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冲淤沉积层中新型咬合桩工法及应用

摘　要:经过分析冲淤沉积层特点和套管咬合桩施工工艺,对套管咬合桩在冲淤沉积层中扩径现象进行研究。指出在该地层中套管咬合桩施工产生扩径关键原因是套管下沉对地层扰动、 周围土体向管内涌挤而产生超挖和缓凝混凝土对地层挤压扩张作用。提出利用水泥搅拌桩替换A序素混凝土桩,用有钢筋笼B序桩咬合A序水泥搅拌桩,形成钻孔桩咬合搅拌桩一个新型咬合桩工法。该工法能够有效处理在冲淤沉积层中进行咬合桩施工时扩径问题和止水问题。该工法在南京地铁西延线工程中得到应用,取得了很好应用效果。
关键词:基坑工程;咬合桩工法;冲淤沉积层;搅拌桩;钻孔桩

　　铁道第三设计院设计、 中铁隧道集团有限企业承建深圳地铁会-购区间隧道围护结构是钻孔咬合桩在中国应用第1个工程实例[1]。随即该工法在杭州解放路隧道工作井、 南京地铁等工程中得到深入推广应用[2]。在工程实践同时,相关研究人员对咬合桩围护结构计算方法及参数选择、 咬合桩设计、 施工工艺及对应控制方法进行了较为全方面研究和总结[3—5]。该工法在软弱地层尤其是冲淤沉积层中应用有其优势,但也存在部分问题[6—8]。文件[9—11]分别从桩施工质量控制和变形估计方面做了对应研究。本文从钻孔咬合桩施工工艺和扩径方面探讨新型咬合桩形式。
1 冲淤沉积层中灌注桩扩径机理
1.1 咬合桩扩径原因分析
      全新世冲淤沉积层通常含有强度低、 高含水量、 高压缩性和高灵敏度特点。咬合桩施工工艺步骤如图1和图2所表示。

　　A桩为Ⅰ序桩,通常为素混凝土桩,B桩为Ⅱ序桩,通常为钢筋混凝土桩。因为B桩施工时要切割A桩,所以A桩混凝土须缓凝,缓凝时间应依据桩长和施工速度控制,通常在28~60h之间,咬合桩施工步骤和时间关系如图3所表示。
      依据冲淤沉积层特点和咬合桩施工工艺,钻孔咬合桩成桩过程中造成扩径有以下3方面原因:①套管下沉过程中对土层扰动;②因为取土面与套管底口刃脚间距离控制不妥,造成周围土体向套管内涌挤而产生超挖,如图4所表示;③缓凝混凝土比重比周围土层大,缓凝时间较长混凝土对周围土体存在挤压扩张作用,成桩以后扩径照片如图5所表示。

1.2 套管内土隆起引发超挖量分析
      如图4所表示,因为套管内外压力差存在,在成孔取土中很轻易造成开挖面以下土体因隆起而发生超挖。本文近似采取基坑抗隆起计算公式[12]计算安全系数ks。

　　若安全系数取ks=1.4,对通常冲淤沉积层,c=10~20kPa,φ=5°~20°,取上述指标均值,不一样开挖深度时套管内土体预留厚度如表1所表示。伴随开挖深度增加,套管内所需预留厚度也越大。在实际施工中,预留取土厚度通常只能控制在2~3m,所以当桩长超出10m时,总存在一定超挖量,这部分超挖量将引发混凝土超灌,从而产生扩径现象。

1.3 缓凝混凝土挤压扩径
      因为A序桩缓凝时间较长,同时混凝土比关键比土层比重大,混凝土凝固前将对周围地层产生挤压作用,如图6所表示。图中r1和r2分别为圆筒内径和外径;p为混凝土压力,MPa;q为土压力,MPa。本文借助小孔扩张理论[13]对这一问题进行求解。

      式中:μ为土泊松比;E为土弹性模量,MPa;r为桩半径,cm;C为土不排水抗剪强度,kPa;k为水平抗力系数。
      依据通常冲淤沉积层物理力学指标,半径扩张约5~10cm,这在工程中是一个不可忽略量。
2 钻孔桩咬合搅拌桩工法
　　冲淤沉积层中咬合桩因A序桩混凝土缓凝而发生扩径问题,能够经过施工方法进行调整控制。文件[14]介绍了在软土地层中采取搅拌桩与钻孔灌注桩形成复合式围护结构。其最初设计思绪是将搅拌桩作为止水结构设置在钻孔桩外侧,由钻孔桩来负担坑外侧土压力。本文依据搅拌桩比重与土层比重相近特点,将A序桩改成水泥搅拌桩,用B序桩咬合A序搅拌桩形成钻孔桩咬合搅拌桩工法。钻孔桩咬合搅拌桩平面部署如图7所表示。因为B序桩中有钢筋笼,A序桩为水泥搅拌桩,在软土地层中不存在扩径问题,同时搅拌桩存在还能制约B序桩超挖,从而有效地处理扩径问题。

3 应用实例
　　南京地铁西延线元—中区间地处南京河西地域,在清代还是长江漫滩,属全新世冲淤沉积层。区间隧道全长1152m,土层层厚及物理力学指标如表2所表示。

　　因为区间隧道开挖深度为9~11m,确定围护方法如图6所表示,A序桩为 650mm水泥搅拌桩,B序桩为 800mm钻孔灌注桩,两相邻A序桩和两相邻B序桩中心间距均为1050mm,实际咬合量为20cm,搅拌桩水泥掺量16%,水灰比0.54。
　　隧道搅拌桩最大优点是能够采取多台机具同时施工,加紧施工进度。图8是钻孔桩咬合搅拌桩实际效果,从中能够发觉止水效果非常好,同时钻孔桩没有扩径现象。

5 结　论
　　钻孔桩咬合搅拌桩是针对冲淤沉积层地质特征提出新工法,其特点是充足利用搅拌桩止水性能和钻孔桩抗弯性能,能够避免钻孔咬合桩扩径现象,也利于提升工效。但在施工中应注意对垂直度控制。

参考文件
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