濕陷性黃土地區百米超長樁施工關鍵技術研究*

于宗讓,唐 良,韓國定

(陜西建工機械施工集團有限公司,陜西 西安 710000)

0 引言

濕陷性黃土是我國西北地區和內蒙古地區常見的土壤類型,在橋梁和建筑等工程建設領域中,因其不均勻性和極度變形性,常伴隨著樁基沉降量大、承載力不穩定等問題[1]。超長樁作為一種有效的解決方案,可以充分利用黃土地基較深層的堅硬巖石地層,提高樁基的承載力和穩定性[2]。

目前,超長樁的設計受到地質、水文等多種因素的制約。如何在滿足結構建設需求的前提下,使超長樁在濕陷性黃土地區起到更好的作用是當前研究的重點之一。劉繼鵬等[3]對豫西地區濕陷性黃土地基的施工處理和力學性能進行了系統分析,總結出適用于該地區的減小沉降量和地基加強的施工技術,并提出了優化措施。魯愛民[4]探討了CFG樁與濕陷性黃土地基沉降量之間的關系,并提出了針對包頭市地區復合地基處理實際應用的優化方案。楊勇濤等[5]介紹了鉆孔灌注樁在施工中需要考慮的因素,并提出了一種針對濕陷性黃土地基的鉆孔灌注樁施工工藝流程,有效控制了樁基沉降。在濕陷性黃土地區超長樁施工控制研究方面,王同民[6]針對超長樁施工過程中遇到的巨型溶腔采取三維物探方法確定參數,并通過鉆機選型、預注漿等技術措施高質量地完成了施工。

總體來看,濕陷性黃土地區超長樁相關領域的研究已經取得了很大進展,學者們提出了多種適用于濕陷性黃土地區超長樁的新技術和新方法。然而,一些問題仍然需要進一步深入研究,例如如何提高超長樁的承載能力和抗側向力能力,以及結合現場具體情況保證超長樁的施工質量等問題[7]。本文以百米超長樁施工為依托,闡明了濕陷性黃土地區百米超長樁的施工工藝和控制措施,以期為濕陷性黃土地區基礎設施建設提供更好的解決方案。

1 工程概況

銅川市玉皇閣二號特大橋主橋下部共28個橋墩,樁基礎為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,設計樁徑1.5,1.8,2.0,2.2m,設計樁長42～102m,鉆孔深度最深約105m,每個橋墩設6～45根樁,共計529根,方量約10萬m3。樁基長度分布情況:42～60m占28%,60～80m占46.5%,80～85m占17%,100m以上占8.5%。

16號主墩采用45根直徑2.0m的鉆孔灌注樁作為基礎設計,有效樁長102m,成孔深度104.5m,是全橋最深的樁基,也是陜西省及西北地區最深的樁基之一(見圖1)。該樁基為端承樁,沉積物厚度小于5cm。該樁位于黃土塬斜坡地帶且地形起伏大,地形凌亂,溝壁陡峻給樁基施工增添困難,且樁基最深端承樁入巖較深、強度較大,施工難度大。

圖1 16號主墩樁基

2 工程地質條件

本工程路線主要地貌為黃土臺塬和黃土沖溝,黃土臺塬地形由北向南逐漸下降,向趙氏河河谷傾斜,地質情況如圖2所示。

圖2 16號墩地層分布

3 濕陷性黃土樁基施工重難點

1)二號特大橋為全線關鍵控制性工程,施工工期特別緊,而主墩鉆孔灌注樁施工所處地質條件復雜,樁基成孔深度達104.5m,地層以馬蘭黃土、離石黃土及粉質黏土為主,該層黃土具有中等濕陷性,濕陷等級為自重Ⅱ級。該層設計樁側土摩阻力為-10kPa,如何有效降水是施工控制的難點。

