PCC桩在铁路松软土类地基中的加固应用

吴爱群 中国铁路上海局集团有限公司新长铁路有限责任公司

1 PCC桩技术简介

PCC桩，即现浇混凝土大直径管桩，英文全称：Large Diameter Pipe Pile by using Cast-in-place Concrete，简写为PCC桩（图1）。

图1 PCC桩构造示意图

2 成桩设备

PCC桩机设备主要由底盘（包括卷扬机）、龙门支架、振动头、钢质内外套管空腔结构、活瓣桩靴结构、成模造浆器、进料口和混凝土分流器等组成。

3 工作原理及成桩机理

3.1 工作原理

该技术在设备底盘和龙门支架的支撑下，依靠上部振动头的振动力，将双层钢质套管组成的空腔结构及焊接成一体的下部活瓣桩靴沉入预定的设计深度，形成地基中空的环形域，在腔体内均匀灌注混凝土，之后振动拔管，灌注于内管中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。成模造浆器在沉桩和拔桩过程中，通过压入润滑泥浆保证套管顺利工作。活瓣桩靴在管桩打入时闭合，在拔桩时自动分开。混凝土分流器的作用使得沉管中的混凝土均匀密实。

3.2 成桩机理

现浇混凝土大直径管桩的施工机械振动沉管由两层钢管组成，内管与外管直径相差20～30cm，振动体的竖向往复振动，将腔体模板沉入地层。由于腔体模板在振动力作用下使土体受到强迫振动产生局部剪胀破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减小，提高了腔体模板的沉入速度。振动下沉时对桩侧土体排土作用较小，并形成环形腔体模板，现浇注入混凝土，振动、提拔钢管产生的挤压、振密作用使得环形腔体模板中的土芯和周边一定范围内的土体得到密实，挤压、振密的范围与环形腔体模板的厚度及原位土体的性质有关。同时混凝土从环形腔体模板下注入环形槽孔内，从而形成了沉管、浇注、振动、提拔一次性直接成桩的新工艺，保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。该桩成桩机理为：

（1）模板作用

在振动力的作用下环形腔体模板沉入土中后，浇注混凝土；当振动模板提拔时，同时混凝土从环形腔体模板下端注入环形槽孔内，空腹模板起到了护壁作用，因此不会出现缩壁和塌壁现象。

（2）振捣作用

环形腔体模板在振动提拔时，对模板内及注入槽孔内的混凝土有连续振捣作用，使桩体充分振动密实；同时又使混

凝土向两侧挤压，管桩壁厚增加。（3）挤密作用

振动沉模大直径现浇混凝土管桩在施工过程中由于振动、挤压和排土等原因，对桩间土起到了相应的密实作用；挤压、振密范围与环形腔体模板的厚度及原位土体的性质有关。

在形成复合地基时，为了保证桩与土共同承担荷载，并调整桩与桩间土的竖向荷载及水平荷载分担比例，以及减少基础底面的应力集中问题，在桩顶设置褥垫层，从而形成现浇混凝土大直径管桩复合地基。

4 主要性能指标

目前，既有施工机具的性能指标如下：

（1）沉桩深度达到20 m～25 m；

（2）桩径为1000 m～1 500 mm；

（3）管桩壁厚100 m～150 mm；

（4）混凝土可以多次加料；

（5）提升力达到30 t，压桩力加上高频振动荷载达到100 t。

5 工程应用--沪宁城际仙西联络线PCC桩工程

6.1 地质地貌

仙西联络线是联结南京南站与沪宁城际的一条客运专线，为引进PCC桩在铁路地基加固的应用，本次选择L1DXK10+260～L1DXK10+610软土地基地段，该段地形地貌为秦淮河一级阶地，基底土质为淤泥质粉质黏土，地势平坦开阔，水塘沿线路中心分布，其中L1DXK10+315～L1DXK10+511、L1DXK10+530～L1DXK10+570为水塘，水塘一般宽为20 m～30m，局部最大达40 m～50 m，水深1 m～2 m，淤泥厚0.5 m。

