现浇混凝土薄壁管桩复合地基研究

1、 河海大学本科毕业论文 毕业论文 现浇混凝土薄壁管桩复合地基研究学 院继续教育学院专业年级06级交通土建工程学 号013106411134 姓 名刘义峰指导老师 蔡晓飞评 阅 人 蔡晓飞中国·南京 2009年十二月III摘 要现浇混凝土薄壁管桩是一项全新的软基处理技术，该技术具有桩直径大，桩距大，混凝土用量省，单桩承载力高，工后沉降小，可处理深层软土等优点。它吸收了预应力混凝土管桩、振动沉管桩和振动沉模薄壁防渗墙等技术。桩身强度高,混凝土标号可从C10C30,直径可达1.5m,有效加固深度可达25m以上,施工工艺简单,可操作性强,便于质量控制监督,单桩承载力高而造价相对较低。（1）对

2、PCC桩的研制背景、设计原则、沉桩工艺、工作原理以及成桩机理进行了述评，阐述了PCC管桩技术优点。并对目前其主要设计方法进行了归纳。（2）介绍了现浇混凝土薄壁管桩（PCC桩）成桩工艺。结合PCC桩在上海市北环高速公路工程中的应用，在现场对PCC桩施工工艺进行了试验研究，探讨了混凝土坍落度、拔管速度、施打顺序对PCC桩质量的影响，并对其充盈系数进行了分析研究。同时还对PCC桩质量检测方法进行了研究，并对可能出现的质量问题及预防措施做了初步探讨。（3）在分析常用的软土地基加固技术适用性和局限性的基础上,详细介绍现浇混凝土薄壁管桩复合地基处理方法的加固机理、设计、施工、检测方法等,提出路基“拱效应”

3、、土工格栅“拉膜效应”新观点,结合实例讲述现浇薄壁管桩处理地基的优越性、经济性。关键词: 薄壁管桩；施工工艺；质量检测；承载特性；承载力计算 AbstractThe cast-in-place concrete thin wall steel pipe driven in as piling is an item of brand-new soft base processing technology, this technology has the pile diameter to be big, the pile is apart from in a big way, the concre

4、te amount used province, the single pile supporting capacity is high, after the labor subsides slightly, may process merits and so on in-depth soft soil.It absorbed the prestressed concrete steel pipe driven in as piling, the vibration has sunk the steel pipe driven in as piling and the vibration si

5、nks technologies and so on mold thin wall cut-off wall.The cast-in-place thin wall steel pipe driven in as piling pile body intensity is high, the concrete marking may from C10C30, the diameter be possible to reach 1. 5 m, reinforces the depth to be possible effectively to reach above 25 m, the cons

6、truction craft is simple, feasibility, is advantageous for the quality control surveillance, but single pile supporting capacity high construction cost relative low. (1) pair of PCC pile development background, the principle of design, the penetration of pile craft, the principle of work as well as

7、became the pile mechanism to carry on the commentary, elaborated the PCC steel pipe driven in as piling technology merit.And has carried on the induction to the present its main design method. (2) introduced the cast-in-place concrete thin wall steel pipe driven in as piling (the PCC pile) becomes t

8、he pile craft.Unifies the PCC pile in Shanghai Shibei link highway project application, has conducted the experimental study in the scene to the PCC pile construction craft, discussed the concrete slump, the cupping speed, has executed hits the order to the PCC pile quality influence, and has conduc

9、ted the analysis research to its full coefficient.Simultaneously has also conducted the research to the PCC pile quality examination method, and to the quality question and the preventive measure which possibly appeared has made the preliminary discussion. (3) in the analysis commonly used soft soil

10、 ground reinforcement technology serviceability and in the limited foundation, introduced in detail the cast-in-place concrete thin wall steel pipe driven in as piling compound ground processing method the reinforcement mechanism, the design, the construction, the examination method and so on, propo

11、sed the roadbed “arches the effect”, the earthwork grill “pulls the membrane effect” the new viewpoint, unifies the example narration cast-in-place thin wall steel pipe driven in as piling to process the ground the superiority, the efficiency.Key word: Thin wall steel pipe driven in as piling; Const

12、ruction craft; Quality examination; Load-supporting characteristics; Supporting capacity computation目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 桩基概况11.2 桩基的研究目的及意义11.3 复合地基的研究现状21.3.1 复合地基概述21.3.2 复合地基研究现状42 PCC桩的开发研制及工程应用52.1 PCC桩的研制背景52.2 PCC桩的施工要点62.3 PCC 桩的适用范围72.4 PCC桩施工常见问题、产生原因及防治措施72.5 常见问题的综合控制方法92.5.1

