几种桩基对比及现浇混凝土薄壁筒桩的应用
杨松桥 徐光苗
(中南财经政法大学基建处 湖北武汉 430000)(中国科学院武汉岩土力学研究所)
摘 要 对工程中几种常用的桩型进行了对比分析; 主要介绍现浇混凝土薄壁筒桩的施工原
理、承载力特性和在高速公路软基处理等众多工程中的成功应用, 以及应用价值、前景预测。
关键词 桩型比较 现浇混凝土薄壁筒桩 原理 承载力特性 工程应用 1 引言
随着我国建设工程的飞速发展, 越来越多的基础工程采用桩基形式, 特别对于软土地基以及地质条件复杂的地区, 桩基以其不可替代的优势, 备受重视。据统计, 上世纪90年代, 我国每年桩的用量在100万根以上, 进入21世纪以来, 我国每年各种桩的用量已经超过500万根[1],其中灌注桩每年在300万根以上。
桩基型式种类繁多, 如果细分, 竟超过80种之多[2],对于不同的地质条件应发展其最适应的桩型。总的来看, 桩基础正朝高强度、低沉降、无污染、施工快、大桩径、造价低、深埋桩长方向发展。而现浇混凝土薄壁筒桩正是为适应以上形势要求, 在沉管灌注桩的基础上加以改进发展而成的一种新型桩, 它属于部分挤土桩, 是由谢庆道教授自主研发出来的一项新型专利[3]。由于现浇混凝土薄壁筒桩节省混凝土至少40%、挤土效应相对较少、桩径不限、桩身整体质量高等及其它许多优点, 近年来已有取代大多数传统灌注桩以及预制桩的趋势。本文通过几种桩型多方面的比较, 着重介绍现浇混凝土薄壁筒桩的应用效果并进行前景预测。
2 主要桩型比较
2.1 预制桩
预制桩是在施工前预先制作成型, 再用各种机械设备把它沉入地基至设计标高的桩。其优势在于:桩身质量易于控制, 可见性好, 强度高, 单桩承载力大, 工厂成批制作, 成本低, 施工现场整
洁, 不需降水, 施工快, 工期短[4]。沉桩方法有锤击法、锤击振动法和静力压桩法等。根据断面的形状又可分为预制方桩、变截面桩、预制筒桩等。预制桩的不足:一是在打入土层时, 会发生严重的挤土效应, 继而导致桩与桩的挤土作用而变形、断裂、错位甚至上浮; 二是单根桩长有限, 若设计长桩, 则需要多根搭接, 一般做
法是采用人工焊接, 施工中接头容易破坏, 从而影响桩的稳定性[5],另外设计桩径有限, 一般限于600mm 以内。
2.2 沉管灌注桩
沉管灌注桩是指用机械作用力把下端带有桩尖的钢管挤入土层内, 接着在钢管内放入钢筋笼并灌注混凝土, 然后再用机械作用力将钢管从土中拔出后而形成的桩体, 它是以挤压并排开四周土体的方式成桩, 也属于挤土桩。优点在于施工方便、工期短、成本低, 可提供较高的承载力, 适用范围广。其成桩桩管施工有静压和振动两种方式, 不足之处在于:桩身质量难以控制, 可能出现断桩、裂缝、缩颈、离析或空洞、吊脚桩等质量问题, 桩径也受限制。
2.3 钻孔灌注桩
钻孔灌注桩是先利用钻机在现场成孔, 再换浆清孔, 继而吊装钢筋笼、灌注混凝土成桩。承载力较高, 施工方便。随着大直径钻孔设备的出现, 使得这种桩得到广泛的应用。但主要问题在于, 成桩施工容易造成钻孔倾斜, 孔壁坍塌、缩颈, 孔底沉渣量大, 清孔泥浆污染环境。
2.4 CFG桩
