桥梁桩基中预应力管桩的应用
摘 要: 近年来随着预制预应力混凝土管桩在建筑工程中的广泛应用,部分公路桥梁桩基工程中也开始使用。
由于预应力管桩在岩溶区施工中避免了桩基成孔的高风险,且施工速度快,经济上与其他方案相比有一定优势。
但是,在岩溶地质条件下使用时也有一定的局限性,应根据具体地质条件慎重考虑。
毕业论文网 关键词: 预应力管桩; 桥梁桩基;注浆处理 中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 1岩溶区桥梁桩基预应力管桩的适用条件 1.1预应力管桩的优点与局限性 与钻孔灌注桩相比,预应力管桩具有以下优点: (1) 预应力管桩的单桩承载力高。
(2) 抗弯性能好。
预应力管桩选用高强度、低松弛的螺旋槽钢棒作为预应力主筋,使桩身具有较高的预压应力,其抗弯性能良好。
预应力管桩有卓绝的贯入性能,能穿透密实的砂层, 能适应复杂的环境与地理条件。
管桩施工时桩底设置桩尖,常用的桩尖有十字形、圆锥形和开口形,可根据不同的地质条件选用。
(3) 质量稳定可靠。
由于采用工厂预制的生产方式,能利用先进的工艺和设备,质量容易控制,产品质量容易保证。
(4) 应用范围广。
工厂生产、商品供应,可以有不同的规格、长度供选择,使设计选用范围广,容易布桩,对桩端持力层起伏变化大的地质条件适应性强。
管桩分为不同的直径(常用40、50及60cm)、壁厚和强度(分普通混凝土和C80以上的高强混凝土),使用时根据不同的设计承载力要求选用。
(5) 施工速度快,工期短。
预应力管桩在工厂商品化生产,能按施工要求及时供桩,施工前期准备时间短,一般能缩短工期1～2月。
预应力管桩在实际应用中也存在以下局限性: (1) 场地内分布有深厚粘性土层等,在此种地质条件下采用管桩易发生挤土效应,处理不当会造成管桩上浮和斜桩, 影响桩基承载力。
土层中含有较多严重影响沉桩施工及桩承载力可靠性的孤石或其他障碍物;土层中含有不宜作持力层且管桩又难以贯穿的坚硬土层;拟作为桩基础持力层的岩层面起伏变化较大或岩层面倾斜;淤泥等软弱土层下直接到达碎石土层或风化岩层等持力层。
1.2岩溶区桥梁桩基适用预应力管桩的条件 当覆盖土层较厚,能提供较好的持力层(标贯值大于25击),虽基岩溶洞发育,连续完整的微风化岩层埋深较深,宜使用管桩。
假设桩底设置在溶洞以上一定距离的持力土层中,此时若采用传统钻孔桩基础,其缺点是:若设计为钻孔支承桩,就须穿过溶洞将桩底设置在深层基岩上,施工时需进行溶洞处理;若设计为单根钻孔摩擦桩,将桩底放在溶岩以上的土层,则覆盖土层的厚度可能不够,桩基达不到需要的承载力;若设计为多根钻孔摩擦桩,采用群桩构造, 形式与管桩基础类似,则由于两类桩基在施工、构造与受力上的差别,费用大于管桩基础。
1.3 岩溶区桥梁桩基不适用预应力管桩的条件及应对措施 管桩基础在基岩埋深较浅、覆盖层较薄、有孤石、表层软土层较厚等情况下不宜采用,否则易导致桩身倾斜、桩体折断、桩端或桩头破损等问题。
但若采用桩底或桩侧注浆加固等辅助措施,也可在某些不利条件下应用。
当覆盖土层较薄,基岩溶洞发育,连续完整微风化岩层埋深较深时,若采用单根大直径桩基,需设计为支承桩,桩基要穿过多层溶洞;若采用管桩,如果桩底不落在顶层岩面,也会因覆盖土层过薄而导致单桩承载力过低,若把桩打到岩面又面临诸多不利。
此时可在管桩的基础上配合采用桩底加固等辅助措施,先把管桩打到距岩面一定高度处,然后采用注浆或高压旋喷等工艺把桩底至岩面的土层加固到一定强度( 通常可得到单轴极限抗压强度5MPa 以上的复合土体),或将桩侧土体注浆加固,从而使管桩的承载力大为提高,如有必要还可将顶层的溶洞一起注浆填充加固。
若采用桩底加固的管桩基础时,应根据溶洞的发育程度、溶洞的大小、充填情况、顶层岩面的厚度及倾斜情况,谨慎考虑。
综上所述,在岩溶地区应用管桩基础的主要优点是:利用覆盖土层的承载力,将多根管桩打入(或静压)到溶洞顶层岩面以上,形成群桩基础,若承载力不够时亦可注浆加固,满足桥梁的承载要求,因此,管桩基础避免了常规桩基在钻孔时穿过溶洞造成的风险。
2管桩的注浆处理 2.1桩底注浆 当管桩桩端持力层承载力不能满足设计要求,而持力层土质适合注浆加固时,或持力层下伏溶洞顶离桩端较近时,宜对桩底持力层注浆加固,或注浆填充溶洞,以提高管桩的单桩承载能力。
管桩桩底注浆可利用管桩内管,采用地质钻机成孔,孔数不少于2 个。
