y型桩沉管灌注桩处理桥头软基施工总结报告

Y形沉管灌注桩处理桥头软基科研项目xx年阶段总结报告一、前言Y形沉管灌注桩是一种派生于传统沉管灌注桩的异形灌注桩。其断面形状为三段弧线弧面向内组成的曲边三角形，它采用普通沉管桩的成桩工艺，仅将原有原管形桩模改为Y形桩模，这样既保持了沉管灌注桩施工快捷、价格低廉的优势，又发挥了等截面积非圆形桩侧表面积增大、摩阻力提高的特点，经理论计算，侧摩阻力提高量可达60%。从而在等工程量的前提下大幅提高了桩基的承载能力，降低基础造价，是一种较好的新型桩基施工方法。xx省地处我国东南沿海，为软土广泛分布地区，除中西部为内陆丘陵地区外，其余地区均为软土分布地区，因此，XX省高速公路均不同程度穿越软土地区，据统计有近70%里程的高速公路铺筑在软土地基上，软土地基处理已成为XX省高等级公路建设中一个较为突出的问题。XX省软土地基与其他沿海地区相比较，其更为突出的问题是多数属于深厚软土，XX省沿海的甬台温及湖州地区不但软土层深厚，而且软土的力学指标极差。高速公路桥头对路堤沉降的要求非常高，桥头差异沉降引起的桥头跳车是高速公路建设中的一个老大难问题。近年来，XX省一直在探索处理高速公路软基的技术措施。从XX高速公路二期、XX城南线采用薄壁筒桩作为路堤桩取得了经验，到XX高速公路拓宽工程中采用预应力管桩桩式路堤处理桥头软基也取得了初步成果，但造价均相对较高。而振动沉管灌注桩由于本身具有较好的性能价格比，用振动沉管法浇筑Y形桩又进一步通过增大侧表面积能大幅提高单桩承载力，为优化寻求较好的路堤桩型，有必要对Y形沉管灌注桩进行深入研究。Y形沉管灌注桩是将国外先进的Y形桩设计理念和国内的传统沉管灌注桩工艺相结合的产物，在经过一系列单桩承载力试验后该项科研成果于2002年初通过了浙江省科技厅组织的专家鉴定，中央电视台《科学调查》5月对此进行了专访，并制作了《转化的路有多长》专题节目在科技频道播出“异形灌注桩确有一定优点，在适当条件下可与预应力管桩和钻孔灌注桩竞争”。有关材料引起省政府和省交通厅领导高度重视，当即安排在正要开工的XX高速公路工程先行试验。本次科研项目由我公司牵头，课题研究组由湖州指挥部、XX省交通规划设计研究院、XX大学、XX高速公路XX合同项目部、XX驻地监理工程师办公室联合组成。本次试验系结合XX高速公路工程，通过现场成桩工艺研究对施工工艺及质量控制等问题作初步探索，而后进行现场测试及理论分析，对采用Y形沉管灌注桩的路堤的变形、固结、稳定等问题进行研究，并检验其处理效果。二、试验项目概况XX高速公路一期工程的线路，基本上是沿着XX南岸自东向西而行，沿线水网交织，地质情况较为复杂，全线软基路段达20.796公里，占路线总长的34.16%，为了认真克服公路建设的三大质量通病，切实处理好本工程项目的软土路基，在工程设计时，认真吸取了其他高速公路的建设经验，更广泛地应用了新技术和新工艺。其中“Y型沉管灌注桩”系在国内首次使用的新技术。由于此前Y形沉管灌注桩仅在工民建工程中作为试桩进行过试验，未曾在实际工程中应用过，在实际施工中Y形桩的成桩工艺，包括桩模结构，桩尖形状，打设时提高速度等参数，特别是三个凸角的充盈情况等，均有待于工程实践的检验及完善，同时Y形沉管灌注桩在高速公路中作为路堤桩首次应用，其设计计算理论及其他参数均有待于研究，故决定先在具有代表性的路段小规模试用，根据已有的预应力管桩设计修改使用，桩间距仍采用2.2m和2.7m两种。设计概况根据沿线地质情况，选取XX高速公路K24＋080～K24＋155和K24＋959～K25＋049两桥头路段采用Y形沉管灌注桩，填土平均高度为3.7米和5.1米，其中K24＋080～K24＋113和K24＋113～K24＋155两路段的设计桩距和桩长分别为2.2m/19m、2.7m/16m、2.2m/15m；设计桩身砼标号为C25，桩身截面面积为0.191m3，周长2.143m，桩帽采用直径1.4m，厚度0.35m的C25钢筋砼浇筑，桩帽顶面铺设一层刚塑格栅，要求延伸率小于3%，抗拉强度大于60KN/m。两个桥头路段Y形桩设计共1591根、共27368米，设计图纸详见附件一。