夯扩灌注桩在邯郸市的工程应用

夯扩灌注桩在xx市的工程应用0引言垃圾夯底扩端钢筋混凝土灌注桩〔简称夯扩桩〕是利用专门机械，在桩端夯填建筑垃圾和干硬混凝土，桩身采用钢筋混凝土灌注而形成的一种新型复合材料桩。它是在沉管灌注桩和内击沉管夯扩桩的基础上发展起来的地基加固新技术。该桩型既是提高单桩承载力的一种有效措施，又可消纳大量的建筑垃圾，清洁城市环境，节省桩体材料，降低工程造价，而且该工艺具有施工质量容易控制、施工速度快、工期短等优点。因而，近年来在工程中得到迅速推广，并取得了良好的经济效益、环境效益和社会效益。但该技术在xx市建筑地基加固中的应用却刚刚起步。本文在分析夯扩桩的加固机理和适用范围的基础上，结合工程实例验证其应用效果。1夯扩桩地基加固机理和适用范围1．1地基加固机理图1夯扩桩加固机理图夯扩桩单桩承载力主要以桩端扩大头支承为主，桩侧摩阻力为辅的人工端承桩（图1）。其对地基土的加固机理主要表现为：⑴桩周挤密作用：成桩过程中，护筒将孔位的土体挤到周围土体中，使桩间土的密实度增加，孔隙比减小，承载力增大；同时可提高桩周土对桩的横向挤压力，从而增加土对桩的摩阻力。⑵桩端挤密作用：在成桩过程中，垃圾填料在夯锤强大的冲击作用下，携带一定能量向周围土体移动，同时克服土的阻力，将一部分动能传递给土体，本身携带能量不断减少，直到和土阻力平衡，填料颗粒停止运动［1］。反复填料夯击，形成垃圾扩大头，对桩端地基土强制挤压密实，从而改善桩端土的工程性质，使其强度显著增加，压缩性大大降低，垃圾填料与其周围挤密后的地基土形成良好的人工复合持力层。因扩大头承载作用显著，使桩的受力特性接近或达到端承桩型。⑶置换作用：桩端持力层中夯入一定数量的建筑垃圾，强制置换原来结构较松散、强度较低的地基土，形成桩端扩大头，从而大大提高单桩承载能力。⑷排水固结作用：在夯击过程中，夯锤对地基土施加瞬时的巨大冲击荷载，使地基土产生较大的超静孔隙水压力。然而，因投入的建筑垃圾是粗颗粒干料，孔隙连通性好，可作为地基土良好的排水通道，使超静孔隙水压力及时迅速消散,地基土得到排水固结。⑸预震作用：美国H.B.Seed等人的试验结果表明［2］，砂土液化的特性除了与相对密度有关外，还与振动应变史有关。在一定的应力循环次数下，当两试样的相对密度相同时，要造成经过预震的试样产生液化所需施加的应力要比未经预震的试样引起液化所需的应力值提高46%。夯扩桩成桩时使地基土产生多次瞬间夯击振动，对可液化土层产生预震作用，从而降低甚至消除地基土液化的可能性。⑹应力扩散作用：形成扩大头的建筑垃圾属散体材料，其强度虽然不及凝固后的干硬砼和桩身砼，但比下伏地基土层的承载力要高得多，荷载传递到桩端后，可通过垃圾填料的应力扩散作用传递给其下卧土层，从而减小下卧层的沉降。综上所述，夯扩桩不但能起到一般刚性桩支承上部荷载的作用，而且具有比同等条件下的刚性桩高得多的单桩承载力。同时，夯扩桩还兼有加固桩间土和桩端持力层的双重作用，桩与桩间土形成良好的复合地基。1.2夯扩桩的适用范围根据目前已使用的夯扩桩工程实践经验［1］［4］，该桩型对地基条件有较大的适应能力。当地基上部为软弱土层，基底以下4～10m左右有一层性质较好的桩端持力层，如砂土、卵砾石、粉土或可塑～硬塑的粘性土等，且桩端持力层厚度不小于4m时效果最佳。对持力层承载力较低的粉土、粉质粘土等，亦可通过夯扩挤密及排水固结作用，提高其承载力。2夯扩桩的设计计算夯扩桩桩基设计与一般灌注桩的主要区别在于单桩承载力特征值的确定。单桩承载力大小除由试桩确定外，初步设计时，单桩竖向承载力可按下式估算［5］：式中：Ra——单桩竖向承载力特征值；up——桩身断面周长（m）；qsia——桩侧第i层土的侧阻力特征值；li——桩身穿越第i层土的厚度（m）；qpa——夯扩体持力层土经深度修正后的承载力特征值；Ae——等效桩端计算面积（m2），可根据被加固土层性质和三击贯入度按文献［5］选用。桩的间距应根据加固层土的挤密与排水性能确定，一般不宜小于1.6~2.0m。桩数、桩身配筋和承台的设计计算以及桩基沉降计算均按规范［3］进行。3工程实例3.1工程概况xx市某图书馆，4层，框架结构，独立基础，基础埋深2.2m，二级建筑。地基方案最初选为粉喷桩或CFG桩复合地基，但都因处理后承载力低，致使基础面积过大，而且桩数很多，予以放弃。后来考虑钻孔灌注桩方案，但浅部又没有很硬的桩端持力层。最后选用垃圾夯扩桩处理方案，采用群桩承台基础，设计单桩极限承载力≥1200KN，桩长8.5m，桩径0.4m，总桩数895根。