PHC管樁在溫福鐵路軟土地基加固中的應(yīng)用
2009-09-28
引言：溫福鐵路在福建連江車站位置進行了高強預(yù)應(yīng)力砼管樁在鐵路軟土地基加固中應(yīng)用的試驗，該試驗段工程通過對樁基承載力、應(yīng)力傳遞規(guī)律、樁、土應(yīng)力的分布及變化情況、地基變形等實測數(shù)據(jù)的分析研究，對預(yù)應(yīng)力管樁的設(shè)計（單樁承載力、樁型及樁間距、樁帽及網(wǎng)墊層等）具有重要的指導(dǎo)意義。筆者做為該試驗段施工技術(shù)人員，全過程參與了該試驗工程，本文亦是對該工藝的施工總結(jié)。
1、工程簡介
溫福鐵路是從浙江溫州到福建福州的高速鐵路，設(shè)計時速200KM，本試驗段在靠近福州市的連江縣進行，自DK275＋000～DK275＋400，共400m長，預(yù)應(yīng)力管樁加固區(qū)段為310m，在DK275＋270的位置有一座灌溉涵，該涵洞的基底加固也采用管樁加固。其中φ400mm的樁有46根，φ500mm的樁有1307根，設(shè)計單樁允許承載力是900KN。樁的布設(shè)呈正方形布置，最小樁間距為2m，最大樁間距為3m。在正式施工前用了靜力壓樁機和柴油錘擊機各進行了8根工藝性試樁。
2、工程地質(zhì)及水文概況
工點范圍均為第四系地層覆蓋，上部為全新統(tǒng)濱海灘涂—溺谷相沉積形成，底部粘土屬坡殘積成因，下伏基巖為燕山期凝灰?guī)r、侵入巖，地下空隙潛水發(fā)育，埋深0～1m。地基土各層的巖性及主要物理力學(xué)指標(biāo)分述如下：
(1)粉質(zhì)黏土，褐黃~灰綠色，硬塑，局部夾少量礫石，表層0.4~0.6m為種植土，含植物根莖，該層厚0.4~2.1m，工點范圍部分分布。
(2)淤泥，淺灰色，流塑。手感細(xì)膩，分布均勻，含少量腐殖物，有機質(zhì)含量2.8~7.9%，局部夾粉細(xì)砂透鏡體。由于地處臨海的山前平原，其橫、縱向分布隨基巖面起伏變化較大。具高壓縮性、低強度的特點，靈敏度標(biāo)準(zhǔn)值7.1，屬靈敏性粘性土。層厚10.5~19.7m。
(3)粉質(zhì)黏土，褐黃色、灰綠色、淺灰等色，軟硬分布不均，海陸交互相成因夾粗砂、礫石、碎石土、淤泥質(zhì)黏土等透鏡體，厚3.6～28m；
(3)-1～(3)-7淤泥質(zhì)黏土，淺灰色，流塑，夾少量腐植物及貝殼，后0～6.0m；局部夾圓礫土，粗砂、粉砂、礫砂、碎石土透鏡體，灰色夾灰黃色，中密，飽和。
(4) 花崗巖，全風(fēng)化呈砂土狀，標(biāo)貫擊數(shù)N＝25～50，厚%26gt;2m；
(5) 凝灰?guī)r，灰綠色或灰白色，全風(fēng)化呈砂土狀，標(biāo)貫擊數(shù)N＝16～35，厚%26gt;10m。
3 、施工準(zhǔn)備
3．1、施工便道
施工前的機械進場和施工過程中的管樁進場，都是通過施工便道進出，在其上行駛的都是重車，所以施工便道的承載能力要求較高。本工程施工便道底層用片石擠除原地面表層的淤泥，這樣便道日后就不會出現(xiàn)“彈簧土”，中層用隧道施工棄碴填筑，便道上層用2－4cm的碎石加石屑鋪筑。
材料使用上基本為材下粗上細(xì)，這樣既能保證便道的穩(wěn)定，又能使便道表面平整，易于修整。施工便道要盡量取直，減少不必要的彎道。在施工區(qū)域內(nèi)，便道應(yīng)該在打樁范圍外，這樣樁機施工時就不會影響到便道的暢通，而且已施工好的管樁也不會被行駛車輛擠壓。
3．2、工作墊層