5.2 工程地质及水文地质概况

（0）人工填土；

（1）-1 al+plQ4淤泥质粉质黏土：褐灰色，流塑（Ⅱ）；

（1）-2 al+plQ4粉质黏土：褐黄～灰色，软塑（Ⅱ）；

（1）-3 al+plQ4粉质黏土：褐黄色，软塑（Ⅱ）；

（1）al+plQ4粉质黏土：褐黄色，硬塑，土质均匀（Ⅲ）；

（2）alQ3粉质黏土：褐黄色，硬塑（Ⅲ）；

（3）alQ3粉质黏土夹碎石，粉质黏土：褐黄色，硬塑（Ⅲ）；

（4）-1泥质砂岩：全风化，棕红色（Ⅲ）；

（4）-2泥质砂岩：强风化，紫色、棕红色（Ⅳ）；地下水不发育，测时水位埋深1.0 m～2.0 m，对混凝土无侵蚀性。

6 工程设计

6.1 主要技术指标

桩径1 m000mm，设计桩长815.5 m，管桩壁厚150 mm，混凝土标号C20，群桩间距2.5 m，布置方式按梅花形布置，桩底进入硬塑土层或全风化基岩不小于1.5 m；桩顶设0.6 m厚碎石垫层夹土工格栅，总工作量19 487 m，砼用量约为8 769.2 m3。

6.2 施工参数

根据本工程特点和设计要求，确定主要施工参数为：

（1）现浇砼强度标号，砼坍落度一般控制在60 m～80 mm，石子粒径5 mm～25 mm；砂采用中粗砂;水泥采用普通硅酸盐

32.5 等级。

（2）桩长：按设计要求8 m～15 m；

（3）桩机垂直度偏差不大于1%,水平度不大于1%；

（4）桩位布置按设计要求三角形布置，桩中心误差控制在100 mm以内;

（5）在一般土层内拔管速度宜为1.0 m/min～1.2 m/min，在松散或稍密砂土层宜控制在0.6 m/min～0.8 m/min。

6.3 施工工艺

（1）施工流程图（图2）

施工前准备→测量放样→桩机安装定位→试桩并提交试桩报告→全面施工→检测与测试→退场。

图2 工艺流程框图

（2）施工要点

①为保证在含地下水层现浇管桩的质量，保证成桩过程中地下水、流砂、淤泥不会自桩靴进入管腔，浇筑采用二步法处理，即在成桩管下到地下水位以上即进行第一次浇筑，先将桩靴完全封闭，然后继续下到设计深度后进行第二次浇筑成桩。

②为保证施工过程中桩与桩之间不互相影响，施工顺序宜采用隔孔隔排进行灌筑。

③如遇到较硬夹层，可利用专门设计的成模润滑造浆器在成桩过程中注入泥浆。

④内外管应锁定后方可起吊装配。

⑤混凝土应以细石料为主，可适当掺入减水剂，以利于腔体内砼的流动性。

⑥在遇到砂性土层时，宜放慢上提速度，软土层内的速度一般控制在1 m/min～3 m/min。

（3）施工措施与要求

①桩位测放：首先放出中心点，根据中心点放出足够的边界控制点，以中心点和边界控制点为基准，用钢尺放出桩位。中心点和边界控制点的位置偏差小于2 cm。为防止打桩产生的振动造成场内中心点或控制点偏差，在打桩前，应根据场地情况，在场地最少两侧边，距边界外5 m处设放基准线，此基准线可在测放中心点时同时放出，也可在中心点测放完成后进行，但应保证此基准线位置的准确性和可靠性，并在打桩过程中不断校核桩位。

②桩机就位并调整好桩机的水平度及垂直度，桩机水平度控制在1%以内，垂直度控制在1%以内，垂直控制以桩塔一侧放置垂线，垂线长度宜不小于桩塔高度的1/3。待各项设备到位并检查合格后，进行各单机的通电试验。桩机移机就位。

③利用沉管自重或钢丝绳加压将密封活瓣桩靴沉管压入土中一定深度，无特殊情况，压入深度应在50 cm以上，然后开动振动锤起振沉管至设计桩底标高。后使用测绳测量孔底是否有地下水进入或淤泥挤入，如大于10 cm，应在沉管前先灌入大于1米的不低于桩身标号的混凝土。以此进一步封闭套管内腔，确保成桩质量。严格控制最后30 s的电流、电压值，其值按设计要求决定。

④试桩时以设计要求为依据，就施工有关参数：土层的贯入情况，沉管进尺情况，砼的充盈系数，工作电流的大小，砼坍落度等有关参数，作好记录，根据现场试桩的实际情况，确定最后的施工技术参数，并依此作为确定整个工程桩体施工参数的主要依据。