13、 施工准备阶段92.5.2 施工阶段103 PCC桩复合地基计算和设计113.1 成桩机理113.2 复合地基的力学效应123.2.1 内外壁摩擦力123.2.2 填土路基“拱效应”123.2.3 土工格栅“拉膜效应”123.3 复合地基计算和设计133.3.1 理论计算133.3.2 复合地基承载力计算133.3.3 复合地基变形计算133.3.4 复合地基设计153.4 施工方法153.4.1 成桩过程153.4.2 施工注意事项153.5 施工质量检测方法164 桩复合地基荷载变形特性174.1 场地地质条件174.2 试验设计184.3 观测结果及分析184.3.1 桩土沉降及差异沉降

14、184.3.2 沉降速率194.3.3 加固区水平位移205 PCC桩在处理复合地基中的应用225.1 概述225.2 薄壁管桩的设计225.2.1 设计标准225.2.2 设计方案225.2.3 混凝土强度及材料标准235.3 薄壁管桩的施工235.3.1 薄壁管桩的基本原理235.3.2 施工机械、薄壁管桩桩机设备基本组成235.3.3施工工艺24 1)施工流程24 2)施工工序255.4 薄壁管桩施工质量的检测255.4.1 现场检测255.4.2低应变动力检测265.4.3静荷载试验265.5 薄壁管桩可能出现的质量问题及预防265.5.1缩颈265.5.2 断桩265.5.3沉管达不

15、到设计标高, 出现拒桩现象275.6 检测结果分析275.6.1 现场检测275.6.2 低应变动力检测285.6.3 单桩竖向抗压承载力286 结论与展望306.1 结论306.2 展望301 绪论1.1 桩基概况我国幅员辽阔，地质情况复杂多变，特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区存在着许多复杂的软土地基，这给公路工程建设和人工构造物带来较大的影响和隐患。在软土地区修建公路，高路堤存在稳定性差和过大的变形沉降，而低路堤在交通荷载作用下，常使道路沉降变形，严重影响道路的质量和使用，由此造成的经济损失巨大。因此，软基处理方法的选择就显得特别重要。现浇混凝土薄壁管桩(以下简称PCC桩)是河海大学岩

16、土工程科学研究所自行研制开发的一项专利技术,它吸收了预应力混凝土管桩、振动沉管桩和振动沉模薄壁防渗墙等技术的优点。现浇薄壁管桩桩身强度高,混凝土标号可从C10C30 ,直径可达1.5m ,有效加固深度可达25m 以上,施工工艺简单,可操作性强,便于质量控制监督,单桩承载力高而造价相对较低。该方法采取自动排土振动灌注而成管桩,它依靠管腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在活瓣的保护下打入预定的设计深度,在腔体内浇筑混凝土,之后振动拔管,从而形成沉管、浇筑、振动提拔一次性直接成管桩的新工艺,保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。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

17、载及水平荷载的分担比例,以及减少基础底面的应力集中问题,在桩顶设置褥垫层。具体为管桩中的混凝土达到设计强度后,在桩顶铺设一层砂石垫层,并在砂石垫层中放置土工格栅,使桩间土与管桩一同发挥作用,从而形成现浇混凝土薄壁管桩复合地基。1.2 桩基的研究目的及意义在地基上修筑高速公路时，若对软基不加以处治或处理不当，往往会导致路基失稳或过量沉降，造成公路不能正常使用.为保证高速公路的使用高品质，减少工后沉降、解决桥头跳车问题，确保行车安全，必须对沿线地质情况、地基处理措施及其效果加以深入研究。在现有的软基处理方法中粉喷桩一般可处理地面以下15米以内的软土地基，该方法不宜用于深层软土处理。插塑料排水板法虽

18、然以处理深度达20米以上的软基，但其预压处理时间长，并且处理后工后沉降较大，土方增量大。CFG桩是处理深层软土可行的方法之一，桩径一般在50厘米左右，桩距一般不大于1.5米，地基处理造价高。针对实心桩及预制混凝土管桩造价高的不足，河海大学刘汉龙教授等人开发了大直径振动沉模现浇混凝土薄壁管桩专利技术（简称PCC桩，专利号：ZL01273182.X，ZL02112538.4）。现浇混凝土薄壁管桩是处理复合地基的一种新技术，其桩径大，桩距大，混凝土用量省，可处理深层软土，该技术具有施工实用性强、施工质量控制方便、桩基检测方便、加固效果好且经济性优越等突出的优点，具有较大的推广应用价值。 1.3 复合

19、地基的研究现状1.3.1 复合地基概述“复合地基”的概念最早是在1962年提出的的，它是很多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和依据，已广泛应用于如碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩和旋喷桩等加固地基的理论分析中。它是软弱地基处理时常用的一种技术，从原理上讲，其适用性很广，几乎可适用于所有的软弱地基1-5。复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由天然地基土体和增强体两部分组成的人工地基6。加固区整体看作是非均质的和各向异性的。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材