2、地质概况（1）K24＋080～K24＋155路段该路段表层为2.5～3.0m厚的软塑亚粘土I1，上部为16.0m左右厚的湖沼积淤泥质亚粘土Ⅱ3，为本路段的主要软土层，中部为13.0m左右厚软塑偏硬状粘土IV1，中下部为厚5～9m软塑粘土，为第二软土层，下部为亚粘土V4，其具体物理力学指标详见表1表1试验路段K24＋080～K24＋155路段物理力学指标表分层代号岩土名称土层厚度天然含水量W（%）孔隙比e0塑性指数IP（%）渗透系数Kv/Kh(㎝/s)压缩模量Es(Mpa)固结系数Cv/Cb(㎝/s)抗剪强度指标固结快剪快剪Ccu(Kpa)Φcu(°)Cuu(Kpa)Φuu(°)I1亚粘土2.5～3.0027.20.80611.57.5E—65.8E—65.3040.812.4Ⅱ3淤泥质亚粘土15.0～166.548.41.31816.50.50E—550.88E—552.071.22E—331.05E—339.93.720.08.5Ⅳ1亚粘土12.0～133.227.80.78210.05.9430.214.549.05.7Ⅳ5淤泥质亚粘土5.0～6.5542.31.17620.54.620.62E—330.65E—3329.36.3Ⅴ4亚粘土8.0～10..031.70.87712.67.5040.96.5（2）K4＋959～K25＋049路段该路段表层为1.7～2.8m厚的软塑亚粘土Ⅱ，上部为2.0～4m厚的淤泥Ⅱ3和9.0～11.2m厚的湖沼积淤泥质亚粘土Ⅱ3，为本路段的主要软土层；中部为9.6～12.4m厚硬塑状粘土Ⅳ1；中下部为厚3～4m的亚砂土；下部为厚3～6m亚粘土Ⅳ4，其具体物理力学指标详见表2表2试验路段K24＋959～K25＋049路段物理力学指标表分层代号岩土名称土层厚度天然含水量W（%）孔隙比e0塑性指数IP（%）渗透系数Kv/Kh(㎝/s)压缩模量Es(Mpa)固结系数Cv/Cb(㎝/s)抗剪强度指标固结快剪快剪Ccu(Kpa)Φcu(°)Cuu(Kpa)Φuu(°)I1亚粘土1.7～2.8828.30.79611.540.817.3Ⅱ3，淤泥2.0～4.0059.91.68719.90.50E—550.88E—550.43E—330.88E—3314.812.321.52.5Ⅱ3淤泥质亚粘土9.0～11..233.00.93318.776.39.5Ⅳ1亚粘土9.6～12..449.31.38218.70.62E—330.65E—3312.012.018.37.5Ⅳ5，亚粘土3.0—4.0028.50.8018.528.424.0Ⅳ4亚粘土3.0～4.0035.50.96414.113.013.031.99.9Ⅳ3粘土1.2—6.5542.33、设计理论沉降值试验路段设计提供的路面顶理论工后沉降值如下：断面（桩号）Y1（K24＋1000左右）Y2（K24＋1344左右）Y3（K24＋9744左右）Y4（K25＋0044左右）Y5（K25＋0344左右）设计理论沉降值（㎝）6.59.65.79.25.34、经济比较XX高速公路桥头软基处理设计的路堤桩主要采用Φ300㎜和Φ400㎜预应力管桩、薄壁筒桩和Y形桩。但由于工程地质复杂，软土深度变化较大，而预应力管桩一般按厂家定尺规格长度生产，不能与现场实际工况相符，大面积截桩易造成浪费，故在施工阶段将设计桩长在15米以内的预应力管桩变更为Φ377㎜普通沉管灌注桩。经经济比较，Y形桩造价低于预应力管桩和薄壁筒桩，仅略高出Φ377㎜沉管桩，这是由于Y形桩的桩间距尚未与其承载力相应作出调整之故，Y形桩单桩承载力一般可超出Φ377㎜沉管桩一倍以上，而桩间距只增大了10%。桩的承载力尚未得到充分发挥，与预应力管桩相比较造价降幅不大的原因也在于此，如果桩间距能调整到2.5m—3.0m，造价降幅将能达到初设时的预期值（即节省20—25%，见下表中右下黑体数字）。本工程中几种型式路堤桩经济比较表普通沉管桩预应力管桩薄壁筒桩Y形桩桩径（㎜）Φ377Φ400Φ1000Φ490截面（㎡）0.1120.350.19单价（元/延米米）72110180102桩间距（㎡）2.02.22.22.72.53.02.22.72.53.0控制面积（㎡）4.04.844.847.296.259.04.847.296.259.0单位面积造价（元元/㎡）18.014.822.715.028.820.021.014.016.311.3三、工艺参数试验及施工情况砼充盈工艺控制参数试验2003年6月2日在K24＋080～K24＋155段进行试桩，采用DZ—90振动沉管打桩机进行施工（见下图）。