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      螺桿樁地基處理新工藝技術研究

      2018-08-13 07:03:34宋國映
      關鍵詞:效率高

      摘要:根據(jù)國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,為滿足快速增長的客運需求,優(yōu)化拓展區(qū)域發(fā)展空間,未來,在“四縱四橫”高速鐵路的基礎上,將增加客流支撐、標準適宜、發(fā)展需要的高速鐵路,部分利用時速200公里鐵路,形成以“八縱八橫”主通道為骨架的鐵路大格局。

      鐵路是國民經(jīng)濟大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程,是綜合交通運輸體系的骨干和主要交通方式之一,在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的地位和作用至關重要。加快鐵路建設特別是中西部地區(qū)鐵路建設,是穩(wěn)增長、調結構,增加有效投資,擴大消費,既利當前、更惠長遠的重大舉措。

      跟著國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的步伐,鐵路建設已經(jīng)快速延伸至中西部欠發(fā)達地區(qū)。而這些地區(qū),往往存在著復雜多變的地形、地貌;濕陷、松軟的不良地質;分布廣泛的凍土層,惡劣的自然環(huán)境,給鐵路建設者們帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。為了能夠在確保施工安全、質量的前提下,克服不良地質條件,快速、高效地完成鐵路施工建設,我們突破傳統(tǒng)施工工藝,進行了“螺桿樁地基處理新工藝技術研究”并在“新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路CFSG-6標項目”進行了試驗應用。

      關鍵詞:螺桿樁;前截法;效率高

      1、前 言

      螺桿樁是一種新型樁,是一種“上部為圓柱型,下部為螺絲型”組合式樁,該樁及成樁工法簡稱為螺桿樁技術。

      現(xiàn)澆螺桿樁是在施工過程中采用樁機鉆具旋轉擠壓土體泵壓砼成樁,與打入式預制樁相比,施工噪音低,無振動,對已施工的樁無影響;與全螺旋鉆,普通泥漿護壁成孔的灌注樁相比,無泥漿污染和棄土問題。螺桿樁是一種具有很高實用價值的新型樁,將常識中“螺絲釘比釘子牢固”的道理運用在樁與樁施工中,使其更牢固的特點得以實現(xiàn)。

      螺桿樁是采用了變截面的構造形狀,成孔過程中樁側土體受到擠壓,加密作用,成樁后部分土體形成螺紋,而樁側土體形成螺母,樁體螺紋與樁側土螺母緊密咬合,當樁頂受荷時,螺紋段的樁側土“螺母”受到壓縮,環(huán)狀“螺母”的根部受到剪切,樁的承載力有直桿段的側阻力(摩阻力),螺紋段的抗剪強度和樁端的端承載力組成,而螺紋段的抗剪力遠遠大于同等條件下的側阻力,滿足了附加應力的分布規(guī)律和應力分擔比及剛度變化的要求,調整了土與樁之間的作用,樁側土體應力分攤比及應力擴散度提高,樁端荷載減少,使樁身受力與土體受力協(xié)調一致。

      2、工程概況

      新建赤峰至京沈高鐵喀左站鐵路是赤峰至京沈高鐵的聯(lián)絡線,是沈陽鐵路局的重點工程。CFSG-6標段,位于內蒙古自治區(qū)赤峰市境內,標段所處地區(qū)松軟土、濕陷性黃土地質分布廣泛。項目主要以路基為主,軟基處理樁種類繁多,其中螺桿樁樁長從8m到22m不等,所占比例最大,共計41萬米。樁頂采用鋼筋混凝土樁帽,樁帽設計為直徑1.1m,厚度0.35m,其上為碎石墊層。

      內蒙地區(qū)冬休時間長、年度有效施工時間短,工期壓力大,螺桿樁等軟基處理樁,嚴重制約著路基主體工程施工。為了確保工期,盡早完成螺桿樁施工,進行下道工序轉換。經(jīng)過項目部技術部門對螺桿樁施工工藝的潛心研究,制定出一套快速、高效的螺桿樁施工新工藝,“前截法螺桿樁施工”。

      本標段線路走行于蒙東境內,屬于中溫帶亞干旱季風氣候區(qū)。主要特點春季干旱多風;夏季炎熱,降水集中;秋季涼爽;冬季干冷。按照對鐵路工程影響氣候分區(qū)為寒冷地區(qū)。