20、料，如土工聚合物，金属材料格栅等形成的复合地基。竖向增强体习惯上称为桩。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。根据竖向增强体的性质，桩体复合地基又可分为三类：散体材料桩复合地基，柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料桩复合地基如碎石桩复合地基，砂桩复合地基等，其桩体是由散体材料组成的。散体材料只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体，单独不能形成桩体。柔性桩复合地基如深层搅拌桩复合地基等。柔性桩桩体刚度较小。柔性桩和刚性桩桩体刚度相差较大，两者的荷载传递特性有较大区别。刚性桩复合地基如小桩复合地基，疏桩复合地基等。复合地基有两个特点：（1）加固区是由基体和增强体两部分组成的，是非均质的，各向

21、异性的；（2）在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。前一特征使复合地基区别于均质地基，后一特征使复合地基区别于桩基础。一般说来，对桩基础，荷载是先传给桩，然后通过桩侧摩擦力和桩底端承力把荷载传递给地基土体的。若刚性摩擦桩桩径较小，桩距较大，桩土共同承担荷载，则也归属于刚性桩复合地基，可采用复合地基理论计算。从某种意义上讲，复合地基界于均质地基和桩基之间。各种复合地基都具有以下几个或多个作用：桩体作用，垫层作用，排水作用，挤密作用和加筋作用20。桩体作用：桩体复合地基中桩体的刚度比桩间土体的大，在荷载作用下，为了保持桩体和桩间土之间变形协调，在桩体上产生应力集中现象。桩体中的竖向应力将大

22、于桩间土中的竖向应力。在刚性基础下，桩体和桩间土沉降相等，比在柔性基础下应力集中程度还要高。应力集中现象使强度较大的桩体承担较大比例的荷载，并通过桩体将荷载传递给较深的土层，桩间土上荷载相应减小。这样就使得复合地基承载力较原天然地基承载力有所提高，而地基沉降量减小。竖向增强体复合地基都具有桩体作用。随着桩体刚度的提高，其桩体作用发挥更加明显。垫层作用：复合地基中加固区，宏观地看可视为一复合土体，其力学性能比原天然地基好。复合土体的强度指标，复合土体的复合模量都比天然地基的高，在荷载作用下，复合土体能起到均匀应力，增大压力扩散角，减小加固区下卧层土体中应力的作用。这对提高地基承载力，减小地基沉降

23、量是有利的。排水作用：不少竖向增强体或水平向增强体，都具有良好的透水性，是地基中的排水通道。在荷载作用下，地基中会产生超孔隙水压力。由于这些排水通道有效地缩短了排水距离，加速了桩间土的排水固结。桩间土中超孔隙水压力消散，有效应力提高，桩间土抗剪强度增长，有利于提高复合地基承载力。挤密作用：桩体在施工过程中由于振动、挤压、排土等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。加筋作用：在复合地基整体稳定分析中，复合地基中的增强体有加筋效用。土工织物层和加筋土中的加筋体具有明显的加筋效果。由于增强体的加筋作用，复合土体具有较高的抗剪强度。上述复合地基5种作用使复合地基在提高地基承载力，减小建筑物沉降，改善地基

24、抗震性能等方面具有较大的潜力和灵活性，使复合地基技术具有较大的生命力。复合地基技术日益受到重视，并得到愈来愈多的应用。人们可根据上述5种效用，有针对性地、有效地改进现有的复合地基施工方法，选用合理的增强体材料，开发和发展新的复合地基技术。 1.3.2 复合地基研究现状 复合地基概念初期局限于采用散体材料桩对软土地基的加固。散体材料桩主要包括砂桩和碎石桩，它依靠周围土体的围箍作用形成桩体。我国从70年代就开始采用碎石桩加固地基，在砂土、粉土中取得了一定的效果7。经过大量的实践之后，人们发现这种散体材料桩对提高地基的承载力和降低地基沉降的能力很有限。为满足工程需要，广大科技工作者开发了自身带有一定

25、粘结力的柔性桩复合地基，主要包括土桩及灰土桩复合地基、石灰桩复合地基、深层搅拌水泥土桩复合地基和高压旋喷桩复合地基。柔性桩根据桩体与土相对刚度分为两大类：一类为土桩、灰土桩和石灰桩，一般来说Ep/ES<10;一类为深层搅拌水泥土桩和高压旋喷桩，一般Ep/ES>10。前者桩体效应不明显，后者桩体效应很明显。PCC桩是导师刘汉龙教授等人研制开发的一种地基处理新技术。其桩身混凝土刚度较大，具有明显的刚性桩的性状。其承载特性及加固机理已引起众多学者的兴趣。2 PCC桩的开发研制及工程应用8-112.1 PCC桩的研制背景近几年由我国自主研发并应用于工业与民用建筑、道路及市政工程软土地基处理