首次试打6根桩，开始按一般沉管灌注桩工艺操作，砼充盈很大，单桩理论体积3.6㎝3，最多一根桩灌入砼竟达6m3之多，且桩顶均未达到设计标高，与原地面相差1米多，充盈系数超过1.8。经各方研讨后，认为主要原因是由于地质条件太差，管内外砼面高差太大，以及桩机的振动影响所造成的。2003年6月8日至6月15日通过逐步调整工艺参数继续试桩。根据少扰动土层、低砼灌压的原则，采取先将桩管振动穿透表层硬土后改为静压沉管，在桩架抬起后再振动沉管至设计高程，砼灌入后振动拔管，拔起7～8m后将连续振动改为间歇振动。拔管采取加一斗料拔一段管，保持管内砼面不高过地面2.5～3m，坍落度控制在13—15㎝，拔管速度1.5～2m/min能顺利成桩，且充盈系数保持在1.25以内。工艺措施经归纳总结为“静压贯入、轻振拔出、分级加料、逐斗提升”。试桩阶段结束后科研小组及时召开专题会议，确定改进下达了施工作业指导书，规范了以后Y形沉管灌注桩的大面积施工。K24＋080～K24＋155和K24＋959～K25＋049两段Y形沉管灌注桩施工时间从6月中旬开始，至10月23日全部完成。K24＋080～K24＋155段Y形桩施工打设深度与设计相符为19米；K24＋959～K25＋049段Y形桩因地质情况变化，实际打设深度为13.5米，两个桥头路段实际打设Y形桩1581根、共24895米。不同桩模结构及桩尖形状的对比试验本次试验成桩工艺研究中对桩模和桩尖也进行了研究。桩模是对有无中隔板的两种桩模进行耐久性试验，而桩尖则主要对有尖头和无尖头两种桩尖进行现场适应性选用。桩模的主要作用是与桩尖共同在地层中挤出空间供桩体砼材料置换，在拔出过程中又要储存待灌砼。桩模打入地层后，模内尚未灌入砼之前，空模必须承受模外土压力，此时桩模处于被压缩状态。而在拔出桩模浇灌砼时，桩模内储存的流态砼面高出地面，此时砼压力是向模外挤涨的，在整个工作过程中桩模处于压缩→挤涨→压缩的交变荷载下，根据这样受力情况分析，Y形桩桩模与圆管桩模应有不同的结构。因为圆管桩模无论在受压缩受挤涨时都是均匀受力状态，无应力集中问题。而Y形桩模则在受压缩时模板内凹，受挤涨时模板外凸，交变应力集中于尖角焊缝处，导致模板容易产生疲劳破坏。所以Y形桩模结构为适应这种受力特点，在桩模内距三个尖角顶端一定距离设置三条中隔板，其作用除使模板主跨两端由简为固端改变节点处的受力状况之外，还减少模板受弯支点距离，增加模板刚度，大大增强了桩模的强度。（图1）为了验证中隔板的作用，试验先用一付无中隔板桩模试打，整根桩模累计打了不到一百根桩，桩模经多次修补而终于报废，而采用中隔板的桩模自开始使用至试验结束，两付桩模各打了七百多根桩，从未出现焊缝开裂问题，试验结果证明中隔板的作用是明显的。关于桩尖的试验主要分为预制和施工的现场工艺适应性比较，分别制作了带尖头的桩尖（图2）和小平底桩尖（图3）两种桩尖，它们中上部形状是一样的，区别在于下部一种有尖头，一种采用小平底加三条线状刃口，具体形状见照片，由于带尖头的桩尖预制时需将模具翻转脱模养护，尖头必需朝上才能放稳，而小平底桩尖无需翻转，可就地脱模。从使用角度看，尖头桩尖需挖坑埋设，而小平底桩尖能水平放稳，无需挖坑。定位效果两种桩尖相差不多，都能满足工程要求，但平底桩尖穿透能力不如尖头桩尖。使用效果见下表特点尖头桩尖小平底三刃桩尖尖预制需翻模养护无需翻模养护埋设需挖坑埋设，和和桩模套合合不便无需埋设，和桩桩模套合方方便定位效果一样施打穿透力强穿透力梢差根据桩模和桩尖的对比试验得到以下结论：1.Y形桩模在超过10m以上深度时，桩模内设置中隔板是必要的，中隔板距尖角距离以不少于5㎝为宜。2.小平底三刃桩尖能满足Y形桩定位导向要求，制作和埋设都较尖头桩尖方便，而尖头桩尖穿透能力略优于小平底桩尖。四、质量控制情况对Y形沉管灌注桩的成桩质量采用了低应变动测、单桩承载力试验等检测方法。目前桩基施工已经结束，检测单位对部分基桩进行了检测。两路段低应变动测检测数量为180根，检测频率为11.4%（技术规范检测频率为10%），其中I类桩118根，占总检测桩数的65.7%，Ⅱ类桩30根，占总检测桩数的16.6%，Ⅲ类桩经开挖验证主要是桩头以下1米左右存在裂缝。