单壁螺纹PVC塑料套管现浇混凝土桩技术及现场试验.pdf

水利水电科技进展,2016,36(1)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 第 36 卷第 1 期 Vol. 36 No. 1 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2016 年 1 月 Jan. 2016 基金项目:浙江省自然科学基金青年基金(LQ15E080002);国家自然科学基金(51508282,51508507) 作者简介:齐昌广(1986),男,讲师,博士,主要从事桩基工程和透明土试验等研究。 E鄄mail:qichangguang163. com DOI:10. 3880/ j. issn. 10067647. 2016. 01. 012 单壁螺纹 PVC 塑料套管现浇混凝土桩 技术及现场试验 齐昌广1,郭摇 卫2,崔允亮3 (1. 宁波大学建筑工程与环境学院,浙江 宁波摇 315211; 2. 长江水利委员会水文局,湖北 武汉摇 430010; 3. 浙江大学城市学院,浙江 杭州摇 310015) 摘要:介绍了单壁螺纹 PVC 塑料套管现浇混凝土桩(TC 桩)的组成、特点、施工设备、施工流程及检 测方法,结合申嘉湖杭高速公路练市至杭州段 TC 桩处理的软基工程,通过埋设土压力盒和钢筋应 力计,比较分析了路堤荷载下桩帽顶上应力、桩帽间及桩帽下土应力的分布及变化规律,得出了桩土 应力比、荷载分担比随填筑荷载的变化曲线。 结果表明:随着填筑高度的增加,路堤荷载逐渐向 TC 桩 转移,桩间土应力先增大后减小;在检测期内,TC 桩的桩土应力比与荷载分担比始终趋于增大。 关键词:混凝土桩;软土地基处理;承载性能;桩土应力比;现场试验 中图分类号:TU473摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2016)01006605 Single鄄wall corrugated PVC plastic tube鄄based cast鄄in鄄place concrete pile technology and field tests/ / QI Changguang1, GUO Wei2, CUI Yunliang3(1. Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2. Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China; 3. City College, Zhejiang University, Hangzhou 310015, China) Abstract: The composition, characteristics, construction equipment, construction process, and quality inspection method of cast鄄in鄄place concrete piles (TC piles), with single鄄wall corrugated PVC plastic tubes used in the construction process, are introduced. In combination with the soft foundation project of the Lianshi鄄Hangzhou section of the Shen鄄Jia鄄Hu鄄Hang Expressway reinforced by TC piles, the distribution and variation of the soil stress on the top of pile caps, and that between and under pile caps were compared and analyzed based on observations by embedded earth pressure cells and rebar