26、的一种新技术、新的软土地基处理方法。其技术原理是采用振动沉模、自动排土、现场灌注混凝土而成管桩。因我国沿海地区及内地湖河沉积相地区的软土地基比较复杂,修建高等级公路及建筑物需进行软土地基处理,以增加地基稳定性和减少沉降。现在软基处理中常用的方法主要有桩基、水泥土搅拌桩、强夯法、真空预压和超载预压等加固方法,但每种加固技术都有其各自的适用性和局限性。水泥土搅拌桩的施工质量难以控制,其加固深度也有限,且检量大、费用高; 超载预压方法由于软弱地基土的强度很低,采用超载预压方法施工时普遍存在路堤的稳定性问题,不能快速加载,从而影响并制约工程的进度,致使施工工期过长,严重影响了工程投资的经济效益;强夯法

27、主要是针对透水性较强的软土,其加固效果较明显,但对软粘土不适宜,对处于沿海地区的粘土及淤泥质土的加固处理也不适宜;桩基已大量应用于软土地基的加固,由于其施工速度快,可大大缩短施工工期,且由于其具有加固处理深度不受限制的特点,适宜各种地质条件,可明显增加路基的稳定性,提高地基的承载力并减小地基变形。长期以来,无论在建筑工程中,还是在道路工程中,桩基都得到了普遍应用,这其中主要包括实心预制桩和现场灌注混凝土桩以及预制混凝土管桩等。预制实心桩比现场灌注混凝土桩的造价要高;现场浇筑混凝土桩虽然单方造价较低,但也不能节省混凝土材料,故从根本上看,现场浇筑混凝土实心桩的造价并未得到真正的降低。为此,工程技

28、术人员又开发研制了预制混凝土管桩,该桩型的单方混凝土在提高承载力方面比实心混凝土桩有了较大幅度的提高。但预制混凝土管桩需要在工厂进行,虽然从形式上节省了混凝土材料,但若考虑到运输和施工等因素,加之必须使用大量的钢筋以增加强度来抵抗施工变形可能带来的破坏性,从而又增加了造价,故地基加固成本仍然较高。因此,寻求使用较少的混凝土方量,以实现低造价、高承载力,并且地基的稳定性显著增加的新桩型,成为岩土工程界迫切需要解决的问题。为了达到降低造价、提高承载力、增强地基稳定性、减小地基沉降的目的,由于PCC桩处理软土地基具有提高地基承载力显著、减少工后沉降明显和工程成本相对较低等方面的优点,在国内高等公路的

29、软土地基处理中已得到不断地推广和应用。2.2 PCC桩的施工要点（1） 薄壁管桩沉孔要求位移精确，成孔器与桩靴吻合一致，密切咬合，每次沉孔前桩靴与沉孔器之间需要用胶泥或石膏水泥密封防水，同时严格控制好垂直度2%以内。沉孔速度要均匀，避免突然加力与加速情况。沉孔深度需达到设计桩底标高，为控制好沉桩深度，在外管按1m/格清晰标出长度。（2）混凝土制备：混凝土的配料应严格按试验提供的配合比进行控制，严格控制混凝土的水灰比，以确保新拌混凝土具有良好的和易性，检测塌落度控制在6cm8cm 范围之内，混凝土的搅拌时间不小于2分钟，浇注到顶部0.51.0m时，应将混凝土减小塌落度5cm7cm，以调和浮到上部

30、的水泥砂浆，避免松顶。（3）混凝土的运输：直接采用人力翻斗车运输新拌混凝土，混凝土的运输距离控制在80m以内，混凝土的运输时间控制在两分钟以内，以保证混凝土的和易性指标不会发生变化。（4）混凝土的灌注：通过提升料斗的方法将砼送入成孔器壁腔内，成孔器放慢提升，提升速度为1m/min。成孔器直提升过程中，应边提升边振动，以保证灌注混凝土有良好的密实度。（5）管桩排出土处理：薄壁管桩在浇桩过程中每次沉孔将有一部土体沿着内壁向上排出，并排出地面。每次沉桩结束后，应立即将部分泥土清除出路基以外，再平整好原地面。（6）为保证在含地下水地层中应用现浇管桩的质量，保证在成桩过程中地下水、流砂、淤泥不自桩靴进入

31、管腔，浇筑采用二步法工艺，即在成桩管下到地下水位以上即进行第一次浇筑，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。（7）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。（8）内外管应锁定后方可起吊装配。在遇到砂性土层时，宜放慢上提的速度，软土层速度一般可在13m/min。沉孔器最后出土5m，后期拔管要一次性拔出，中途不得停顿，拔管速度适当放慢，速度大约1m/min。（9）为保证桩与桩之间在成桩过程中不互相影响，施工顺序采用隔孔隔排施工工序。2.3 PCC 桩的适用范围PCC 桩技术适用于软土地区的各种结构物的大面积地基处理。如：（1）多层及小高层建筑物地基处理