本試驗段的施工位置上原先為當(dāng)?shù)匕傩盏牡咎?，表層土為常年種植土，承載力差，而單臺靜力壓樁機加配重將會有三百多噸，所以必須在施工區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)工作墊層，提高地基地承載力，保證樁機施工時不會沉陷。一般要求工作墊層鋪設(shè)后，其承載力不少于100KPa。工作墊層的材料可以用隧道爆破時的棄碴，但是大塊片石不能使用，否則施工時易引起樁位的偏差。由于靜壓樁機的機體龐大，工作墊層的鋪設(shè)寬度要足夠，本次施工時以最外測樁加寬5米來控制工作墊層的鋪設(shè)寬度。
3．3、測量放樣
根據(jù)設(shè)計交付的導(dǎo)線資料，先進行導(dǎo)線點復(fù)測，經(jīng)復(fù)核后根據(jù)施工圖紙和現(xiàn)場的施工情況，在距離Ⅰ道左側(cè)30m遠(yuǎn)的位置，沿線路方向每隔25m設(shè)置一個控制點，該控制點作為樁位放樣時經(jīng)緯儀的架鏡點和后視點。該控制點距離最邊緣管樁有18.8m，仍然存在擠土效應(yīng)，所以每周都要用全站儀復(fù)核、校正一次控制點。
根據(jù)實際打樁線路圖，按施工區(qū)域劃分測量定位控制網(wǎng)，一般一個區(qū)域內(nèi)根據(jù)每天施工進度放樣10～20個樁位，在樁位中心點地面上插入一支約30～40cm長的小竹片樁，并用紅油漆作好記號。并以工程樁位為中心用白灰按直徑大小畫一圓圈，以方便插樁和對中。對放出的軸線和樁位，經(jīng)自檢后，請監(jiān)理工程師進行復(fù)核檢查，在沉樁過程中，要經(jīng)常對控制點進行復(fù)核，并作好定位記錄和技術(shù)復(fù)核記錄。
3．4、施工機具和管樁材料的選擇
本次施工采用靜壓和錘擊兩種工藝施工。靜壓樁機具有無噪音、無振動和無污染的優(yōu)點。錘擊機具有嵌巖能力強的特點。
本次施工靜壓機采用YZY-750T，全液壓側(cè)夾式樁機。錘擊機采用滾管式行走的柴油錘樁機，錘型號為HD50型。所有施工機械均有檢測的合格證書。樁錘的選擇主要考慮柴油錘錘擊能量大，施工速度快，工效高，還有“重錘輕擊”的原則。
管樁采用建華管樁公司生產(chǎn)的PHC管樁，砼強度C80，嚴(yán)格按照《先張法預(yù)應(yīng)力砼管樁》（GB13476-1999）制作,采用高壓高溫養(yǎng)護,單樁豎向承載力2820KN。
4、施工過程
4．1、靜力壓樁機
4．1．1、打樁過程
樁機進場安裝后，移至需要施打的位置，啟動平臺支腿油缸，調(diào)整水平。起吊預(yù)制樁，先拴好吊裝用的鋼絲繩及索具，啟動機器起吊預(yù)制樁，使樁尖垂直對準(zhǔn)樁位中心，緩慢放下插入土中，當(dāng)樁尖插入樁位，夾具抱緊管樁后，微微啟動壓樁油缸，當(dāng)樁入土至50cm時，再次校正樁的垂直度和平臺的水平度，保證樁的縱橫雙向垂直偏差不得超標(biāo)，然后啟動壓樁油缸，把樁徐徐壓下，控制施壓速度，一般不超過2m/min。下壓過程中做好記錄，詳細(xì)記錄每入土兩米時壓力表的壓力值。樁頭距地面一米左右時停止壓樁，吊機吊起另一節(jié)樁，開始接樁。接樁時新接樁節(jié)與原樁節(jié)的軸線一致，兩施焊面上的泥土、油污、鐵銹等要預(yù)先清刷干凈。上下樁節(jié)間的縫隙應(yīng)用鐵墊片墊密焊牢，焊接時應(yīng)采取措施對稱施焊，以減少焊縫變形引起節(jié)點彎曲。焊縫應(yīng)連續(xù)、飽滿。接樁處的焊縫應(yīng)自然冷卻不少于1min。接樁時在下節(jié)樁頭上安裝導(dǎo)向箍，以便新接樁節(jié)的引導(dǎo)就位。上節(jié)樁找正方向后，對稱點焊4—6點加以固定，然后拆除導(dǎo)向箍。管樁焊接施工應(yīng)由有經(jīng)驗的焊工按照技術(shù)規(guī)程的要求認(rèn)真進行。接樁時，新接樁未固定前，也要用經(jīng)緯儀在成90度夾角兩方向觀測垂直度，調(diào)整樁機水平。