stress meters. Variation curves of the pile鄄soil stress ratio and load sharing ratio against the filled load were obtained. The results show that the embankment load is gradually transferred to TC piles, and the pile鄄soil stress ratio increases first and then decreases as the height of embankment is increased. During the measurement period, the pile鄄soil stress ratio and load sharing ratio of TC piles tend to increase. Key words: concrete pile; soft ground treatment; bearing behavior; pile鄄soil stress ratio; field test 摇 摇 随着我国东南沿海软土地区高速公路的建设, 各种软基处理方法不断应用到实际工程中,如真空 堆载预压法、排水固结法、柔性桩复合地基、刚性桩 复合地基等,其中以刚性桩复合地基为代表的桩承 式软基处理方法以其单桩承载力好(与柔性桩相 比)、地基处理效果更加显著(与排水固结法相比)、 施工速度快(与真空、堆载预压法相比)等特点得到 广泛的使用1鄄5。 单壁螺纹 PVC 塑料套管现浇混凝土桩(以下简 称 TC 桩)是在借鉴国外 AuGeo 桩先进技术和国内 沉管灌注桩技术的基础上改进而发展起来的一种新 型软基处理技术6鄄8,并申请了多项专利9鄄11,有效 解决了江浙两省软土地区高速公路的地基处理问 题,同时提升了高速公路的施工速度和质量,丰富了 我国的软基处理技术。 本文介绍 TC 桩的组成及特点、施工设备及工 艺和质量检测方法,并结合实际工程试验研究了 TC 桩在工作荷载下的荷载分担比、桩土应力比随填土 高度的变化规律。 1摇 TC 桩的组成和特点 TC 桩是由钢筋混凝土预制桩尖、单壁螺纹 PVC 66 水利水电科技进展,2016,36(1)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 塑料套管、混凝土盖板、混凝土和插筋组成,如图 1 所示。 桩尖为圆锥形,采用 C30 混凝土预制并嵌浇 套管接头,直径约 30 cm(PVC 管直径为 160 mm 时) 或 40 cm(PVC 管直径为 200 mm 时),桩尖的两侧留 有两个对称的孔洞以方便施工。 PVC 套管的质量 是影响 TC 桩整体质量的关键,根据不同的打设深 度段,选择不同等级的 PVC 管,连接套管的接头是 与 PVC 管相匹配的专用接头,材质与 PVC 管相同。 盖板是与桩身一起浇注成型的,在浇筑前先将插筋 放入套管内,放置好盖板模板,并设置两层钢筋网。 图 1摇 TC 桩的组成 TC 桩的特点有单壁螺纹 PVC 塑料套管、管内 注水和抽水、后连续整体浇注混凝土(待某一区段 桩体打设完毕后再整体连续浇注混凝土)、小直径 刚性桩等。 2摇 TC 桩的施工设备和工艺 目前,TC 桩的施工设备有两种。 一种是在国内 广泛应用的塑料排水管插管机基础上研发的全液压 打设机,由 300 挖机改装而成,将挖机大臂改装后与 机架相连,并提供液压动力系统。 该打设机的优点 是移动灵活、施工方便、所需人工少;缺点是由于受 到自身重量的限制,遇到坚硬土层时打设较为困难, 目前已很少使用。 另一种是由静压振动沉管桩机改 装而成的,专门用于 TC 桩打设的桩机,如图 2 所 示,其优点是打设深度深,不受地域的限制,遇到硬 土层时可以开启振动以穿越硬土层,从而打设至设 计深度,目前该类打设机的最大打设深度为 25 m。 