桩端夯扩体夯填碎砖块，桩身灌注C20砼。3.2工程地质条件场地地层结构及各土层物理力学性质指标分别见表1和表2。表1场地地层结构及承载力地层编号成因时代岩土名称层厚(m)岩性描述承载力fK(kPa)1Q42(al+pl)粉土1.9灰褐色，湿，稍密~中密。902粉质粘土2.6黄褐色，饱和，可~软塑，局部夹薄层粉土。1003粉土2.2灰黑色，很湿，稍~中密，局部夹薄层粉质粘土。954粉质粘土3.8灰黑色，饱和，软塑，局部夹粉土薄层，含青砖瓦碎块。1005粉土2.1灰黑色，很湿，中密，含小姜石，局部夹粉质粘土薄层。1106Q41(al+pl)粘土＞3.6未揭穿深灰~灰绿色，饱和，硬塑状态，含少量钙质结核。160注：1．桩端加固层为第5层粉土；2．地下水位埋深4.1~10.5m。3.3施工工艺及检测结果3.3.1施工工艺夯扩桩是由建筑垃圾和干硬混凝土形成扩大端，钢筋混凝土灌注桩身的复合材料桩。夯扩桩制桩机主要由柱状夯锤、护筒、导向架、卷扬机等部分组成。其施工工艺流程为：桩位放线—桩机就位—沉护筒—填料夯实—测量贯入度—填干硬砼并夯实—安放钢筋笼—灌注砼并捣实—提出护筒—成桩。桩底扩大头采用建筑垃圾，主要成分为碎砖，含少量水泥及砼碎块，有机质不超过5%，自然级配，必要时稍加粉碎，控制最大粒径＜20cm，收锤贯入度＜10cm，且夯锤有回弹现象。干硬混凝土要达到“手握成团，一捏即碎”，夯填量不小于0.3m3，并保证锤出护筒5cm以内。钢筋笼按标高居中放置，主筋保护层50mm。桩身灌注C20砼，坍落度控制在14~16cm，保证充盈系数在1.0以上。提出护筒时按1~1.2m/min控制。振捣要快插慢拔，一棒到底。夯锤重3.0吨，提落高度5m。表2各土层物理力学性质指标层号土层名称含水量天然重度孔隙比饱和度液限塑限塑性指数液性指数压缩系数压缩模量WγeSrWLWPIPILaEs%g/cm3%%%MPa-1MPa1粉土26.11.940.76592.330.421.88.60.50.37.52粉质粘土29.41.920.81094.635.021.413.60.560.36.53粉土29.11.940.80996.932.222.69.60.680.38.44粉质粘土34.31.910.93898.740.422.813.60.640.46.05粉土27.61.980.74698.929.722.57.20.720.210.16粘土25.01.990.72395.039.119.619.50.280.35.83.3.2桩基检测结果与分析该工程共设计基桩895根，桩基施工结束28天后，按照规范[3]要求，任选9根桩进行了单桩静载荷试验，按最终加载量的1/10分9级施加，第一级按2倍分级荷载加荷，最大加荷1200KN；卸载分级为加载分级的2倍。单桩静载荷试验曲线见图2。Q(KN)lgt(min)360KN360KN600KN480KN600KN480KN840KN720KN图840KN720KN960KN960KN1080KN1080KNS(mm)1200KNS(mm)S(mm)1200KNS(mm)74#74#桩S~lgt曲线图2单桩静载荷试验曲线从图2可见，根据桩基极限承载力的判断方法，检测的9根单桩在最大竖向荷载1200kN的作用下，均未出现承载力极限状态，各级荷载下的沉降稳定时间较短，各级荷载作用下的沉降量及累计沉降量相对较小。因此，9根桩竖向极限承载力均不低于1200kN，满足设计要求。但存在一定的沉降差异，其中640#、434#、853#、139#和819#桩总沉降变化在3.19~4.89mm之间，卸载后总回弹量为2.8~3.91mm之间，回弹率为67.84~89.66%，沉降值较小，回弹率较高；而74#、785#、439#及260#桩总沉降在6.93~8.29mm，总回弹量为3.48~5.12mm，回弹率48.95~70.85%，沉降量相对较大，回弹率较低。分析认为，产生上述沉降及回弹差异主要因为场地东半部原为养鱼塘，深度达4m左右，回填后使桩周存在一定厚度的回填土，影响桩的侧摩阻力。再者该部位地下水埋深浅（小于5m），土层含水量较大，这也会使桩的侧阻力和端阻力有所降低，相同荷载下的沉降量增大。经估算，工程造价比CFG桩节省约21%。因单桩承载力高，设计桩数减少一半以上，比相同桩径而持力层为第⑥层的普通灌注桩造价节约近50%，可见经济效益显著。已建成使用，效果良好。4结论〔1〕垃圾夯扩灌注桩，是处理多层甚至高层建筑软土地基的有效方法，它具有单桩承载力高、沉降量小，节省桩材、施工快、