刘克亮
中铁市政环境建设有限公司 上海 200331
混凝土灌注桩在工程上被大量应用。为了保证桩头质量,灌注桩施工时都会超灌,待桩头挖出后再将超灌桩头截除。目前,应用较广的破除桩头方法有人工破除、机械破除、化学药剂破除等[1-2],其优缺点对比如表1所示。
表1 各种截桩头方法的优缺点对比
本工程拆除内容为建筑装饰层拆除、砌块隔墙拆除、机电管线及设备拆除、大量结构改造拆除等,含合同内拆除内容及大量后期改造的额外拆除内容,拆除体量巨大。
原计划采用1台SC200/200施工升降机用于建筑垃圾的垂直运输,但由于施工场地限制及施工材料运输问题,施工升降机完全不能承担建筑垃圾的楼层清运,造成楼层内垃圾大量堆积,后续施工难以展开。
从表1中对比可以看出,目前常用的破除方法存在施工效率低、破除后桩头质量差、施工成本高、职业健康危害大等缺点。
免剥离免环切截桩头施工工艺的原理为:将事先加工好的套管直接套入钢筋笼端部的主筋和声测管外端表面并固定,将桩头部位的混凝土与主筋、声测管有效隔离,隔断混凝土与钢筋、声测管间的握裹力及摩擦力;将复合脱松套箍在桩顶处主筋外围,形成裂缝诱发槽;采用水钻在复合脱松套形成的裂缝诱发槽内钻孔,用液压劈裂枪插入孔洞内截断桩头混凝土;最后利用起吊设备将桩头吊出。工艺原理如图1所示。
为降低免剥离免环切截桩头施工工艺的施工成本,通过选取不同规格、不同类型的钢筋隔离材料进行试验对比分析,确定经济合理的隔离材料。
图1 免剥离免环切截桩头工艺原理
试验选取了PVC(聚氯乙烯)管材、PE(聚乙烯)管材、PPR(三型聚丙烯)管材、聚氨酯保温管、海绵等不同规格、不同型号的材料进行分析。
1)将隔离材料分别包裹在φ25 mm钢筋外侧,每种材料包裹2根钢筋,将包裹上套管及其他材料的钢筋放入φ315 mm×4.5 mm的 PVC-U(硬聚氯乙烯)排水管内,并在管内灌注C30混凝土,完成单筋拉拔试件(图2)。
图2 拉拔试件
2)待试件混凝土强度达到设计强度后,采用锚杆综合参数测定仪进行钢筋拉拔检测并记录拉拔力数据。
3)通过试验结果分析,所有硬质管道均可作为钢筋的隔离套管使用,结合材料价格,本着经济合理的原则,选用PVC管作为钢筋外包套管最佳。
通过有限元建模分析,模拟分析液压劈裂枪截断桩头的过程,确定不同桩径桩头截断所需的液压劈裂枪数量及孔洞布置参数。
采用MIDAS FEA软件的三维实体单元开展线弹性静力分析。混凝土材料取C30,抗拉强度标准值为2.01 MPa。孔洞深25 cm,孔直径50 mm。边界条件设置为桩底面固支,约束三向线位移和三向角位移。假定枪头张力满载最大为6 000 kN,以压力形式均匀作用在孔四周表面上,作用力为26.4 MPa。
对桩径100 cm的模型进行详细计算,对比三孔加载的发展过程。计算结果为:经过一次加载后,孔洞周围发生破碎,破碎呈围绕孔洞的环状带,如图3所示(图中方格网是为了方便度量破碎范围,一小格的长度表示50 mm)。横向裂开宽度100~200 mm,沿孔开裂深度300~400 mm。
图3 D-1000-3-42超过抗拉强度的范围
根据以上模型,孔洞周围失效混凝土的直径按150 mm 估算加载后的开裂情况如图4所示。
图4 D-1000-3-150超过抗拉强度的范围
可见,此时模型的横断面内,有超过80%的混凝土已经破坏,估计三孔加载下,可以使得桩在孔洞所在横截面发生断裂。通过建模分析,采用直径50 mm劈裂枪头,在孔深250 mm的条件下,可通过3把劈裂枪头进行桩头破除作业。