图 2摇 静压振动联合打设机 TC 桩工法派生于传统沉管灌注桩,在传统沉管 灌注桩工法的基础上加以改进发展而成,但其施工 工艺与沉管灌注桩存在显著区别,其施工过程如 图 3 所示,共分为 7 步:淤采用高强度胶水将 PVC 塑料套管、桩尖和套管接头进行人工组装形成 TC 套 筒;于将 TC 套筒插入到钢沉管内;盂采用静压振动联 合打设机打设 TC 套筒;榆向打设后的 TC 套筒注水; 虞向TC 套筒内注水并上拔钢沉管,并将 TC 套筒留在 地基内;愚抽掉 TC 套筒内的水;舆浇筑混凝土成桩。 图 3摇 TC 桩的施工过程 3摇 TC 桩的检测方法 与传统桩体检测的内容不同,TC 桩的检测主要 包括浇注混凝土前对套管打设质量的检测、桩体完 整性检测和承载力检测三方面,其中浇注混凝土前 对套管打设质量的检测是由 TC 桩的技术特色决定 的。 套管打设质量的检测包括打设深度检测和套管 压扁弯曲情况的检测。 在套管成孔后,混凝土浇注 之前套管内被水填充,利用下端系一金属重物测绳 可对套管打设深度进行很方便地检查,当测绳放到 管底时,金属重物与桩尖接触,同时保持测绳处于拉 紧状态,此时的测绳长度便为套管的检测深度。 若桩体深度检测良好,则进行套管压扁弯曲检 测。 将系有拉绳的测弯管沿管壁放入套管内,测弯 管为一圆柱形空心圆筒,其直径小于套管内径4cm。 若测弯管不能下放,且上拔困难,此时可以断定套管 被挤扁或发生了弯曲。 桩体完整性检测是套管浇筑 成桩后,对桩体的浇注质量进行检测。 利用低应变 检测方法检测桩体浇注 7 d 后的桩体完整性,具体 参照规范 JGJ1062003 建筑基桩检测技术规 范 12。 桩体强度检测可采用高应变检测或单桩静 载试验,具体参照规范 JGJ1062003建筑基桩检 测技术规范 12。 4摇 TC 桩的承载性能现场试验 4. 1摇 工程地质概况 申嘉湖杭高速公路位于杭嘉湖平原区,其大部 分路段穿越软土地基,且沿线河网交错,村庄密布, 76 水利水电科技进展,2016,36(1)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 结构物众多,填土高度较大。 全线软土为高含水量、 高压缩性、低强度、低渗透性,局部路段为深厚软土 地基。 本试验区域选在练杭段 L6 标桥头处理段,具 体物理力学指标见表 1。 表 1摇 K32+800 处物理力学性质指标 土层编号土层名称土层厚度/ m 天然重度/ (kNm-3) 孔隙比 e 塑性指数 Ip 压缩模量 Es/ MPa 三轴固结排水剪切试验 黏聚力 cd/ kPa内摩擦角 渍d/ (毅) 淤 2种植土0郾 4 于 1亚黏土0郾 8 于 2亚砂土10郾 318郾 70郾 8677郾 81930郾 0 榆 1亚砂土8郾 418郾 90郾 8438郾 90 榆 3亚黏土3郾 919郾 10郾 87520郾 05郾 04508郾 8 愚 1亚黏土8郾 719郾 50郾 80923郾 46郾 69464郾 8 4. 2摇 试验区 TC 桩的设计 本试验段 TC 桩均采用正方形布桩,桩距为1郾6m, 设计桩长为 23 m,圆形盖板直径为 60 cm、厚度为 20 cm,盖板净距为 1 m,桩身混凝土为 C25,盖板混 凝土为 C30,桩径为16cm,预制桩尖为 X 形或圆形, 垫层厚度为 40 cm,土工格栅铺设在垫层上面,路基 填料的容重按19kN/ m3考虑。 试验段于2007 年10 月 29 日开始路基填筑,2008 年 1 月 14 日填筑完成 进入预压期,具体荷载变化见图 4。 图 4摇 K32 试验段填土荷载变化曲线 4. 3摇 测试仪器的埋设和测试频率 土压力测试采用振弦式土压力盒,型号为 TYJ鄄 2020,分别埋设在盖板上、盖板下地基土和盖板间地 基土 表 面, 埋 设 在 盖 板 上 土 压 力 盒 的 量 程 为 1郾 2 MPa,埋设在盖板下和盖板间土压力盒的量程为 0郾 2 MPa,绝缘电阻大于或等于 50 M赘,如图 5 所示 (图中数字串为土压力盒编号,其中以1开头的埋 图 5摇 土压力盒埋设布置 设于盖板上,以 0 开头的埋设于盖板下或盖板间)。 采用测频仪测读土压力盒在不同填筑荷载下的 频率,根据初始频率和系数 K 计算相应的土压力。 根据填土速率,调整测试频率,保证在一次填土前后 至少进行一次观测。 