CFG 桩是水泥粉煤灰碎石桩(CementFlyashGravelpile)的简称, 它由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加适量水拌和形成具有一定粘结强度和一定压缩性的半刚性桩体。CFG 桩、桩间土和褥垫层一起组成CFG 桩复合地基, 通过褥垫层共同承担上部荷载。由于施工方便, 适应范围广, 工艺性好, 成本低, 加之主要材料为工业废弃料, 对于保护环境有积极作用, 因而在一般的工业民用建筑、高耸构筑物、以及高速公路、铁路路基加固等工程中有着广泛的应用[6]。
CFG 桩的加固深度, 一般只在15m 左右, 限制了其在大型建筑工程, 特别是对地基沉降量要求非常小的重要建筑上的应用。
3 现浇薄壁混凝土筒桩
3.1 施工原理
单体筒桩的施工原理为:预制环形桩靴, 桩靴上部凸出, 下部呈环锥状; 施工时把环形桩靴套入
内外套管之间, 内外套管的下端面与桩靴上部环形凸面的内外侧相接触; 套管上部与压盖相连, 内套管上部锥管穿过压盖, 插入施力压头与出泥孔导通; 将桩靴
尖头压入土层; 接着振动下沉, 在成筒形孔的同时亦同步自动排出软土; 放入钢筋笼, 灌注混凝土, 最后拉出内外套管即成筒状桩基。结构见图1, 施工工艺和施工过程见文献[3]、[7]、[8]。
3.2 承载特性
已有试验资料[3][9]～[11]认为, 对于工程中常用的顶部封盖混凝土筒桩, 其承载力由桩外侧摩擦阻力、内侧摩擦阻力、土芯顶部阻力及桩端阻力4部分组成。当筒桩顶部受到竖向荷载后, 桩身外侧摩擦阻力最先发挥作用; 随着荷载增加, 桩端阻力随即产生, 这时外侧摩擦阻力逐渐增大; 而当荷载加载至接近筒桩的承载极限时, 土芯顶部阻力和筒桩内侧摩擦阻力也发挥出来。根据相关试验资料[10],筒桩的外侧摩擦阻力约占总承载力的50%～60%,桩端阻力约占30%,土芯顶部阻力约占20%,筒桩内侧摩擦阻力最小, 约占总承载力的4%左右。在设计时, 为安全考虑, 筒桩内侧摩擦阻力可以忽略。由此可以看出, 现浇混凝土薄壁筒桩是一种以摩擦阻力为主的摩擦型桩, 受力形式如图2所示, 图3为桩顶荷载增加引起桩的各相应承担力的变化趋势图, 桩径为1000mm 。
4 现浇混凝土薄壁筒桩的工程应用
由于现浇混凝土筒桩独特的优势, 近年来在许多工程中得到应用, 如高速公路软基处理、城市深基坑围护及海堤防护工程等。这里重点介绍这种新型桩在高速公路软基处理以及河海防护堤工程中的成功应用, 为这种桩的推广积累有意义的实践经验。
4.1 在高速公路软土路基中的应用
(1)杭州绕城高速公路南线段工程西起转塘狮子口, 东接杭金衢高速公路, 全长22.977km, 穿越软土地层。软土地层以亚粘土及淤泥质亚粘土为主, 另有淤泥质夹层、局部卵砾石夹层。由于常规的软基处理方法, 如塑料排水板、粉喷桩、水泥搅拌桩、砂桩以及等超载预压处理等, 难以满足施工工期及沉降要求, 最后采取了现浇混凝土薄壁筒桩对桥头路基段软基进行加固。
该段软基处理宽35～50m, 单体筒桩桩长9～22m, 桩径为1.0m, 筒壁厚0.12m, 混凝土强度等级为C20, 接近桥台段桩中心距3.0m, 过渡段桩距3.5m, 筒桩距桥台桩3.0m, 梅花形布置。桩顶盖板长×宽=1.5m×1.5m, 板厚200mm, 混凝土强度等级为C25。图4为现场施工照片。通过现场对筒桩进行的筒内挖土观察(抽样率1%～
