现浇薄壁筒桩在深厚层软基处理中的应用

周 坤,叶春林

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

现浇混凝土薄壁筒桩又称现浇薄壁筒桩,是一种新型刚性复合地基处理技术,具有挤土少、深成桩、高承载力、桩径不受限制、无泥浆污染等优点。近年来在沿海高等级公路、市政、水利及航运码头等软基加固和基坑支护工程中得到广泛应用,取得了良好的社会和经济效益。

1 现浇薄壁筒桩加固台州站深厚层软基方案由来

1.1 台州站原设计情况

1.1.1 场地工程地质及水文地质条件

台州站地处浙江省台中市黄岩区林附近,地形平坦开阔,辟为农田、村舍,属海积平原。表层为第四系全新统黏土,褐黄色,软塑,厚约 2～3m;下为淤泥,灰色,流塑,有机质含量较高,层厚 10～25m;淤泥质黏土 ,灰色 ,流塑,层厚 5 ～ 10m;下为粉质黏土 ,黄色,硬塑,厚 2～5m;细圆砾土,浅黄色,中密,饱和,层厚 10 m,砾石约占 50%,直径为 0.2～2 cm;黏土,灰黄色,软塑,厚 4～10 m;底部为中密状砂类土或凝灰岩风化层。

第四系孔隙潜水较发育,水位埋深较浅,为 0.5～2.0m,地下水对混凝土无侵蚀性。

根据《中国地震动参数区划图》(GB19306)及《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006),本场地抗震设防烈度小于 6度,地震动峰值加速度≤0.05g。

1.1.2 原设计加固措施

甬台温铁路北起浙江省宁波市,南至温州,线路全长 282.393 km,为设计时速 200 km客货共线铁路,是沿海通道的重要组成部分。软土地基路堤工后沉降控制值:正线为 ΔS≤15 cm,沉降速率 ＜4 cm/年;桥路过渡段 ΔS≤8 cm。采用复合模量计算工后沉降。

台州站路堤填高 5～6m,正线及站线主要依据软土厚度和工后沉降的大小分别采用了搅拌桩、CFG桩和预应力管桩加固,桩顶设置 0.5m厚碎石垫层,并夹铺一层 10 cm厚的高强土工格室。搅拌桩加固深度 8～20 m,桩径 0.5m,间距 1.3m,三角形布置;CFG桩加固深度 20～28m,桩径 0.5m,间距 1.8m,正方形布置;预应力管桩加固深度 28～45m,桩径 0.5m,间距 2.4m,正方形布置。共设计搅拌桩 85 367m/6 313根,CFG桩 173 775m/7 482根,预应力管桩563 625m/14 358根。CFG桩加固地段代表性设计横断面见图1。

图1 台州站 CFG桩软基加固代表性横断面(单位:m)

1.2 调整地基加固方案的原因

施工单位于 2006年 9月在 DK147+110附近进行了 3根试桩,设计单桩承载力检测合格。2006年 10月进行大面积施工,累计成桩 3 034根。同年 12月对4根 CFG桩进行了单桩载荷试验,发现单桩承载力都只能达到 300 kN左右,沉降量过大,不满足设计要求,后经小应变无损检测发现每根桩都存在断桩现象。2007年 4月进行 5根 CFG桩的钻探取芯验证,发现每根桩在 5m左右发生错断,且错位方向基本一致,即与打桩前进的方向相反。

由于台州站 CFG桩的施工工艺基本一致,初步判定已施工的 3 034根 CFG桩都发生了断桩现象,不能满足设计要求,对 CFG桩已施工地段必须进行地基补强加固,而对 CFG桩未施工地段必须进行加固方案的调整。

1.3 各种软基加固方案的经济技术比选

目前,加固高标准铁路(客运专线)深厚层软土地基的措施不外乎 CFG桩、旋喷桩、预应力管桩、碎石桩、碎石注浆桩、搅拌桩、钻孔灌注桩等,而 CFG桩在本工点出现断桩错位现象。由于受到施工机械、场地条件、技术和经济等各种因素的影响,结合本工点的实际情况,每种方案都有各自的优缺点,见表1。

表1 软基加固方案经济技术比较情况

从表1可以看出,在台州站这个特定的地质背景和工程背景前提下,采用现浇薄壁筒桩技术加固深厚层软土具有明显的综合优势。

(1)场地空间条件完全满足施工机械的走行和作业要求。

(2)现浇薄壁筒桩的有效加固深度完全满足沉降控制要求,桩体完整性较好。

(3)可结合 CFG桩施工情况布置筒桩桩位,与CFG桩一道形成多元复合地基。

(4)筒桩间距较大,具有一定的经济优势。

2 现浇薄壁筒桩在台州站现场试桩情况

2.1 试桩目的

虽然现浇薄壁筒桩已多次应用于深厚层软土地基加固和基坑支护工程,但在铁路工程中尚属首次,有必要进行现浇薄壁筒桩的试桩试验,目的是为了明确现浇薄壁筒桩的各项施工工艺,检验桩各项设计技术参数,检测其单桩承载力和桩体完整性,以便指导和完善下步的设计和施工。

2.2 试桩地点及数量

在 CFG桩未施工的 DK147+049.68地段做 3根试桩,进行成桩及检测试验,主要做单桩载荷试验和无损检测试验;在 CFG桩已施工的 DK147+066.23处做3根试桩,进行成桩及检测试验,主要做单桩多元复合地基承载力试验和无损检测试验。

