于2 m 高的混凝土。一般拔管速度应为0.81.2 m/min，且不宜大于1.5 m/min。遇到特别软弱土层时，应适当降低拔管速度并在土层分界面附近作适当的停顿。如遇到较硬夹层，可利用专门设计的成模润滑造浆器在沉桩过程中注入泥浆。在桩距较小时为保证相邻桩在成桩过程中不互相影响，施工顺序可采用隔孔隔排施工工序。浇筑后的桩顶应高出设计标高至少50cm，并予保护，浮浆层应凿除。为保证桩体的质量，薄壁管桩的实际浇筑混凝土量不得小于理论计算体积。5.4 群桩施工的影响及控制措施在施工范围比较大的情况下，由于每处地质及水文情况不同，导致桩与桩之间地基承载力有所不同，有时承载力的差异会比较大，那么在路基填筑或者使用期间可能会引起路基的不均匀沉降，形成病害。为了保证桩与土共同承担荷载并调整桩与桩间土之间竖向荷载与水平荷载的分担比例，减少基础底面的应力集中，在桩顶设置褥垫层显得十分重要。本工程桩顶设置了两层碎石垫层及两层土工格栅，达到加固现场土体的目的，大大减少了路基的不均匀沉降。6.施工效果 1、工效方面：通过不断以上对影响施工的因素进行有效的控制，加快了施工进度，使工期由计划工期45天减少至30天，缩短工期半个月。2、质量方面：通过由武汉市建筑工程质量监督检测中心对此段薄壁管桩进行的单桩竖向荷载试验及长沙中南大学建设工程检测技术有限公司对此段薄壁管桩进行的基桩低应变动力检测表明， 99的薄壁桩达到合格，95达到优良；通过业主及监理工程师对此段路基进行的荷兰轻型动力触探仪地基承载力检测表明，承载力均大于100kp，全部符合设计与规范要求。3、成本方面:从资金投入上看此段薄壁管桩开工前预计投资150万元，经过精心组织、合理安排、有效进行施工控制，使最终投资减少了近20万元；由于工期缩短了近半个月，在管理上也带来了一定的经济效益。 7.存在的问题振动沉模现浇薄壁管桩的施工也有一定的缺陷，桩的局部可能存在蜂窝、离析，严重时可能出现断桩。其原因是桩直径大、沉模深(混凝土落差大)，不利于混凝土的均匀浇注，若混凝土配合比和坍落度控制不好，则容易产生局部蜂窝、离析等胶结不良的缺陷；混凝土管桩施工速度快(一般13m、14m长的桩下沉时间只要10min左右，拔管时间20min左右，甚至更快)，加上管壁较薄，若拔管速度过快或拔管速度不均匀，则一方面可能将桩芯土和部分混凝土随管拔起，造成“真空” 吸蚀，使混凝土流入环内，形成所谓“竹节” 现象，混凝土实际灌入量大于理论计算值(超灌)；另一方面，管内混凝土在向上力的作用下，降低了对下部混凝土和桩周土的挤压作用， 承压的流塑状软土就会挤入混凝土内，使混凝土管壁变薄，严重时形成“断桩”。“竹节” 现象可以增大管桩的抗弯力矩，增强桩体抗水平荷载的能力，但对桩芯土模阻力的发挥有一定影响，若出现在中浅部位，则在检测时常表现为“断桩”假异常，对于存在“严重缺陷” 的桩，要根据反射波波形、相位特征，结合软土地基工程勘察资料和施工记录，对其成因进行综合分析，以客观评价其完整性和质量。8.结语1、振动沉模现浇混凝土管桩技术吸收了预应力管桩、振动沉管桩和振动沉模薄壁防渗墙等技术的优点，具有承载力提高、幅度可调范围大、变形模量高、桩体质量及耐久性有保障等特点，且有效地降低了基础处理成本，提高地基承载力，是控制地基变形的一种极为有效的方式。2、二步法浇筑混凝土施工能有效提高在地下水丰富地段的成桩质量；3、通过对塌落度及提管时间的控制，可大大降低埋管、离析及断桩等现象的发生；4、通过对提管速度及其他因素的控制有效降低了病害的产生，从而提高了成桩质量。5、虽然振动沉模现浇管桩也是软土地区的优质高效桩，且有较大的应用推广价值，但依旧存在某些问题，仍需在实践中完善及改进施工装备和工艺。参考文献：l刘汉龙，陈永辉高速公路软土地基处理新技术A全国岩土与工程学术大会论文集C北京：人民交通出版社，2003910-9152刘汉龙，郝小员，费