4．1．2、停壓標(biāo)準(zhǔn)
本次試驗段φ40cm的管樁的終壓力取不少于2000KN，φ50cm管樁終壓力不少于2500KN，以硬塑粘土層或全風(fēng)化基巖作為樁端持力層，達(dá)到要求后，還要穩(wěn)壓三次，每次不少于2min。
4．2、錘擊機
4．2．1、打樁過程
由測量人員根據(jù)邊樁控制樁，用J2級經(jīng)緯儀定位放樣后，在樁身上劃出以米為單位的長度標(biāo)記，以便觀察樁的入土深度及記錄每米沉樁的錘擊數(shù)；第一節(jié)管樁起吊就位插入地面時的垂直度偏差不得大于0.5%，在兩個成90度的方向上同時觀測、校正；保證施工過程中，樁錘、樁帽和樁身的中心線應(yīng)重合，否則管樁受到偏心錘打，容易發(fā)生受彎而折斷。焊接接樁時樁頭應(yīng)高于地面0.5～1.0m，上下節(jié)樁段保持順直，錯位偏差不宜大于2mm。焊好的樁頭應(yīng)自然冷卻后方可繼續(xù)錘擊，時間不少于8min，嚴(yán)禁用水冷卻或焊好即打；打樁時錘墊選用15cm厚直紋木墊，樁墊用麻袋、木夾板，壓縮后厚度12cm左右，錘擊過程中經(jīng)常檢查及時更換；管樁的總錘擊數(shù)不宜大于2000，最后1m錘擊數(shù)不宜超過280；送樁前應(yīng)檢查樁的垂直度；軟土層中施工，每根樁宜連續(xù)施打，停置時間不宜太長。
4．2．2、收錘標(biāo)準(zhǔn)
本次錘擊樁只施工了φ50cm的管樁，要求樁端進入硬塑粘土層或全風(fēng)化基巖，最后3陣的貫入度要求在20～40mm，且在最后10擊的貫入度小于20mm的情況下收錘。
5、檢測結(jié)果
本試驗段PHC管樁施工后委托中科院武漢巖土力學(xué)研究所分別采用了靜載和小應(yīng)變檢測，檢測按照《JGJ106－2003》標(biāo)準(zhǔn)進行。小應(yīng)變檢測了133根，其中Ⅰ類樁占92％，Ⅱ類樁占8％，未發(fā)現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ類樁。靜載采用慢速維持荷載法檢測了13根樁，最大荷載是1800KN（為設(shè)計單樁承載力的兩倍值），初級荷載360KN，然后按每級加載180KN進行；從Q-S曲線看，曲線平緩，無明顯陡降段，S-lgt曲線呈平緩規(guī)則排列，最大沉降量是27.61mm，單樁豎向極限承載力滿足要求。
6、施工體會
6．1、工作墊層材料的選用
工作墊層用來改善原有地表的承載力，使樁機施工時行走平穩(wěn)，但又不能影響到后續(xù)施工。如果工作墊層的材料有較多的大塊片石，將會影響到管樁施工時的樁位和垂直度；但是粒徑過細(xì)的材料對于改善地表土為淤泥質(zhì)土或常年種植土的承載力的效果不明顯，所以工作墊層材料的選用要恰當(dāng)，材料粒徑可偏大，但不能出現(xiàn)大塊的片石。
6．2、管樁材料的堆放
管樁的堆放根據(jù)樁的規(guī)格、長度和使用先后及遠(yuǎn)近進行堆放；堆放場地選擇在平整堅實的地方，使樁堆放后不會產(chǎn)生過大的沉陷，最下層與地面接觸的墊木加寬加高。堆放時，樁下墊木設(shè)置兩道，支承點的位置就在兩點吊的吊點位置處，同層的兩道墊木頂面保持在同一水平面上；當(dāng)重疊堆放時，各層均設(shè)置墊木，并保證各層墊木上下對齊；堆放層數(shù)不超過三層；墊木選用耐壓的木枋。
6．3、擠土效應(yīng)