32、；（2）高速公路、市政道路的路基处理；（3）桥头跳车处理（4）大型油罐及煤气柜地基处理；（5污水处理厂大型瀑气池、沉淀池基础处理；（6）江河堤防的地基加固。2.4 PCC桩施工常见问题、产生原因及防治措施1、沉管下沉深度不满足设计要求,桩顶平面位置偏差大产生原因:1) 桩位处地层复杂,夹层较硬,或遇到如老基础、大孤石等地下障碍物;2) 打桩机能量不足,与设计桩长不匹配; 3) 机架垂直度偏差大,发生沉管偏斜现象,导致垂直桩长缩短;4) 群桩的挤土作用,使沉管的平面位置偏移。防治措施: 1) 会同设计单位,合理选择施工机械; 2) 沉管前,复测桩位并将桩架校正到满足设计要求的垂直度;3) 合理安

33、排施工顺序,减少群桩效应,如:采取由里向外扩展的施打方法;在桩距小于2倍PCC桩直径时,宜采取跳打法或控制相邻桩施打的时间间隔(一般为一周) 。2、成桩后桩顶标高偏低产生原因: 1)混凝土投料不足; 2)桩位处地层属流态淤泥等软弱地层。防治措施:1)依据试桩时测定的充盈系数严格控制混凝土投料量,实际投料量不得小于用该充盈系数计算的使用量; 2)成桩后如发现桩顶标高偏低,应立即开挖、立模,用同强度等级的混凝土接桩。3、埋管沉管难以拔出产生原因: 1) 卷扬机起重能力不够; 2) 沉管到位并浇灌混凝土以后,停顿时间过长; 3) 粘土层粘性大,振动锤的作用受到消减; 4) 地下水位低,机械的负荷增加

34、。防治措施:1)合理选择机械起重力,配置如千斤顶等辅助起重设备;2)沉管到位后,严格控制振动作业和下料间隔时间,灌满混凝土的沉管不能长时间搁置在成孔中;3)在粘土层较厚或地下水位较低的地段施工时,临时增加沉管外径(如:在沉管外壁下端加焊<14的钢筋圆箍) 。4、缩颈、断桩及实心桩产生原因: 1)地基较软,孔壁不能直立,且拔管速度过快;2)混凝土流动性较小,地基较软,在拔管过程中管内混凝土下落较慢,管外的土挤压混凝土,使混凝土截面变小,形成缩颈; 3)管内混凝土产生离析现象,粗颗粒堆积在一起,且沉管振动时间不够,造成断桩; 4)桩心土与沉管内壁摩阻力过大,在提管过程中桩心土被拉断并脱开,使

35、混凝土流入桩心,形成实心桩; 5)沉管内进水,造成夹泥;6)沉管活瓣打开不充分,在拔管过程中混凝土下落量不足。防治措施:1)沉管施打前扎紧活瓣,沉管到位后严格检查管内进水情况;2)沉管沉到设计标高后应立即浇灌混凝土,以免地下水进入沉管;3)提管前应先检查混凝土的灌注量,不得小于该桩的理论混凝土使用量,即充盈系数为1.0时的混凝土用量; 4)严格控制拔管速度,拨管前先预提50cm,再经过充分振动后,方可连续进行提管的操作。提管过程中及时检查管内的混凝土存量,根据情况添加混凝土; 在流态淤泥质土层中施工,应采用较低的沉管提升速度(一般控制在60cm·min- 1); 改善混凝土的和易性,

36、避免离析现象; 在施工过程中增加管壁敲打的检查次数(判断混凝土与桩心土面的高度) ,发现异常情况及时研究补救措施。5、混凝土用量过大产生原因: 1）遇有地下枯井、坟坑、下水道等洞穴,使混凝土灌注时流失; 2) 在饱和淤泥或淤泥质软土等地质环境中施工,使灌注的混凝土扩散,桩身扩大。防治措施:1)了解施工现场的地下洞穴情况,条件允许时应预先挖开清理,并用素土回填; 2)当沉管拔至地质条件较差的软土部位时,及时补充混凝土投料。6、成桩后管壁不同心、厚度不均匀产生原因: 1）桩机机架不平,沉管不垂直; 2）拔管速度偏快,管内混凝土振动时间偏短,造成桩身混凝土成型不规则; 3）违反操作规程,在拔管和浇注

37、混凝土的同时,调整调斜撑杆和抽地轮管(施工人员为打下根桩提前做准备) ;7、桩心土的侧向挤压作用防治措施:1) 沉管下沉前必须保证沉管垂直,机架水平; 2) 浇灌混凝土后必须充分振管,严格控制拔管速度;3) 在拔管和浇注混凝土时,不得调整调斜撑杆和抽地轮管,移位工作必须在前一根桩施工结束后进行; 4)沉管带着桩心土出地面后,不得立即移动桩机,以免造成桩心土在地面处被沉管切断,导致成桩后桩头部位管壁厚度不均;必须继续提升沉管,使桩心土从沉管中自然脱出。2.5 常见问题的综合控制方法2.5.1 施工准备阶段选用符合设计规定的材料:一般选用中砂,石子粒径控制在31.5mm以下(525mm较适宜)且砂