2%)及小应变测试(抽样率为30%)结果来看, 桩身质量完好。而从施工完后沉降观测结果来看, 筒桩的工后沉降远小于同期施工的塑料排水板处理路段的沉降。
(2)杭宁高速公路二期工程长兴段全长21.5km, 需要加固的软基处理路段长
6.16km 。软土地
层为冲湖积亚粘土和淤泥质亚粘土, 后者厚度在12.0m 左右。原设计采取塑料排水板处理, 处理深度为17.5m, 超载预压高度1.0m, 预压期12个月。根据施工工期要求及综合经济性比较, 在杭宁高速公路白溪大桥南50m 桥头段改为采用现浇混凝土薄壁筒桩进行加固。桩径1.00m, 壁厚0.12m, 桩距2.50m, 桩身混凝土强度为C25。接桥段桩长18m, 桩端打至持力层, 并在桩顶设混凝土盖板。桥头过渡段桩长15～17m, 不设盖板。加固区筒桩按梅花形布置, 共布桩419根。
对采用筒桩与相同条件下17.5m 塑料排水板、13.0m 粉喷桩两种加固方案的加固效果进行比较, 采用筒桩加固的路堤, 其施工期间沉降速率分别是上述两种加固的13%和25%,其施工期间的沉降值分别是上述两种加固的13.4%和36.9%,且工后沉降分别是上述两种的4.6%和16.7%。表明用现浇混凝土薄壁筒桩进行软土地基加固可以显著降低沉降速率, 减少施工期沉降及路基总沉降。
4.2 在填海护堤工程中的应用
薄壁筒桩直立式海堤是一种上部结构与下部桩基结合的新型混凝土海堤, 能够解决传统海堤工程软土地基处理施工周期长、完工后质量难以保证等难题。该项技术已在国内多项海洋防护堤工程中得到应用, 如温州鹿西岛的海湾防浪堤、上海金山卫海岸疏导堤、上海浦南东片出海闸导流堤、浙江玉环海滨新城金港湾填海工程、广东惠州大亚湾石化工业区海堤等, 均取得了成功, 从而为该项技术进一步推广奠定了坚实的基础。现浇混凝土薄壁筒桩结构作为围堤结构, 可以根据工程及地质特点, 组合成多种围护结构, 目前典型的应用型式有单排联体筒桩结构和单面插板双排框架筒桩结构两种, 见图5。从筒桩的实际应用效果来看, 该结构抗水平力性能和抗弯性能好, 可有效提高承载力, 减少工后沉降, 加快施工进度, 节约经济, 是一种值得推广的新技术。
4.3 工业与民用建筑中的应用
现浇混凝土薄壁筒桩在工业与民用建筑中主要
是作为深基坑支护结构和对软土地基进行处理。自从该桩首次在温州乐清柳
市现场试验成功以来, 已有多项深基坑工程采用, 如杭州罗马花园公寓基坑围护, 武汉循礼门地下车行通道基坑支护等。并且, 从南昌万达工地进行的筒桩与其他灌注桩的对比载荷试验结果表明, 筒桩性能明显优于其它灌注桩。由于现浇混凝土薄壁筒桩施工速度快、抗弯性能好、沉降小且易稳定、承载力高、无桩底沉渣、无环境污染、节约混凝土等明显优势, 必将在工业与民用建筑中发挥更大的作用。
5 应用前景
目前, 现浇混凝土薄壁筒桩已经获得多项中国国家专利及美国国家专利。从已经施工完成的筒桩应用情况来看, 筒桩应用已不受施工环境以及地质条件限制。过去筒桩应用受限制主要表现在两个方面, 一是施工桩的激振锤提供的激振力不能满足要求, 二是筒桩施工存在一定的挤土效应。目前, 我国施工筒桩的振动锤多数还是从国外引进, 成本较高。而随着国内中铁工程机械研究设计院自行研制开发的大型高频液压振动锤的问世, 可以很好地解决激振力不足及造价高的问题。而后者则只需外加抓土装置, 可直接从内管取土, 以减少内管土的阻力, 从而达到减小挤土效应的目的。