靜壓法施工預(yù)應(yīng)力管樁屬于擠土類型，往往由于沉樁時使樁四周的土體結(jié)構(gòu)受到擾動，改變了土體的應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生擠土效應(yīng)；樁機施工過程中焊接時間過長；樁的接頭較多而且焊接質(zhì)量不好或樁端停歇在硬夾層；施工方法與施工順序不當(dāng)，每天成樁數(shù)量太多、壓樁速率太快、布樁過多過密等，都會加劇擠土效應(yīng)。也有可能是某一土層的不排水抗剪強度低、壓縮性高，樁在靜壓過程中，樁入土體使其產(chǎn)生沖剪破壞，同時對樁周圍土體進行排擠，孔隙水受此沖剪擠壓形成不均勻水頭，產(chǎn)生巨大的超孔隙水壓力，而上部雜填土層未做清理，使土體向上的應(yīng)力無法釋放，加大了地基土的側(cè)向應(yīng)力。本工程地處空曠地帶，在距離施工區(qū)域左側(cè)50m位置有一條小河，這成為天然的防擠溝，使得小河以外的居民房屋未受影響，而距離施工區(qū)域較近的邊樁在每周的復(fù)核中均發(fā)現(xiàn)有位移，但位移量不大。
擠土效應(yīng)的防治具有重要意義，特別是在周圍有密集建筑的區(qū)域內(nèi)施工。一般做法是先清除表層的雜填土，開挖防擠溝，設(shè)置應(yīng)力釋放孔，合理地安排打樁順序，根據(jù)施工場地周圍環(huán)境和擠土程度，靜距離先施工，遠(yuǎn)距離后施工，必要情況下還應(yīng)控制每天的壓樁數(shù)量。如果允許管樁內(nèi)腔涌入土體，使用開口型樁尖，也能有效地減小擠土效應(yīng)。
6．4、終壓標(biāo)準(zhǔn)
PHC樁作為端承樁，停壓標(biāo)準(zhǔn)控制合理與否將直接影響到樁能否既達(dá)到設(shè)計承載力要求又不致被壓壞的效果。實踐證明：在樁材質(zhì)量合格、沉樁正常的情況下，由于壓樁壓力而引起的樁身損壞多與停壓標(biāo)準(zhǔn)控制不合理有關(guān)。同時由于PHC樁具有脆性破壞和抗拉應(yīng)力低的特性，當(dāng)壓力較大，因樁機架配重不夠，而導(dǎo)致樁機抬架所產(chǎn)生的沖擊力極易使PHC樁產(chǎn)生裂縫或損壞，壓斷樁的情況也時有發(fā)生。因此，正確合理地控制停壓標(biāo)準(zhǔn)，是PHC樁施工的一項重要技術(shù)。PHC樁停壓標(biāo)準(zhǔn)的控制主要考慮以下兩方面：樁入土深度和壓樁力(貫入阻力)。施工時詳細(xì)了解工程地質(zhì)情況及有關(guān)設(shè)計要求，正確掌握樁入土深度與貫入阻力的關(guān)系，一般情況以樁進入持力層且最后三次貫入阻力達(dá)1.8～2.0倍單樁設(shè)計承載力而累積下沉≤10ｍｍ時為停壓控制標(biāo)準(zhǔn)；但是施工中的終壓力值是根據(jù)在施工瞬間荷載作用下有土體側(cè)向約束的情況來確定的，因此終壓力可比兩倍的管樁單樁豎向承載力大。其受力方式接近于軸心受壓構(gòu)件，終壓力可按下式近似取值：
P=（0.67R-σce）A0
R——砼立方體抗壓強度
σce——砼的有效預(yù)應(yīng)力值
A0——PHC樁的橫截面積
本次施工兩倍單樁承載力為1800KN，實際控制中以達(dá)到2500KN以上的壓樁力做為停壓標(biāo)準(zhǔn)。按下列經(jīng)驗公式，可由2500KN的終壓力來估算該樁的單樁承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計要求：
Quk=αPp
Pp——終壓力（KN）
α——經(jīng)過多個工程的靜載試驗值與壓樁終止值分析得出的經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)情況取值在0.7～1.5 。