2)主墩樁基鉆進深度大,16號主墩樁基有效樁長102m,鉆孔深度達104.5m,累積需穿過巖層厚度61.5m,巖石強度大,隨著鉆桿的延長,旋挖鉆機扭矩急劇下降,工效低且極易損壞鉆桿,對于超深樁基成孔設備的選型以及專業操作人員的作業水平要求都比較高。

3)成孔過程中容易塌孔而且由于樁長較長,要穿越軟硬不同的多個地層,從上到下地質條件差異大,在穿越不同地層時需要使用不同功能的成孔機械。由于穿越不同土層,各土層對護壁泥漿的要求不一樣,需要隨時調整護壁泥漿的配合比,泥漿配合比的優化及沉渣厚度控制是施工的關鍵。

4)鋼筋籠直徑大、長度長,線形及對接精度不易控制,如何優化鋼筋籠制安工藝及提高安裝效率至關重要。

5)根據設計要求,樁基采用C35混凝土進行澆筑,混凝土澆筑量323m3,澆筑持續時間長,對混凝土工作性能要求高,樁基混凝土灌注是施工中風險最大的環節,如何保證混凝土成功封底及后續連續灌注,是控制重點。

6)由于橋梁樁基按端承樁進行設計,規范要求端承樁樁底沉渣厚度不大于50mm,超深樁基清孔難度大,鋼筋籠長度103.5m,孔口拼裝時間過長,軟弱地層易產生塌孔或沉渣超標。

4 成孔方法與鉆機比選

大直徑超長灌注樁成樁質量直接影響樁基承載性能的發揮。由于大直徑超長灌注樁在施工中面臨垂直度控制、泥漿控制、成孔質量控制、灌注困難等一系列問題[8],直接影響大直徑超長灌注樁的使用及推廣。因此,成孔工藝和鉆機選型對于施工尤其重要。

4.1 各類成孔方法對比

我國灌注樁成孔工藝主要有:人工挖孔、沉管成孔、回轉鉆孔、沖擊成孔、旋挖鉆孔以及貝諾特成孔方法[9]。這些方法都有自身的優勢和局限性,應結合工程地質條件靈活選擇并需進一步創新。

為保證超長樁施工質量、加快樁基施工進度、控制樁基成本,本文從多方面對正循環成孔法、回轉鉆孔、沖擊成孔、旋挖鉆孔以及貝諾特成孔方法進行綜合比選,如表1所示。

表1 各類施工工藝適用范圍

不難發現,在工程應用中,當樁長較深、樁徑較大、地質條件較為復雜的情況下,采用旋挖成孔法進行施工能最大限度發揮其優勢,其工效比也將最大化,非常適合濕陷性黃土地區百米超長超大直徑樁施工[10]。

4.2 鉆機選型與參數選擇

4.2.1鉆機選型

針對各樁基的施工,擬定了3種方案并實施,根據施工實踐對比(見表2),最終選擇水孔大旋挖鉆機施工。

表2 施工方案比選

4.2.2鉆機參數選擇

1)鉆孔深度與扭矩

16號主墩樁基有效樁長102m,鉆孔深度達104.5m,所以鉆機的最大鉆孔深度必須大于105m。根據16號墩所處地層條件,同時考慮超長樁鉆孔垂直度須按75%有效鉆壓減壓鉆進[11],施工時鉆孔機具最大扭矩不宜小于400kN·m。

經過施工實踐,對于最深的16號墩樁基最終選擇1臺徐工XR550鉆機和徐工XR800E旋挖鉆機施工。

2)鉆桿

XR800E型旋挖鉆機,所選鉆桿為伸縮式結構,除了扭矩參數以外影響鉆孔深度的最大因素就是鉆桿。目前旋挖鉆機常見的鉆桿有摩阻式鉆桿和機鎖式鉆桿。結合現場地質條件和鉆孔深度,向廠家定制長度為24.5m的機鎖式鉆桿用于解決鉆孔深度問題,定制鉆桿鉆孔深度可達110m。