当采用二次注浆工艺时,孔径不宜小于75 mm,以满足放置两根注浆管的需要。
对于溶洞注浆,压浆前采用高压水切割溶洞内的填充物和溶洞顶底板表层的风化岩层,清洗溶洞顶底板,水流射压不小于15MPa。
直到出水口的水流变清再压浆。
先利用低压将浆液注入桩底空洞,等观测孔的出浆与注浆浆液浓度一致时再采用高压压浆,一般情况下最终的稳压压力为2MPa 左右,稳压时间不小于10min。
若在压浆量达到估算总量时达不到稳压压力,或不能达到稳压时间,则应进行间歇注浆。
水泥浆液中可酌情加入速凝剂。
2.2桩侧注浆 当管桩较长,桩端持力层承载力不能满足设计要求,而持力层土质不适合注浆,或注浆后也不能满足承载力要求,需通过增加桩侧摩阻力来保证管桩达到设计承载能力时,宜对管桩桩侧注浆加固。
采取桩侧钻孔注浆,对桩周土体可能产生扰动,当桩侧为细粒土时注浆压力超过劈裂压力,则土体产生水力劈裂,呈现劈裂加筋效应。
当桩侧为粗粒土时,浆液通过渗透、部分挤密、填充及固结作用,使桩侧土空隙率降低, 密度增加,呈现渗透填充胶结效应。
浆液充填桩身混凝土与桩周土体的间隙,提高桩土间的粘结力。
上述两种效应不仅使桩周土恢复原状,面且提高了桩周土的强度,另外,浆脉结石体像树根一样向桩侧土深处延伸,促使桩侧摩阻力和桩体承载力大大增强。
桩侧、桩底可采用桩侧钻孔同时进行注浆,文献[1]提出一种在预制桩的桩侧及桩底预留预埋管的方法,可更好地满足注浆需要。
3工程案例 某高速公路大桥位于岩溶地区,桥位地层由第四系覆盖层亚粘土、淤泥及砂层和基底下石炭系灰岩及其风化层组成。
土洞、溶洞发育,地质资料显示多为串珠状。
在桩基施工通过土洞、溶洞过程中,常出现卡锤、塌孔现象,个别桩基地质勘探时未发现溶洞,但检测时发现下伏溶洞而采取压浆处理。
其31# B、32# A、33# A、33# B 桩原设计为单根D130cm 的端承桩,经地质补勘,揭示均有串珠状小型土洞及溶洞,后决定改为管桩群桩基础。
下面以32#A 桩为例详述其解决方案。
地质情况: 32#A 桩地质桩孔揭示,自地面往下依次为3.8m 厚素填土,3.7m 厚亚粘土, 4.2m 厚淤泥质土,2.3m 厚亚砂土,23m 厚亚粘土,12.8m 厚全风化粉砂岩,45.8～65.4m深度范围处为溶洞及微风化灰岩,灰岩最厚为2.7m,不能满足端承桩的设计要求。
后将32#A 桩改为6 根D60 管桩的群桩基础(图1),管桩规格为PHC—AB600,壁厚13cm。
桩底持力层为亚粘土,桩长29.9m。
设计要求管桩沉桩到位后,对深度49.3～55.3m 范围内溶洞注浆处理,并对桩底2m 范围土体注浆加固。
注浆工艺采用高压旋喷注浆法,其施工流程为:采用110mm 孔径钻机在预制管中心钻孔至第一层溶洞底以下0.5m 后→下入喷射器到孔底→接上导流器高压管与高压泵相连接→开动高压泵→自下而上喷射到桩底以上0.50m→根据地层返浆情况决定是否重复喷射直到返浆为止。
图1 桩基平面布置图(单位:cm) 水泥浆液采用42.5# 普通硅酸盐水泥,水灰比0.60～0.80,掺入3‰～5‰ FDN 粉剂。
旋喷压力20～25MPa,提升速度15～20cm/min。
旋喷喷射器与钻杆相连接, 下到孔底, 接上主动钻杆及导流器。
导流器采用高压管与高压泵相连接,旋转主动钻杆自下而上进行旋喷注浆, 喷射到桩底以上0.50m。
根据返浆情况决定喷射次数,直至返浆为止。
当不返浆时,采用间歇旋喷注浆,直至达到预计注浆量2～6倍为止。
现场注浆先施工A1、A6 桩,然后施工A2、A5桩,最后施工A4、A3桩。
全部施工完毕后经抽芯检测,溶洞填充较完整,桩底2m范围内结石体强度达到7MPa,完全满足设计要求。
4 结束语 岩溶地区桥梁桩基采用管桩群桩基础可避免常规钻孔桩穿越溶洞时产生的施工风险及桩底持力层承载力不够的问题。
当覆盖土层较厚,土的力学性能较好时尤其适用管桩;当持力层较差时,可采用桩底注浆及桩侧注浆加固等手段,大幅提高其承载能力,也可采用管桩群桩基础。
参考文献: [1] 王士恩,刘超常,刘祖德.管桩注浆增强承载力的试验研究[J].岩土工程学报,1998(1) . [2] 游兆源.桩侧注浆技术在预应力混凝土管桩中的应用[J].山西建筑,2007(4). 注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。