路堤进入预压期以后,逐步降 低监测频率,如果遇到沉降速率突然变大等情况,则 加大监测频率,并进行动态跟踪。 4. 4摇 填筑荷载下路堤测试应力的变化规律 编号为 10587 的土压力盒在填土加荷开始时就 被破坏,因此 3 号桩的应力研究失去意义,故只研究 其他 3 个盖板下的土应力变化规律。 图 6 为试验段 盖板下土体应力随填土荷载的变化规律,可以看出 02522 号土压力盒到预压后期所受应力为零,说明 1 号桩盖板发生严重倾斜,一边已经被托空,故其盖 板顶所测应力失真。 从 4 号桩盖板下应力变化规律 曲线来看,两边的土应力绝对值相差很大,超过 10 kPa,说明盖板浇注时已发生倾斜,没有保持水 平,但在路堤填筑过程中没有发生进一步的倾斜,其 板顶应力也失真。 2 号桩盖板下两边土体表面应力 变化趋势一致性较好,从填土加荷后第 36 天 02596 号土压力盒所测得应力比 02575 号压力盒所测得应 力大 2郾 7 kPa,但在以后的路堤填筑预压过程中仍较 好地保持变化趋势的一致性,说明盖板的水平度保 持较好,盖板顶所测应力可作为研究依据。 图 6摇 盖板下土体应力随时间的变化 图 7 为盖板间土体应力随填土荷载的变化,在 填土加荷初期,盖板间不同位置的应力都迅速增大, 位于中心位置的02490 压力盒在填土加荷22d 时应 力达到峰值 78 kPa,然后再递减并趋于稳定,表明应 力向桩体开始发生转移,路堤中开始形成土拱,此时 86 水利水电科技进展,2016,36(1)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz hhu. edu. cn摇 http:/ / www. hehaiqikan. cn 图 7摇 盖板间土体应力随时间的变化 的路堤填筑高度为1郾 5m,大于盖板净距1郾 25 倍,达 到陈仁朋等1所述的临界高度,即大于盖板净距 1郾 1 1郾 3 倍。另外两个压力盒同样遵循相同的规 律,但是其值小于中心压力盒的值,进入预压期后, 其值相差约 14 kPa,表明盖板间的土拱效应比中心 处的土拱效应显著,将更多的上部荷载传至盖板。 图 8 为盖板应力随填土荷载变化,在填筑高度 小于盖板净距时,盖板上应力与盖板间的土体应力 相差不大,盖板间平均应力略大于盖板上应力,当填 筑高度达到 1郾 5 m 时,盖板上应力徒增,盖板间的平 均应力也随之增大,但增幅远小于盖板上的应力,桩 土应力比达到 10,荷载分担比为 0郾 5,当上部填筑高 度达到设计高度后,盖板上应力到达最大值,随后略 微减小,但减小幅度不大,相差约为 24郾 6 kPa,此时 桩间土平均应力为46郾 2kPa,桩土应力比约为27郾 6, 荷载分担比为 0郾 68。 图 8摇 盖板应力随时间的变化 由图 9 和图 10 可知,桩土应力比与荷载分担比 随着填土高度的增加而变大。 在堆载初期,桩土应 力比变化很小,荷载分担比保持在低值状态,当填筑 高度大于盖板净距时,桩土应力比徒增,曲线形状由 凹变凸,当进入预压期后,其值变稳,桩土应力比的 突然变化直接反映到荷载分担比上,在堆载期,荷载 分担比呈线性增加,至预压期后稳定。 在整个测试 期间,桩土应力比与荷载分担比都处在增加的状态, 但到后期增加速度逐渐变小。 图 9摇 桩土应力比随时间的变化 图 10摇 荷载分担比随时间的变化 5摇 结摇 语 TC 桩吸收了 AuGeo 桩技术和沉管灌注桩工法 技术,采用单壁螺纹 PVC 管替代 AuGeo 桩的双壁 PVC 管和双壁 HDPE 管,大大降低了工程造价;增 加的注水工艺使打设后的套管能够进行混凝土的连 续整体浇注,提高了施工速度。 工程试验表明,随着 填筑高度的增加,上部荷载存在向 TC 桩转移的现 象,桩间土应力先增大后减小至逐步稳定;浇注初期 盖板上应力缓慢增加,待上部荷载达到临界高度后, 增加量徒增,桩土应力比与荷载分担比逐渐增大;在 整个检测期内,桩土应力比与荷载分担比都始终处 在增大的趋势。 参考文献: 1 CHEN Renpeng,XU Zhengzhong,CHEN Yunmin,et al. 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