38、、石级配必须符合要求。水泥多采用强度等级3215的普通硅酸盐水泥。认真打好试验桩:试验桩的目的是以设计要求为依据,确定实际施工中的有关参数:沉管进尺速度、拔管速度、混凝土的充盈系数、桩机工作电流的大小、混凝土坍落度、打桩顺序等。2.5.2 施工阶段 依据试验桩确定的各项施工参数,严格按照现浇混凝土薄壁管桩技术规程进行施工。施工过程中对机架的垂直情况、混凝土的坍落度、振管时间、充盈系数、拔管速度等关键参数的检查要做到逐根多次,并及时逐根填写打桩记录表;发现异常情况及时处理,并及时做好施工记录。提管速度太快是产生施工中大部分问题的关键,因此拔管前必须加料到按充盈系数1.0计算所需的混凝土量,并经充

39、分振动沉管后方可开始拔管,拔管过程中严格控制拔管速度,必须边振边拔,直至沉管全部拔出。3 PCC桩复合地基计算和设计3.1 成桩机理PCC桩技术,采取振动沉模,自动排土,现场灌筑混凝土而成管桩。具体步骤是依靠沉腔上部锤头的振动力,将内外双层套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,在腔体内现场浇筑混凝土,之后振动拔管,在环形区域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。如果需要,也可在管腔中放入环形钢筋笼,以形成现浇钢筋混凝土簿壁管桩12。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及水平荷载的分担比例以及减小基础底面的应力集中问题,在桩顶设置褥垫层,从而形成PC

40、C桩复合地基。PCC桩动力设备是振动锤,振动锤的两根轴上各装有偏心块,由偏心块产生偏心力。当两轴相向同速运转,横向偏心力抵消,竖向偏心力相加时,使振动体系产生垂直往复高频率振动。振动体系具有很高的质量和速度,产生强大的冲击动量,将环形空腔模板迅速沉入地层。腔体模板的沉入速度与振锤的功率大小、振动体系的质量和土层的密度、黏性、粒径有关。当激振力R大于刃面的法向力N 的竖向分力、刃面的摩擦力F的竖向分力、腔体模板周边的摩阻力P等3种阻力之和时(见图1),模板即能沉入土层; 当R 与N、F、P竖向分力平衡时或达到预定深度时,则模板停止下沉。腔体模板在振动力作用下使土体受到强迫震动产生局部剪胀破坏或液

41、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。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。成桩机理为： 图3.1现浇混泥土薄壁管桩成桩机理 (1)模板作用在振动力的作用下环形腔体模板沉入土中后,浇筑混凝土;当振动模板提拔时,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。从而成为造槽、扩壁、浇筑一次性直接成管桩的新工艺,保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。 (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

42、厚增加。(3)挤密作用PCC桩在施工过程中由于振动、挤压和排土等原因,可对桩间土起到一定的密实作用。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。3.2 复合地基的力学效应3.2.1 内外壁摩擦力由于桩体为大直径管桩,内外壁与土体摩擦可提供更大的承载力(图3.1) 。3.2.2 填土路基“拱效应”13 在路基填土自重和上部荷载作用下,由于桩间软土压缩性大,造成软土以上的填土相对于桩顶上的填土有向下移动的趋势,两者之间就会产生剪应力,阻止不均匀沉降变形的发展,即填土中产生了拱效应(见图3.2a) 。拱效应的产生减小了作用在软土顶面的压力,使路堤荷载的大部分通过桩体传递到坚硬下卧层,达到

43、加固路基、减小总沉降及不均匀沉降的目的。图3.2aPCC桩加固路基软土的“拱效应”3.2.3 土工格栅“拉膜效应”13 为了节约工程量,在桩顶铺垫土工格栅加筋碎石垫层,可以大幅度增大桩间距。在上部荷载作用下,加筋垫层发生弯曲(图3.2b),土工格栅变形后的形状近似于圆弧型或悬链线。随着土工格栅产生一定的拉伸变形,土工格栅呈现“拉膜效应”,即可以承受一定的法向荷载,一部分荷载通过土工格栅拉力的垂直分量传递到桩体上,减少了软土顶面沉降及传递到路堤顶面的不均匀沉降。图3.2b 工格栅“拉膜效应”3.3 复合地基计算和设计3.3.1 理论计算由于PCC桩与褥垫层、土共同作用形成刚性桩复合地基,其设计按