近年来, 我国相继有众多大型土木工程正在兴建, 特别是国内高速铁路建设的大力实施, 以及我国实现“八纵八横”铁路大通道宏伟蓝图的计划, 为薄壁筒桩的进一步推广开辟了新的天地。
几种桩基对比及现浇混凝土薄壁筒桩的应用
杨松桥 徐光苗
(中南财经政法大学基建处 湖北武汉 430000)(中国科学院武汉岩土力学研究所)
摘 要 对工程中几种常用的桩型进行了对比分析; 主要介绍现浇混凝土薄壁筒桩的施工原
理、承载力特性和在高速公路软基处理等众多工程中的成功应用, 以及应用价值、前景预测。
关键词 桩型比较 现浇混凝土薄壁筒桩 原理 承载力特性 工程应用 1 引言
随着我国建设工程的飞速发展, 越来越多的基础工程采用桩基形式, 特别对于软土地基以及地质条件复杂的地区, 桩基以其不可替代的优势, 备受重视。据统计, 上世纪90年代, 我国每年桩的用量在100万根以上, 进入21世纪以来, 我国每年各种桩的用量已经超过500万根[1],其中灌注桩每年在300万根以上。
桩基型式种类繁多, 如果细分, 竟超过80种之多[2],对于不同的地质条件应发展其最适应的桩型。总的来看, 桩基础正朝高强度、低沉降、无污染、施工快、大桩径、造价低、深埋桩长方向发展。而现浇混凝土薄壁筒桩正是为适应以上形势要求, 在沉管灌注桩的基础上加以改进发展而成的一种新型桩, 它属于部分挤土桩, 是由谢庆道教授自主研发出来的一项新型专利[3]。由于现浇混凝土薄壁筒桩节省混凝土至少40%、挤土效应相对较少、桩径不限、桩身整体质量高等及其它许多优点, 近年来已有取代大多数传统灌注桩以及预制桩的趋势。本文通过几种桩型多方面的比较, 着重介绍现浇混凝土薄壁筒桩的应用效果并进行前景预测。
2 主要桩型比较
2.1 预制桩
预制桩是在施工前预先制作成型, 再用各种机械设备把它沉入地基至设计标高的桩。其优势在于:桩身质量易于控制, 可见性好, 强度高, 单桩承载力大, 工厂成批制作, 成本低, 施工现场整
洁, 不需降水, 施工快, 工期短[4]。沉桩方法有锤击法、锤击振动法和静力压桩法等。根据断面的形状又可分为预制方桩、变截面桩、预制筒桩等。预制桩的不足:一是在打入土层时, 会发生严重的挤土效应, 继而导致桩与桩的挤土作用而变形、断裂、错位甚至上浮; 二是单根桩长有限, 若设计长桩, 则需要多根搭接, 一般做
法是采用人工焊接, 施工中接头容易破坏, 从而影响桩的稳定性[5],另外设计桩径有限, 一般限于600mm 以内。
2.2 沉管灌注桩
沉管灌注桩是指用机械作用力把下端带有桩尖的钢管挤入土层内, 接着在钢管内放入钢筋笼并灌注混凝土, 然后再用机械作用力将钢管从土中拔出后而形成的桩体, 它是以挤压并排开四周土体的方式成桩, 也属于挤土桩。优点在于施工方便、工期短、成本低, 可提供较高的承载力, 适用范围广。其成桩桩管施工有静压和振动两种方式, 不足之处在于:桩身质量难以控制, 可能出现断桩、裂缝、缩颈、离析或空洞、吊脚桩等质量问题, 桩径也受限制。
2.3 钻孔灌注桩