3)鉆頭

由于鉆孔深度達104.5m,需穿越巖層累計厚度61.5m,面對巖層埋深大、鉆桿過長導致扭力衰減、鉆壓不足、巖石強度大、工效低、鉆桿多次損壞的不利局面,積極改變施工方法,采用不同直徑筒鉆套打,先1.2m,再1.5m,最后2.0m,由小到大逐漸加深,由于巖石裂隙發育,配合錐形鉆頭進行撈渣,3天時間可成樁。

5 關鍵技術與控制要點

5.1 試樁荷載試驗

為探究所用百米超長樁在濕陷性黃土場地的承載力和沉降量特性,施工開始前,選取4根試樁進行天然狀態下的靜載荷試驗。

試驗采用堆載法實現,堆載系統包括配重、鋼梁、分配梁、鋼柱等,單樁上放置千斤頂通過鋼柱與分配梁接觸,其中混凝土塊重達3t,試驗選用的30個混凝土塊和3根鋼梁能提供的反力約為108t,如圖3所示。

圖3 試樁荷載試驗示意

5.2 鉆孔過程控制

5.2.1各土層鉆進參數選擇

在實際工程中,鉆進過程會產生較大的沖擊壓力和振動,容易造成設備損壞、鉆孔質量差等問題。因此,成孔前需要針對地層情況和工程要求進行分析,從而確定最佳的鉆進參數和方案[12],不同地質層的鉆進參數取值如表3所示。

5.2.2鉆進中的泥漿循環系統

針對本工程濕陷性黃土大直徑深孔樁基造漿能力不足的問題,泥漿控制是鉆進過程中的關鍵環節。玉皇閣二號特大橋采用原土+膨潤土造漿工藝。首先,在鉆進過程中,需要根據鉆進深度、鉆孔直徑和不同地層條件等因素,合理選擇泥漿成分,完成鉆進作業。其次,需要通過調整液面高度和適時調整泥漿密度等方式來控制其性能,以在鉆進過程中保護孔壁。此外,考慮到濕陷性黃土地質條件的復雜性,需要掌握合理的清孔泥漿指標,以避免風險和損失。放置鋼筋籠時間過長的情況下,泥漿會變得稠密,難以清除,對鋼筋籠的質量和鉆孔效果產生影響。因此,清孔泥漿指標的控制至關重要,采用的清孔泥漿參數如表4所示。

表4 清孔泥漿參數

5.2.3沉渣厚度檢測

由于端承樁沉渣厚度≤5cm,施工時更換平底鉆頭對孔底進行多次撈渣,加強降水監測,縮短鋼筋籠對接和導管安裝時間,澆筑前采用MC-8342型沉渣測定儀檢測沉渣厚度,符合要求后立即進行混凝土灌注。

5.2.4水下混凝土灌注控制要點

1)導管安裝要求 導管下口距離孔底30～40cm,上口與儲料斗相連,確保首批混凝土灌注后導管埋入深度大于1m,考慮擴孔等狀況,要有一定的保險系數,漏斗底口應比水面或樁頂至少高出4～6m。

2)導管安裝后,再次探測孔底沉渣厚度,如超過設計要求,則需進行二次清孔至合格為止,可利用導管進行二次清孔,也可用噴射法向孔底噴射3～5min,使沉淀懸浮。

3)灌注要求 水下混凝土灌注應緊湊、連續,中途不能中斷,并盡量縮短拆除導管的時間。當導管內混凝土不滿、含有空氣時,可徐徐灌注,以防產生高壓氣囊壓漏導管。

5.3 超長鋼筋籠理論計算與施工措施

玉皇閣二號橋主墩鋼筋籠長度大,導致施工時質量大且施工時間長。以16號墩為例,鋼筋籠最長103.5m,重達21t,鋼筋加工場分節加工長度12m,鋼筋籠采用預拼接36m。對于重21t、長12m的節段鋼筋籠如何保證吊點不會出現應力集中形成較大變形成為施工中的一大難題。