      3、技術分析

      3.1傳統(tǒng)螺桿樁施工工藝

      3.1.1傳統(tǒng)截取樁頭的方法

      灌注樁施工時,因為是非擠土施工,浮漿、沉渣多,施工樁頂標高須高出設計樁頂標高不少于0.5m;且出土量大,樁頭附近堆土多,故只能是采用“后截法”處理樁頭,即:樁頭截取,是在成樁灌注混凝土 28 天后進行,流程如下:

      1)用挖掘機清除樁間土,露出已凝固的樁頭。

      2)用切割機在樁頭上切出縫隙。

      3)用鋼釬砸入縫隙,將樁頭分離。

      3.1.2傳統(tǒng)截取樁頭方法的缺點

      1)成樁后樁頭高于地面,樁機在進行后續(xù)成樁作業(yè)時,樁機的履帶、液壓腿會擠壓到已成樁的樁頭,造成樁頭變形、裂縫。

      2)清樁頭土時,因為樁頭已凝固,并高出地面 50cm以上;挖掘機在樁頭間行走時,履帶會不可避免地擠壓樁身;挖掘機的斗也不可避免地碰撞樁身;故會造成樁身淺部斷樁或裂紋。

      3)截樁頭時方式原始粗暴,容易造成樁頭破裂甚至斷樁。

      4)成樁時樁頭的氣泡較多,沒有搗振密實,容易使樁頭有氣孔質量不佳。 因為有以上工藝缺點,故傳統(tǒng)長螺旋的小應變檢測時,會有較多的樁頭問題及淺部斷樁,這是一個長期以來存在的困撓。

      5)按照傳統(tǒng)螺桿樁施工工藝,進行挖樁間土、樁頭環(huán)切、綁扎鋼筋、立模澆筑樁帽混凝土、回填樁間土等工序施工,工序繁多、人員、機械、模板材料投入巨大且施工效率低下,既不能滿足工期需要,又增加了大量的施工成本。

      4、施工方案優(yōu)化

      通過技術研究、工期分析發(fā)現(xiàn):要想在保證螺桿樁樁身質量的前提下,提高螺桿樁施工效率,可以在樁帽施工過程中進行方案優(yōu)化,減少工序、提高功效。

      4.1優(yōu)化后螺桿樁施工工藝

      4.2優(yōu)化后螺桿樁樁帽尺寸對比

      4.3“前截法”螺桿樁施工

      4.3.1施工準備

      (1)施工前查明地下管線、電力線等設施,遷改完成或采取必要的防護措施對既有管線進行防護。

      (2)對施工場地進行清表,清除坡腳范圍內的垃圾土、腐殖土、種植土等,按照設計要求對施工場地整平至設計樁帽頂標高,并碾壓密實。做到”三通一平”即水通、路通、電通、場地平整。

      (3)施工材料及鉆孔施工的各類機械設備準備就緒。

      (4)測量人員按照設計樁位圖進行樁位放樣,并做好標記。

      (5)施工技術交底及施工圖已經(jīng)下發(fā)作業(yè)隊,并對相關技術員進行了崗前培訓.

      4.3.2成樁工藝性試驗

      選取地質條件代表性段落進行成樁質量試驗。

      (1)確定螺桿樁的施工參數(shù)

      ①鉆進速度、鉆桿提升速度、同步技術參數(shù)、非同步技術參數(shù)。

      混凝土塌落度、泵送速度等各項工藝參數(shù)。

      ②檢驗鉆桿外徑及芯管直徑是否滿足設計要求,成孔深度能力和成孔終孔的控制電流、每根樁的混凝土用量等。

      ③確定作業(yè)隊的人員配合和施工設備是否能夠滿足施工要求。

      (2)確定設計參數(shù)

      成樁7d內樁身完整性檢測符合設計要求。

      28d后單樁地基靜荷載試驗滿足設計要求。

      4.3.3鉆機就位

      應使鉆桿垂直對準樁位中心,確保螺桿灌注樁垂直度允許偏差不大于1%,樁位允許偏差不大于5cm?,F(xiàn)場控制采用在鉆架上掛垂球的方法測量該孔的垂直度,也可采用鉆機自帶垂直度調整器控制鉆桿垂直度。每根樁施工前現(xiàn)場工程技術人員進行樁位對中及垂直度檢查,滿足要求后,方可開鉆。