钻孔灌注桩是先利用钻机在现场成孔, 再换浆清孔, 继而吊装钢筋笼、灌注混凝土成桩。承载力较高, 施工方便。随着大直径钻孔设备的出现, 使得这种桩得到广泛的应用。但主要问题在于, 成桩施工容易造成钻孔倾斜, 孔壁坍塌、缩颈, 孔底沉渣量大, 清孔泥浆污染环境。
2.4 CFG桩
CFG 桩是水泥粉煤灰碎石桩(CementFlyashGravelpile)的简称, 它由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加适量水拌和形成具有一定粘结强度和一定压缩性的半刚性桩体。CFG 桩、桩间土和褥垫层一起组成CFG 桩复合地基, 通过褥垫层共同承担上部荷载。由于施工方便, 适应范围广, 工艺性好, 成本低, 加之主要材料为工业废弃料, 对于保护环境有积极作用, 因而在一般的工业民用建筑、高耸构筑物、以及高速公路、铁路路基加固等工程中有着广泛的应用[6]。
CFG 桩的加固深度, 一般只在15m 左右, 限制了其在大型建筑工程, 特别是对地基沉降量要求非常小的重要建筑上的应用。
3 现浇薄壁混凝土筒桩
3.1 施工原理
单体筒桩的施工原理为:预制环形桩靴, 桩靴上部凸出, 下部呈环锥状; 施工时把环形桩靴套入
内外套管之间, 内外套管的下端面与桩靴上部环形凸面的内外侧相接触; 套管上部与压盖相连, 内套管上部锥管穿过压盖, 插入施力压头与出泥孔导通; 将桩靴
尖头压入土层; 接着振动下沉, 在成筒形孔的同时亦同步自动排出软土; 放入钢筋笼, 灌注混凝土, 最后拉出内外套管即成筒状桩基。结构见图1, 施工工艺和施工过程见文献[3]、[7]、[8]。
3.2 承载特性
已有试验资料[3][9]～[11]认为, 对于工程中常用的顶部封盖混凝土筒桩, 其承载力由桩外侧摩擦阻力、内侧摩擦阻力、土芯顶部阻力及桩端阻力4部分组成。当筒桩顶部受到竖向荷载后, 桩身外侧摩擦阻力最先发挥作用; 随着荷载增加, 桩端阻力随即产生, 这时外侧摩擦阻力逐渐增大; 而当荷载加载至接近筒桩的承载极限时, 土芯顶部阻力和筒桩内侧摩擦阻力也发挥出来。根据相关试验资料[10],筒桩的外侧摩擦阻力约占总承载力的50%～60%,桩端阻力约占30%,土芯顶部阻力约占20%,筒桩内侧摩擦阻力最小, 约占总承载力的4%左右。在设计时, 为安全考虑, 筒桩内侧摩擦阻力可以忽略。由此可以看出, 现浇混凝土薄壁筒桩是一种以摩擦阻力为主的摩擦型桩, 受力形式如图2所示, 图3为桩顶荷载增加引起桩的各相应承担力的变化趋势图, 桩径为1000mm 。
4 现浇混凝土薄壁筒桩的工程应用
由于现浇混凝土筒桩独特的优势, 近年来在许多工程中得到应用, 如高速公路软基处理、城市深基坑围护及海堤防护工程等。这里重点介绍这种新型桩在高速公路软基处理以及河海防护堤工程中的成功应用, 为这种桩的推广积累有意义的实践经验。
4.1 在高速公路软土路基中的应用
(1)杭州绕城高速公路南线段工程西起转塘狮子口, 东接杭金衢高速公路, 全长22.977km, 穿越软土地层。软土地层以亚粘土及淤泥质亚粘土为主, 另有淤泥质夹层、局部卵砾石夹层。由于常规的软基处理方法, 如塑料排水板、粉喷桩、水泥搅拌桩、砂桩以及等超载预压处理等, 难以满足施工工期及沉降要求, 最后采取了现浇混凝土薄壁筒桩对桥头路基段软基进行加固。