⑤搅拌砼

管桩特点是混凝土用量较小，每延米仅0.45 m3，所以不用商品混凝土，采用现场搅拌混凝土。

进场的砼原料：水泥、砂、碎石以及混凝土配合比必须经具有相应检测资质的检测单位所出具的原料试验报告和混凝土配比报告，合格后原材料方能进场使用。混凝土制拌采用强制式砼搅拌机，搅拌时间不小于120s，砼的坍落度控制：60 mm～80 mm。砼按设计（即每50 m3或每台班）要求制作试块，且每机班组，日留置不少于三组砼试块并进行相应养护。养护可在现场设置养护池或养护室，也可在试块拆模后送至具有养护条件的养护室进行养护。到达龄期后及时送至检测单位试压。

因施工期处于秋冬季节，混凝土试块养护特别应注意养护环境的温度和湿度。

⑥灌注砼至管顶

通过提升料斗将混凝土送入成孔器。

在灌注桩身砼之前，应根据工程施工经验，结合地质报告预估充盈系数，计算投料体积，制定分批投料计划。

沉管沉至设计桩底标高后，利用提升料斗将砼从沉管上端的料斗口灌注砼至桩顶标高，如桩顶离自然地面较近，需拔管超注时，应注意不宜拔得过高，应以控制在桩需注入的砼量为限。

混凝土适当超灌，一般为50 cm，以使桩顶混凝土强度在凿除桩顶浮浆后满足设计要求。

详细记录灌注砼量，充盈系数严禁小于1.0，一般为1.05～1.2。结合本公司以往的施工经验，充盈系数可在试桩总结和地质情况中确定，依据此系数作为一次投料体积计算的参考依据。

⑦振动拔管

桩管灌满砼之后，边振动边拔管，以确保混凝土密实性，拔管速度控制在1 m/min；在拔管过程中，应分段添加砼，保持管内砼面始终不低于地面或高于地下水位1.5 m～2.5 m以上。至桩顶以下2.0 m左右时应添加足够的混凝土一次性拔管到地面，对于地层变化的地段，由硬土层到软土层或由软土层到硬土层的界面处应降低振动拔管的速度，一般应控制在1.0 m/min以下。

沉管上拔时同一土层中应均匀控制，土层界面处应适当降低拔管速度，以免出现缩径。在最后5 m应一次性拔出中途不得停顿。

⑧移机

重复上述步骤，进行下一桩的施工。如前桩芯土较高（一般高于50 cm）时，应先人工清除后，方可移机。以防移机时桩机前端两架压腿将高出部分桩芯土碰倒造成桩头部分壁厚不均。

⑨检测

管桩结束，混凝土龄期达到后，按设计要求进行低应变检测和静载试验。低应变抽检比例为总桩数的30%，静载试验抽检比例为1%，且不少于3根。

6.4 工程检测

为确保管桩的施工质量，可酌情选用下列方法进行加固质量检测。

（1）在灌注混凝土前，应对已成孔的中心位置如孔深、孔径、垂直度等进行认真复测检查，并填写相应的质量检查记录和报告。

（2）沉桩过程中应检查每米进尺贯入度、最后一米贯入度、最后三米贯入度及桩尖标高、桩身垂直度等。

（3）对于更高要求的建造桩基和地质条件复杂或成桩质量可靠性低的桩基工程应进行成桩质量监测，采用可靠的动态检测。

（4）开挖检测：选取1%端桩体进行开挖，深度1.5 m左右，观察成桩情况。

（5）抽样检验：整桩钻孔取芯检验桩身长度，并制成试件，进行抗压实验，抽检比例为0.5%。

（6）荷载试桩：抽检比例为0.5%（单桩和复合地基各半）。

7 结束语

本工程经过2008年11月初试桩至2009年1月底完工，在铁路软土地基加固中取得了明显的工程效果，使用现浇混凝土大直径管桩有以下优点：

（1）节省了大量混凝土，从而大大降低造价。

（2）加快了施工进度；并且可以调整成桩挤土方向。

（3）通过造浆器造浆，可以减少沉模时环形套模内外摩擦阻力，保护桩芯和侧壁土稳定。

（4）混凝土分流器可以避免管腔中混凝土浇注时的离析和厚薄不均。

（5）采用振动双层套管成模工艺，灌注混凝土方量的相应减少，施工速度较钻孔灌注桩及粉喷桩要快，且质量也容易控制，加固同等面积软土地基效率提高40%以上。

（6）选择大直径管桩进行地基加固，由于桩身表面积大，使单桩承载力大为提高.

（7）该桩型成桩质量稳定，可沉桩较深（25 m～35 m），桩体与桩周土形成刚性复合地基，复合层的变形很小，地基稳定性得到提高。

通过现浇混凝土大直径管桩复合地基技术在铁路软基加固中的使用，明显节约了成本，大大缩短了工期，提高了工程质量，具有广泛的应用前景。