6．5、樁頂位移
在施工過程中，相鄰的樁會產(chǎn)生橫向位移和樁身上浮。有如下原因：網(wǎng)易a、樁入土后，遇到大塊堅硬障礙物，把樁尖擠向一側(cè)。 b、兩節(jié)樁或多節(jié)樁施工時，相接的兩樁不在同一軸線上，產(chǎn)生了曲折。 c、樁數(shù)較多，土飽和密實，樁間距較小，在沉樁時土被擠到極限密實度而向上隆起，相鄰的樁被浮起。 d、在軟土地基施工較密集的群樁時，由于沉樁引起的孔隙水壓力把相鄰的樁推向一側(cè)或浮起。 為了有效地減少樁頂位移，施工前應(yīng)對樁位下的障礙物清理干凈，對樁構(gòu)件要進行檢查，發(fā)現(xiàn)樁身彎曲超過規(guī)定（L/1000且≤20mm）或樁尖不在樁縱軸線上的不宜使用。在穩(wěn)樁過程中，如發(fā)現(xiàn)樁不垂直應(yīng)及時糾正，接樁時要保證上下兩節(jié)樁在同一軸線上，接頭處應(yīng)嚴(yán)格按照操作要求執(zhí)行。采用井點降水、砂井和盲溝等降水或排水措施。沉樁期間不得開挖基坑，需要沉樁完畢后相隔適當(dāng)時間方可開挖，相隔時間應(yīng)視具體地質(zhì)情況、基坑開挖深度、面積、樁的密集程度及孔隙水壓力消散情況來確實，一般經(jīng)驗認(rèn)為宜兩周左右。6．6、其它問題
a、 施工中曾出現(xiàn)在相鄰兩根樁位置，地質(zhì)情況差異較大的情況，導(dǎo)致送樁過深的問題。由于我們后續(xù)還要施工樁帽，對于送樁過深的管樁，施工樁帽時極其不易，容易引起相鄰的樁水平方向位移。筆者認(rèn)為送樁深度不能超過兩米。
b、 本次施工中錘擊樁機的管樁采用普通焊條焊接，而靜壓機采用二氧化碳?xì)怏w保護焊；從小應(yīng)變檢測看，普通焊條焊接的接頭很明顯，焊接質(zhì)量比二氧化碳?xì)怏w保護焊的差。建議今后的施工中管樁接頭焊接盡量采用二氧化碳?xì)怏w保護焊。
c、 必須根據(jù)安全管理的有關(guān)規(guī)定建立健全項目的各有關(guān)管理制度，在項目內(nèi)部落實安全管理責(zé)任制，建立考核制度，實施獎罰措施，以及樁機資質(zhì)及特種作業(yè)上崗證等必須齊全。除此之外，還必須注意以下幾個事項： 1．起重機作業(yè)前，應(yīng)對轉(zhuǎn)動部位進行潤滑，檢查部件緊固程度，鋼絲繩是否磨損?！ ?．起重臂下嚴(yán)禁站人，重物停在空中時駕駛員不得離開操作室?！ ?．起重范圍不得超過起重性能規(guī)定的指標(biāo)，起重機吊樁進入夾持機構(gòu)，壓樁開始之前，必須在起重機、卷揚機構(gòu)放松起吊的鋼絲繩、吊鉤脫離后方可壓樁，以免拉斷鋼絲繩和拉彎起重機吊臂。 4．接樁時焊接用的各種氣瓶應(yīng)作標(biāo)識，氣瓶要距離明火點10m以上，氣瓶間距必須大于5m，氣瓶必須加防震圈和防護帽，氣瓶使用和存放時嚴(yán)禁平放或倒放?！ ?．停止作業(yè)時，短履需運行到樁機中間位置，停落在平整地面上，其余油缸回程縮進。切斷電源，操作人員方可離開樁機?！ ?．施工完畢的樁的樁頭上面要加蓋，以防行人或雜物等掉陷。
7、結(jié)束語
PHC樁的單位承載力造價是各種樁型中較低的，且綜合經(jīng)濟效益指標(biāo)也好于其他樁型。通過本試驗段的施工，我們這種樁的施工工藝有了較為深入的理解。本文所述的施工經(jīng)驗，只是拋磚引玉，供各位同仁參考。
隨著PHC管樁的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，以及人們對它的理論研究和工程實踐的不斷積累，PHC樁的施工技術(shù)會不斷得到提高。