5.3.1鋼筋籠理論計算

在鋼筋籠安裝過程中,涉及吊環制作,其中吊筋選擇特別重要,需通過受力計算選擇合適的吊筋,需為圓鋼,一般考慮6倍安全系數,以防發生意外。

為減少鋼筋籠的變形,采用Midas建模分析鋼筋籠自重及吊裝工況下變形情況,根據計算結果設計合理的內支撐材料、直徑及布置形式,如圖4所示。

圖4 鋼筋籠有限元建模

5.3.2鋼筋籠施工安全控制措施

1)骨架筋加固

鋼筋籠內的加強筋為φ25 HRB400E熱軋帶肋鋼筋,布置間距<2 000mm,如圖5所示。

圖5 加強筋示意

2)吊點加強

對稱布設4個吊點,在吊點位置處、加強箍筋上方增加1根長度5cm的φ25熱軋帶肋鋼筋與φ28熱軋帶肋鋼筋,采用單面焊接,然后增加1根長度20cm的φ25熱軋光圓鋼筋做成彎曲狀與主筋單面焊接牢固,U形環嚴禁吊于吊環上。最頂端一節鋼筋籠吊環采用4根φ25熱軋光圓鋼筋,單面焊接于主筋上,作為吊點加強。鋼筋籠吊點處的穿繩,首先利用U形環對鋼絲繩進行套取,然后將U形環與鋼筋籠加強筋主筋以及套環進行連接,如圖6所示。

圖6 鋼筋籠吊點加強設計

3)加設頂筋

鋼筋籠加勁箍與主筋連接全部接觸點均采用單面點焊。在鋼筋骨架施工過程中,要根據設計要求先擺放支承架,使其能夠承受試驗荷載和加載應力。然后將已經預先配好的主筋套入加勁箍內,在焊接過程中,對主筋和加勁箍進行點焊固定,確保鋼筋骨架成型。本工程鋼筋籠最長為103.5m,在第2～4節設加強短筋,對稱布置4個,第5～6節加強短筋布置6個,第7～9節加強短筋布置8個。加強短筋需與加勁箍接觸面焊接、加強短筋與主筋焊接、吊環與主筋焊接,確保力傳遞有效。

4)采用定位器進行主筋定位

本樁基工程鋼筋籠最小直徑為1.8m,只能采用地滾進行加工。為保證主筋定位準確現場自制主筋定位器。

5.3.3鋼筋籠施工時間控制措施

由于樁身過長,鋼筋籠吊裝質量大,拼裝時間長。以16號墩為例,鋼筋籠重達21t,鋼筋籠最長103.5m,鋼筋加工場分節加工長度12m,現場對接8個截面,每個截面直螺紋套筒連接42根,聲測管安裝4根,每個截面對接需要2.5h,完成1個樁基鋼筋籠安裝共需22～24h。

施工時,在承臺外側就近布設3個預拼裝孔(見圖7),孔徑與設計孔徑一致,鉆孔過程中提前將鋼筋籠預拼成3段備用,將8個對接截面縮短到2個,拼裝時間由22h縮短到5h。加快了樁基施工速度,降低了施工風險。

6 結語

本文以濕陷性黃土地區百米超長樁的施工為例,概述了超長樁施工過程的各類技術要點。在技術、質量、安全、成本、工期等維度對比分析了各類成孔工藝和鉆機特點,選擇旋挖成孔法工藝并選擇徐工XR550和XR800E旋挖鉆機進行施工。在現場施工重難點梳理的基礎上,針對鉆孔前的試樁試驗、鉆孔過程中的綜合處理、鋼筋籠施工控制措施等關鍵技術嚴格把關,保證工程質量。

目前該橋梁所有超長樁均順利完成,各項驗收指標和外觀質量良好,成本及進度可控。自檢和第三方檢測結果均證明了采取的超長樁施工技術可為濕陷性黃土地區樁基施工提供優質的解決方案。