      4.3.4鉆孔參數(shù)設置

      根據(jù)實驗結果,不同的地質條件,按照設計施工圖,設置孔徑、孔深、鉆進速度、提鉆速度等相關參數(shù)。

      4.3.5鉆進成孔

      下鉆過程中樁機自控系統(tǒng)嚴格控制鉆桿下降速度和旋轉速度,充分利用樁機的自動控制系統(tǒng),使二者匹配,要求鉆桿旋轉二周以上,螺桿鉆桿下降一個螺距,鉆至螺桿樁直線段設計深度,在土體中形成圓柱狀;鉆桿旋轉一周,螺桿鉆桿下降一個螺距,鉆至螺桿樁螺紋段設計深度,在土體中形成螺紋狀。鉆頭到達設計深度,停止鉆進,于動力頭底面停留位置相應的鉆機塔身處作醒目標記,作為施工時控制樁長的依據(jù)。樁長允許偏差不大于10cm,樁徑允許偏差不大于2cm。

      4.3.6混合料的拌合及運輸

      混合料要求按配合比進行配料,計量要求準確,上料順序為:先裝碎石或卵石,再加水泥、粉煤灰和泵送劑,最后加砂,使水泥、粉煤灰和泵送劑夾在砂、石之間,每盤料攪拌時間不應小于60s。在泵送前混凝土泵料斗、攪拌機攪拌桶應備好熟料?;炷连F(xiàn)場施工的坍落度宜控制在180mm~220mm,混凝土攪拌運輸車集中運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。

      4.3.7樁體混凝土灌注

      鉆頭鉆至設計標高后,停止鉆進,開始泵送混凝土,當鉆桿芯管充滿混凝土后鉆桿開始反向旋轉提升鉆桿,提鉆過程中應嚴格控制提升速度與旋轉速度,使二者匹配,嚴禁先提管后泵料。成樁的提拔速度宜控制在每分鐘2~3m,成樁過程宜連續(xù)進行,應避免因后臺供料慢而導致停機待料,施工完樁頂標高應高出設計樁頂標高不少于0.2m。灌注達到控制標高后,鉆機移位進行下一根樁施工時,采用連續(xù)法施工。

      4.3.8清除樁頂浮土、浮漿

      在混凝土初凝之前,對樁頭超灌部份的混凝土與虛土進行清理,將樁頭清理至設計樁頂標高;樁頭內部的混凝土需由人工檢查清理,保證樁頭內部無異物浮漿。

      4.3.9樁頭搗震

      樁頭清理至設計標高完成后,人工采用插入式振搗器,對樁頭混凝土進行振搗,振搗時插入深度不小于1m,振搗器插入樁頭內部反復震搗,直至混凝土密實,表面不再產(chǎn)生氣泡為止。

      4.3.10樁頭保護

      為保證樁頭混凝土質量,對振搗完成后的樁頭,采用小型機具進行壓光平整處理?;炷脸跄?,用塑料膜將樁頭裸露的混凝土全部進行隔離、覆蓋,塑料布上方敷設一層細粒土以固定塑料膜。

      4.3.11開挖樁帽

      樁身砼強度達到設計要求強度的70%后,清除樁頂浮土并對地面碾壓密實,采用樁帽成孔設備,形成土模。人工配合機械,清除土模內的浮土,以保證土模尺寸達到設計要求。

      4.3.12樁體質量檢測

      ①樁身混凝土強度滿足設計后,采用電鎬和角磨機對樁頂進行鑿平、打磨處理。

      ②成樁7天后,進行樁身完整性檢測,檢測數(shù)量為總樁數(shù)的百分之十,且不小于3根。

      ③成樁28天后,進行單樁承載力檢測,檢測數(shù)量為總樁數(shù)的千分之二,且不小于3根。

      4.3.13樁帽混凝土澆筑

      樁體質量檢測合格后,進行樁帽混凝土澆筑?;炷猎诎韬险炯邪韬?,砼運輸車運輸,汽車泵泵送入模。

      澆筑砼時,采用插入式振搗棒振動搗實。振動器振動搗實,應符合下列規(guī)定:

      ①使用插入式振動器時,先快后慢。移動間距不超過振動器作用半徑的1.5倍;與側模保持5~10cm的距離;插入下層砼5~10cm;每一層振動完畢后邊振動邊徐徐提出振動棒;避免振動棒碰撞側模。

      ②對每一振動部位,必須振動到該部位砼密實為止。密實的標志是砼停止下沉、不再冒出氣泡、表面呈現(xiàn)光澤、泛漿。

      ③混凝土初凝前,對混凝土年進行平整、壓光處理。

      4.3.14混凝土養(yǎng)生

      ①混凝土澆筑完畢后必須采用覆蓋、灑水養(yǎng)護,使其芯部混凝土與表層、表層與環(huán)境之間的溫度不得大于15℃。

      ②當陽光直射并且溫度T≥20℃ 時養(yǎng)護時間不得少于10天;陽光直射并且10℃≤T<20℃時養(yǎng)護時間不得少于14天,碎石墊層鋪設前,確保樁帽混凝土強度達到設計要求。

      5、施工工藝比選

      5.1優(yōu)化后“前截法”樁帽施工的優(yōu)點

      ①鉆機采用擠土工藝施工,幾乎無沉渣,且浮漿少,比設計樁頂高程超灌 20cm 即可,且出土量少,可在混凝土凝固之前截取樁頭。樁機后續(xù)成樁施工時不會對已施工的樁造成干撓。

      ②清理樁棄土時,因樁頭不高于地面,故挖掘機不會觸碰樁身,造成樁體淺層斷樁進而影響樁身質量。

      ③成樁后對樁頭進行有效振動搗實,故樁頭密實,質量得到可靠保證,樁頭在未初凝前就進行修整,凝固后,樁頭平整光滑,形狀規(guī)整不變形。

      ④通過樁帽機械開挖設備,加快了樁帽開挖,提高了工作效率,減少了材料、設備、人員的投入。 特別是鉆樁帽過程中,鉆機自帶套筒套在樁帽上,保護樁頭不被扭斷,較挖掘機挖樁間土的工藝極大的保護了樁身的完整性。

      因此通過以上的工藝優(yōu)化改進,螺桿樁施工不僅減少了施工工序,縮短了施工時間,而且在提高效率的同時,樁身、樁頭的質量得到有效保證;故在成樁后的樁身質量檢測中,I類樁率遠遠高于傳統(tǒng)施工工藝。

      5.2經(jīng)濟社會效益

      新工藝減少了樁帽土方外棄量,降低了環(huán)境污染,節(jié)約了人力資源投入。

      除少量人工外(每臺設備配備3-4人),投入的設備為樁帽成孔器,單價為2萬元/臺,租賃挖掘機費用為4.5萬元/臺月。單機投入固定費用2萬,其余費用為4.5萬/月,投資可控。

      最主要的,極大提高了施工效率。單機生產(chǎn)率約為400-500個/臺班。

      6、結論

      通過對“螺桿樁地基處理新工藝技術研究”,相比較傳統(tǒng)螺桿樁施工工藝,優(yōu)化后的“前截法”螺桿樁施工工藝,工序少、效率高、成本低、操作簡單。既避免了傳統(tǒng)工藝施工中的缺點,保證了成樁質量,又創(chuàng)造性地開發(fā)了一項新技術的推廣與應用。這項研究對傳統(tǒng)螺桿樁施工,將是一場技術革新。

      參考文獻:

      [1]蒙遼鐵路客運專線有限責任公司發(fā)布的有關設計圖紙和技術資料

      [2]《高速鐵路路基工程施工技術規(guī)程》(Q/CR9602-2015)

      [3]《高速鐵路路基工程施工質量驗收標準》(TB10751-2010)

      [4]《鐵路路基設計規(guī)范》(TB10001-2005)

      [5]《鐵路混凝土工程施工技術指南》鐵建設[2010]241號

      [6]《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》(TB10424-2010)

      作者簡介:

      宋國映,男,30歲,工程師,從事鐵路工程施工6年,曾研究課題有特大溶洞級暗河處理施工技術研究、隧道溶洞特大體積混凝土施工技術研究、巖溶地質條件下的橋梁挖孔樁施工技術探討、路基巖溶整治施工技術研究、350公里時速鐵路沉降變形技術研究等,中鐵三局集團第二工程有限公司。

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