在检查完完整性之后，随机抽取了第一批8根桩进行了单桩承载力静载试验，测试结果见下表：第一批静载荷试验汇总表里程号现场桩号设计桩长（m）设计极限承载力力（KN）极限承载力（KKN）桩顶沉降量（㎜㎜）K24＋0800～K24＋11210—619.060042044.8312—519.060024029.76K24＋1122～K24＋1559—1019.0600﹥6006.824—619.060018026.0212—719.060018043.90K24＋9599～K24＋98913—813.550018027.97K24＋989～K255＋01910—613.5500﹥6006.05K25＋019～K255＋04915—913.550036032.55第一批8根Y形桩静载荷试验中有6根不符合设计要求，且出现了4根桩的极限荷载严重偏低、测试结果离散较大的现象，表面看似被测桩体承载力不足，但经观测被压沉陷的桩帽明显倾斜，据此推测桩帽与桩体结合部的混凝土已经破坏，经开挖检查后实际情况证明确实如此，桩体并未沉降产生刺入破坏，而只是桩帽发生了沉陷位移。进一步分析破坏原因主要是成桩后浇筑桩帽时，同心度不够，偏心荷载使桩顶端混凝土破坏所致，同时沉管灌注桩本身的工艺特性就存在桩顶浮降、部分混凝土质量较差的特点，其他灌注桩也存在这个通病，并非是由于Y形这种桩形的改变所造成的，从动测结果来看Y形桩的成桩完好率反而明显高于普通圆形沉管桩。据此，我们又召开了专题会议，决定部分承载力严重偏低的4根桩桩帽凿除，重新做何在试验，并选取了部分未浇筑桩帽的桩（13—12、14—1、14—14、14—1）和已浇筑桩帽的桩（12—7、10—6）做了荷载试验，结果如下：第二批静载荷试验汇总表里程号现场桩号设计桩长（m）设计极限承载力力（KN）极限承载力（KKN）桩顶沉降量（㎜㎜）K24＋0800～K24＋11213—1219.0600﹥120013.3712—719.060072033.2014—119.060040022.5710—619.060064030.2712—519.060036015.60K24＋1122～K24＋1554—619.060084023.7112—719.0600﹤24036.57K24＋9599～K24＋98914—1413.550024032.7414—113.5500﹥120019.70K25＋019～K255＋04915—913.550048024.77检测结果看，第一批承载力严重偏低的桩在凿除桩帽后，承载力明显提高，证明桩与桩帽同心度不够是造成桩承载力严重偏低的原因。因此我们认为所测的极限荷载高端数据1200KN应可认定是切合桩实际承载力的，出现的偏低数据并未能真正反应桩的承载能力，针对经动测发现的部分桩在原地面以下1米左右存在裂缝的问题，我们认为其原因是施工过程中，桩机产生的振动波和挤土效应对刚初凝的素砼邻桩产生的破坏作用。所以今后要解决此问题，我们认为可通过改变施工机械（如采用高频振荡打桩机）、调整施工顺序（从路中心向两侧隔排跳打）来解决。解决静载测试中发现的桩与桩帽同心度不够，致使桩顶结合部强度不足问题的措施也不困难：只需在距桩顶一定范围采取适合的过渡性加强断面可以解决，在桩模上略作修改即可。进一步还可以根据沉管灌注的特点采取桩台一体化工艺从模具装备上来确保桩身和桩帽的同心度，而且能加快工效及提高桩顶混凝土质量。五、科研进展情况目前，Y型桩科研项目我们主要做了以下几方面的工作：1、编写了试验研究大纲，明确研究目的、内容及试验方法及试验计划。通过现场成桩工艺研究、现场试验段测试及理论分析研究，对Y型桩桩式路堤的变形、固结、稳定、施工工艺控制等问题作探索和深入研究，检验Y型桩的处理效果，为今后Y型桩在公路上的推广打下基础及提供理论依据。研究内容主要包括成桩工艺研究、Y型桩桩式路堤受力机理研究、有限元理论分析、适用性及经济分析。2、为了进一步查清试验路段的地层分布情况，以及获取更精确的地质参数，为试验研究提供可靠的依据，在打设之前，进行了试验路段的地质补探。3、完成了现场观测仪器的埋设。根据两个试验路段的地质土层以及Y型桩的布桩间距和深度不同情况，在K24＋080～K24＋155路段布置Y1和Y2二个观测断面；在K24＋959～K25＋04