44、刚性桩复合地基进行。3.3.2 复合地基承载力计算 确定复合地基承载力比较可靠的方法是,采用单桩或多桩复合地基原位载荷试验实测,也可用下面的公式进行估算14-15 : (1)式中pcf是复合地基极限承载力,kPa;ppf为桩体极限承载力,kPa;psf为桩间土极限承载力,kPa;m为复合地基置换率;为桩体破坏时,桩间土极限强度发挥度(013110) 。PCC桩的极限承载力表达式为 (2)式中fi为第i层土的桩周土摩阻力;Sa为桩身周边长度;Ap为桩身横断面积; R为桩端土极限承载力;Li为按土层划分的各段桩长。按上式计算承载力外,尚需根据桩身材料强度计算单桩极限承载力,即 (3)式中q为桩体极

45、限抗压强度。二者中取较小值为桩的极限承载力。由于土塞侧阻的性状受多因素制约而变化1,土塞侧阻尚未形成切实可行的计算方法。因此,在式(2)中没有考虑桩内侧摩阻力的贡献,而把其作为安全储备。3.3.3 复合地基变形计算通常把复合地基沉降量分为两部分,即复合地基加固区的压缩量S1;加固区下卧层厚度的压缩量S2。于是在荷载作用下复合地基的总沉降为两部分之和。桩体复合地基中,加固区桩间土的竖向压缩量等于桩体的弹性压缩量和桩刺入下卧层的桩端沉降量之和。对刚性复合地基,刚性桩桩体的弹性压缩量很小,可以忽略,则加固区桩间土的竖向压缩量等于桩端刺入下卧土层中的桩端沉降量。PCC桩刚性复合地基加固区压缩量S1既可

46、通过计算桩端刺入下卧层的沉降量得到,也可通过计算加固区桩间土竖向压缩量得到。按后者计算时,荷载采用桩间土分担的荷载,采用分层总和法计算加固区土层的压缩量。在计算中,忽略了由桩侧摩擦力所传递的应力增量的作用。加固区压缩量S1的表达式为 （4）式中Eci是第i层土压缩模量;pi、psi分别为由复合地基上总荷载和桩间土分担的荷载计算得到i层土上的附加应力增量; Hi为第i层土的厚度;S1s为未加固地基土在总荷载作用下相应厚度的压缩量;s 为应力修正系数,作用在下卧层上的荷载采用等效实体法,即将复合地基加固区视为一等效实体,作用在下层上的荷载作用面与作用在复合地基上的相同,在等效实体四周作用有侧摩阻力

47、,设其密度为,则下卧层上的荷载Pb 由下式计算 （5）式中P为作用在复合地基顶面的荷载;Pb 为作用在下卧层上的荷载;G为桩体的重量(地下水位以下须考虑浮力);h为复合地基加固区深度;为等效实体侧摩阻力密度。下卧层上的荷载分布假设与复合地基上一样也为梯形,PCC桩复合地基总沉降量为 （6） 上式采用分层总和法计算。复合地基加固区分为n1层,下卧层分为n2-n1 层, 整个压缩层分为n2层。上式右边第1项中第i层附加应力增量pi由复合地基上作用总荷载计算得到,Eci为第i土层复合模量;Hi为加固区第i层土的厚度,Hj为加固区下第j层土的厚度。右边第2项中下卧层中第j层附加应力增量pj按奥斯特博格

48、(Osterberg)的计算公式计算6;Esj为复合地基加固区下第j层土的压缩模量。3.3.4 复合地基设计(1)根据地质勘测报告,确定桩端持力层和桩长;(2)确定桩径和壁厚,一般设计桩径为110115m,设计壁厚0110115m;(3)根据设计要求的复合地基承载力和变形确定桩间距和布置;(4)桩体混凝土等级一般采用C15C25;(5)褥垫层厚度一般取35cm,材料可选粗砂,碎石等,中间土工格栅一层。3.4 施工方法3.4.1 成桩过程进场现场装配桩机就位振动沉管浇筑混凝土振动拔管移机。施工流程见图3.4图3.4施工流程3.4.2 施工注意事项(1)为保证在含地下水土层中应用现浇管桩的质量,在

49、成桩过程中使地下水、流砂、淤泥不致自桩靴进入管腔,混凝土浇筑采用二步法工艺,即在成桩管下到地下水位以上即进行第一次浇筑,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)为保证桩与桩之间在成桩过程中不互相影响,采用隔孔隔排施工工序。(3)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。(4)内外管应锁定后方可起吊设备;(5)混凝土应以细石料为主,可以适当掺入减水剂,使得腔体中混凝土流动性较好;(6)在遇到砂性土层时,宜放慢上提的速度,在软土层中上提速度一般可在13min/m。3.5 施工质量检测方法PCC桩检测分三种方式进行,即:(1)低应变和高应变检测,采用