免剥离免环切截桩头施工工艺已成功应用于武汉市轨道交通5号线第一标段工程中。该工程位于武汉市洪山区,包含4站5区间,线路总长7.7 km,全部为高架车站及高架区间。区间为现浇箱梁,桥梁承台基础为钻孔灌注桩。其中DN1 000 mm钻孔桩444根、DN1 200 mm钻孔桩938根、DN1 500 mm钻孔桩72根、DN2 200 mm钻孔桩16根、附属工程基础钻孔桩476根。
1)钢筋笼加工完毕后,将加工好的PVC管直接套入钢筋笼位于桩顶以上部分的主筋上,套管底部使用扎丝穿入PVC管上的小孔绑扎在钢筋上,将套管固定。在设计桩顶位置处的主筋外侧,缠绕一圈φ50 mm软橡胶管,橡胶管底部与桩顶位置平齐,橡胶管内穿12#铁丝,在对接接头处系紧捆牢,接头处用胶带裹紧密封,形成复合脱松套。每隔50 cm使用20#铁丝将套管与主筋捆扎一道,确保套管不会上浮或者被挤偏(图5)。
图5 钢筋笼安装套管和复合脱松套
2)在桩头被挖出后,将复合脱松套外表面混凝土凿 除,剪断接头处铁丝,拽出复合脱松套,使桩身形成一条环状凹槽,此为裂缝诱发槽。
3)采用手持式水钻配直径50 mm钻头在凹槽内钻出3个25 cm深度孔洞,孔洞间夹角控制在90°~120°之间。
4)采用3把液压劈裂枪插入孔洞后,同步运行将桩头劈裂,并将桩头吊出。
1)主筋套管(PVC管)的加工长度=桩头主筋长度+3 cm。
2)夹布橡胶管缠绕在主筋外围,捆绑位置控制范围为桩头标高以上10 cm内。
3)根据现场实测数据计算钢筋笼吊筋长度,严格控制钢筋笼顶面标高。
4)灌注混凝土时采用有效措施控制钢筋笼不上浮。
5)PVC套管及复合脱松套橡胶管需要提前截断和加工,PVC管无破损或扭曲。套管安装后必须与主筋固定牢固。两端严密封堵,确保不会进浆。
6)复合脱松套安装时与主筋捆绑牢固,在接头处严密封堵,确保管内不会进浆。
7)钢筋笼安装完套管及复合脱松套后,移动转运时,做好套管等的保护工作,防止损坏套管。
8)灌桩过程中,防止导管碰撞桩头钢筋笼,不得破坏钢筋套管及脱松套。
9)复合脱松套拆除后,找到钢筋笼主筋位置后再使用水钻钻孔,防止水钻钻到钢筋。
10)水钻钻孔时,孔洞控制在一个水平面上,确保桩头截面平整,液压劈裂枪作业时,确保3把液压劈裂枪同时工作,防止截断面不平整。
11)起重设备的起重能力要与所吊桩头质量匹配,当起重设备起重能力较小时,可将桩头截断为多节或者破裂成小块后分别吊装。
免剥离免环切截桩头施工工艺具有比较明显的技术优势:
1)职业健康危害小。采用该工艺施工基本无粉尘,噪声小,不会对操作人员的身体产生危害,有效地降低了职业健康安全风险。
2)施工工效高。根据现场实测,2名工人在1 h左右就可以完成1个桩头的截除施工。1 d可以完成6~8根桩基的截桩头工作。该工艺的工效是传统环切+剥离施工工艺的6~8倍。
3)桩头质量高。应用该工艺截桩头,桩身截断面平整,不需要二次修整,且桩头钢筋保护良好,不会被弯曲或者污染。
4)节能环保成效突出。该工艺在截桩头施工中主要用到的机具均为小型机具,同时因为工效高、施工时间短,较传统的空气压缩机、风镐破除施工节能效果突出。同时,该工艺施工时不产生粉尘、无强噪声,不产生大量碎裂混凝土块等建筑垃圾,环保效益突出。
免剥离免环切截桩头施工工艺避开了以往截桩头施工中使用机械凿除大量混凝土的方法,应用市场上常见的PVC 管、液压劈裂机等材料机具,能够简单快速地完成截桩头施工。
该工艺在应用上兼具操作简单、便于推行、职业健康安全危害小、截桩头质量高、施工工效高、经济性好、节能环保成效突出等特点,符合绿色施工发展的需求,极具推广应用前景[3-6]。