现浇薄壁筒桩桩长约 26 m,单桩承载力为 900 kN,复合地基承载力为 146.6 kPa。

2.3 试桩点的工程地质概况

表层为第四系全新统黏土,褐黄色,软塑,厚 2m;下为淤泥,灰色,流塑,有机质含量较高,层厚 14.3m左右;淤泥质黏土,灰色,流塑,层厚 7.2m;粉质黏土,黄色,硬塑,厚 8.1m;下为第四系上更新统圆砾土,浅黄色,中密,饱和,砾石约占 50%,直径约为 0.2～2 cm,层厚 10m。

2.4 试桩工艺流程

现浇薄壁筒桩的施工工艺流程如下:

放样→桩尖埋设→桩机就位→振动沉管→浇筑并拔管→桩机移位→桩头插筋振动捣密→保养→相关检测。

2.5 质量检测

依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)和《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94)以及《铁路工程基桩无损检测规程》(TB10218—1999),对达到龄期的筒桩进行相关检测,各项指标均满足设计要求。

(1)低应变动力检测

采用中国武汉岩海公司生产的 RS-1616K(P)基桩检测仪对 6根桩的桩身混凝土完整性进行了检测,结果表明 6根桩均为Ⅰ类桩。详见低应变检测成果(表2)。

表2 低应变无损检测成果

(2)基桩静载试验

采用慢速分级堆载法对 1号和 6号试桩进行了单桩静载试验。单桩承载力设计值为 900 kN,预计最大加载力 1 800 kN,实测加载为 2 340 kN,对应沉降量分别为 37.2mm和 38.75mm(表3)。

采用慢速分级堆载法对 6号试桩进行了单桩多元复合地基载荷试验,荷载板尺寸为 3.6m×3.6m。设计复合地基承载力为 146.6 kPa,设计荷载为 1 900 kN,预计最大加载 3 800 kN,实测加载 3 800 kN,累计沉降量为 18.69mm。

表3 单桩静载试验成果

(3)混凝土试块强度

由于现浇薄壁筒桩是按照桩网结构或刚性桩复合地基理论加固深厚层软土地基的,要求桩体混凝土强度等级不小于 C20。为此,按照 C20混凝土强度进行配比,并现场采取部分桩头混凝土制作了 6组混凝土试块,其抗压强度均达到设计强度的 120%以上。

3 台州站现浇薄壁筒桩的变更设计

(1)DK146+712.5～DK146+955.25和 DK147+011.35～DK 147+137.5 CFG桩未施工地段筒桩间距3.2m,正方形布置。

(2)DK 146+728.7 ～DK146+750.3、DK146+829.5～ DK146+849.3、DK146+863.7 ～ DK146+883.5、DK 146+930.3～DK146+941.1和 DK147+067.1～DK147+135.5CFG桩已施工地段筒桩间距3.6m,正方形布置,见图2。

图2 CFG桩已施工地段加固设计横断面(单位:m)

(3)筒桩直径 1.0m,壁厚 0.12m,桩长 21.2～28.5 m,桩底伸入持力层不小于 2m。筒桩单桩承载力不小于 1 142 kN,单桩多元复合地基承载力不小于146.6kPa。

(4)间距 3.6m的筒桩筒内换填 30 cm C15混凝土;间距 3.2m的筒桩桩顶设 C30钢筋混凝土盖板,正方形,边长 1.8m,厚 0.35m,盖板与桩体采用螺纹钢筋连接。

(5)桩顶铺设 0.6 m厚碎石垫层,夹铺二层土工格栅(T≥110 kN/m)。

4 加固效果

4.1 基桩检测

根据施工单位自检和第三方检测的报告显示,筒桩混凝土试块强度及单桩承载力或复合地基承载力均满足设计要求,所检测基桩均为Ⅰ类桩。

4.2 路基填筑

自 2007年 2月筒桩施工完并经检测合格后,立即开展了路堤填筑工作,历时 6个多月完成路基土石方约 25万 m3,中心沉降观测成果详见图3。

图3 DK 146+800路基中心沉降-时间 -荷载曲线

由图3可见,该段路基采用薄壁筒桩加固后施工期的中心沉降约 40mm。根据双曲线法预测该段路基工后沉降量约 15mm,满足沿海铁路客运专线有砟轨道路基工后沉降标准。

5 结论

(1)现浇薄壁筒桩是在预应力管桩基础上研发而成的一种新型软基加固技术,已成功地应用于沿海客运专线铁路甬台温线台州站的深厚层软土地基加固和补强工程,与预应力管桩方案相比,节约投资约 40%,取得了良好的社会和经济效益,具有较高的推广应用价值。

(2)现浇薄壁筒桩的桩径一般 0.8～1.5m,壁厚12～18 cm,加固深度可达 32m,适应于非夹层和持力层较好的深厚层软土地基加固;具有一次成桩、自动排土、施工速度快、节约资源、无污染、承载力高、施工质量易于控制等突出优点。

(3)由于其桩体刚度较大,新建地段宜按刚性桩复合地基或桩基原理进行软土地基加固设计。

(4)因为现浇薄壁筒桩是一种新型软基加固技术,在使用时应选择具有施工经验的施工单位,根据地层情况进行必要的工艺性成桩试验。

[1] 叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998:147-178,369-418.

[2] 葛 军.现浇混凝土薄壁筒桩在客运专线中的应用[J].铁道标准设计,2009(7):23- 25.

[2] 苏 JG/T017—2004,现浇混凝土薄壁筒桩技术规程[S].

[3] 谢庆道.现浇薄壁筒桩专利技术[P].中国:ZL01244439,2002.

[4] 浙江省地质矿产工程公司.现浇混凝土薄壁筒桩的应用研究报告[R].杭州:2004.