50、反射波法对桩身完整性进行检测。(2)静载荷试验或复合地基承载力载荷试验,对单桩承载力或复合地基承载力进行检测。(3)现场开挖。对前两种检测方法有怀疑时,可以开挖检查桩身外观质量,该项工作应在桩基完工14d后进行。4 桩复合地基荷载变形特性16-194.1 场地地质条件该地区软土层为淤泥及淤泥质土，为滨海相、泻湖相两大成因，部分地段存在超软、深厚的软土，有的深达30m 以上，技术指标差、灵敏度高、受扰动后强度降低幅度大、承载力、沉降问题较为突出，试验段场地土层分布见表4-1. 表4-1 试验场地土层分布情况地层序号底层名称层面标高/m一般厚度/m状态或密度 亚粘土地表面1.22.8可塑-2淤泥质

51、亚粘土-0.05-1.906.3010.50流塑-2a亚粘土夹粉砂，亚砂土-1.90-3.902.04.40软塑-流塑（亚）粘土-9.7010.001.34.8硬塑-可塑a亚粘土-11.80-12.851.202.60可塑-软塑b亚粘土-12.302.50软塑-1粉砂.亚砂土-12.40-15.007.414.20中秘-密实-2亚粘土-21.50-28.401.106.80流塑-3粉砂-23.90-26.704.07.40密实-中密（亚）粘土-29.9-31.05.4010.50硬塑为主，部分可塑c亚砂土-34.40-36.451.504.0密实a亚粘土夹于4层之中1.905.50可塑-软塑-

52、1亚砂土-40.10-45.404.711.6密实-中密-2亚粘土局部分布2.90可塑粘土-50.60-53.302.305.80硬-可塑a亚粘土-53.30-56.352.504.70塑为主软-1粉砂-53.8-58.85未揭穿密实4.2 试验设计PCC桩是一种全新的桩型，与预应力管桩的区别主要在于成桩方法，因此，在未形成专用规范之前设计主要参照现行的有关规范进行。设计主要从3个方面进行考虑，即路基稳定性、复合地基承载力和复合地基沉降及工后沉降。k31+509k31+600设计桩径为1000mm，壁厚分别为100mm及120mm，正方形布置，间距为3.3m×3.3m，采用变桩长的方

53、式调整路面和桥面的不均匀沉降，与桥墩相邻的桩长为18m，与道路相邻的桩长16m。桩顶设置40cm碎石垫层加两层土工隔栅，两层隔栅分别布置于垫层的中部及表面。4.3 观测结果及分析4.3.1 桩土沉降及差异沉降图4.3a为典型的表面沉降过程线，表面沉降随着填土高度的增加,沉降量相应增大，沉降过程线存在几个较明显的拐点。路堤填筑初期桩顶和桩间土的沉降均较小，沉降发生的速率较慢，尤其是桩顶几乎不发生沉降，说明此时荷载主要由桩间土承担；当路堤填筑高度达到2.0m左右时，桩顶和桩间土沉降速率均有增大的趋势，但桩间土的沉降速率要大于桩顶的沉降速率，桩土之间产生较明显的沉降差，路堤荷载在桩顶和桩间土上进行着

54、调整分担。预压近4个月时桩顶的沉降为117mm，桩间土的沉降为231mm，桩土之间产生114mm 的沉降差。 图4.3a 表面沉降过程线图4.3b为桩土沉降差发展过程线。在路堤填筑高度达到4.5m之前，桩土沉降差以近乎线性的方式增长，沉降差不断增大，路堤荷载由以桩间土承担为主逐步转变为以桩体承担为主，当路堤填筑高度达到4.5m左右时，桩土沉降差趋于稳定，沉降差不随路堤填筑高度而变化，说明在4.5m 左右的填筑高度下垫层的作用被充分调动，桩土荷载分担达到一种平衡状态状态，加固区桩、土以整体的方式发生着沉降变形。对于3.0m左右的桩间距当桩土沉降差在117mm时，土工隔栅的平均延伸率为0.31%左

55、右，因此不会产生隔栅被拉断的危险，而且，这样的一个沉降差对于发挥垫层效用充分利用桩间土自身的承载力是十分必要的。图4.3b 桩土差异沉降4.3.2 沉降速率沉降速率控制是高速公路路堤填筑过程中一个十分重要的指标，是确保路堤不产生失稳破坏的关键所在，同时沉降速率还是控制相关工序进行的重要条件。路堤填筑工作于2003年8月中旬开始至2003年12月底已填筑至6.5m，图4.3c为路堤填筑及预压阶段典型的月沉降速率变化情况。随着路堤填筑工作的加快，沉降速率有增大的趋势，最大沉降速率发生于等载土方施加后的一段时间，最大沉降速率为105mm/月左右，填筑初期桩间土的沉降速率要大于桩头的沉降速率，路堤填筑达到一定高度时，二者沉降速率趋于一致并很快趋于收敛至2004年9月试验段的沉降速率已经连续2个月小于3mm/月，达到进行路面施工