该段软基处理宽35～50m, 单体筒桩桩长9～22m, 桩径为1.0m, 筒壁厚0.12m, 混凝土强度等级为C20, 接近桥台段桩中心距3.0m, 过渡段桩距3.5m, 筒桩距桥台桩3.0m, 梅花形布置。桩顶盖板长×宽=1.5m×1.5m, 板厚200mm, 混凝土强度等级为C25。图4为现场施工照片。通过现场对筒桩进行的筒内挖土观察(抽样率1%～
2%)及小应变测试(抽样率为30%)结果来看, 桩身质量完好。而从施工完后沉降观测结果来看, 筒桩的工后沉降远小于同期施工的塑料排水板处理路段的沉降。
(2)杭宁高速公路二期工程长兴段全长21.5km, 需要加固的软基处理路段长
6.16km 。软土地
层为冲湖积亚粘土和淤泥质亚粘土, 后者厚度在12.0m 左右。原设计采取塑料排水板处理, 处理深度为17.5m, 超载预压高度1.0m, 预压期12个月。根据施工工期要求及综合经济性比较, 在杭宁高速公路白溪大桥南50m 桥头段改为采用现浇混凝土薄壁筒桩进行加固。桩径1.00m, 壁厚0.12m, 桩距2.50m, 桩身混凝土强度为C25。接桥段桩长18m, 桩端打至持力层, 并在桩顶设混凝土盖板。桥头过渡段桩长15～17m, 不设盖板。加固区筒桩按梅花形布置, 共布桩419根。
对采用筒桩与相同条件下17.5m 塑料排水板、13.0m 粉喷桩两种加固方案的加固效果进行比较, 采用筒桩加固的路堤, 其施工期间沉降速率分别是上述两种加固的13%和25%,其施工期间的沉降值分别是上述两种加固的13.4%和36.9%,且工后沉降分别是上述两种的4.6%和16.7%。表明用现浇混凝土薄壁筒桩进行软土地基加固可以显著降低沉降速率, 减少施工期沉降及路基总沉降。
4.2 在填海护堤工程中的应用
薄壁筒桩直立式海堤是一种上部结构与下部桩基结合的新型混凝土海堤, 能够解决传统海堤工程软土地基处理施工周期长、完工后质量难以保证等难题。该项技术已在国内多项海洋防护堤工程中得到应用, 如温州鹿西岛的海湾防浪堤、上海金山卫海岸疏导堤、上海浦南东片出海闸导流堤、浙江玉环海滨新城金港湾填海工程、广东惠州大亚湾石化工业区海堤等, 均取得了成功, 从而为该项技术进一步推广奠定了坚实的基础。现浇混凝土薄壁筒桩结构作为围堤结构, 可以根据工程及地质特点, 组合成多种围护结构, 目前典型的应用型式有单排联体筒桩结构和单面插板双排框架筒桩结构两种, 见图5。从筒桩的实际应用效果来看, 该结构抗水平力性能和抗弯性能好, 可有效提高承载力, 减少工后沉降, 加快施工进度, 节约经济, 是一种值得推广的新技术。
4.3 工业与民用建筑中的应用
现浇混凝土薄壁筒桩在工业与民用建筑中主要
是作为深基坑支护结构和对软土地基进行处理。自从该桩首次在温州乐清柳
市现场试验成功以来, 已有多项深基坑工程采用, 如杭州罗马花园公寓基坑围护, 武汉循礼门地下车行通道基坑支护等。并且, 从南昌万达工地进行的筒桩与其他灌注桩的对比载荷试验结果表明, 筒桩性能明显优于其它灌注桩。由于现浇混凝土薄壁筒桩施工速度快、抗弯性能好、沉降小且易稳定、承载力高、无桩底沉渣、无环境污染、节约混凝土等明显优势, 必将在工业与民用建筑中发挥更大的作用。
5 应用前景
目前, 现浇混凝土薄壁筒桩已经获得多项中国国家专利及美国国家专利。从已经施工完成的筒桩应用情况来看, 筒桩应用已不受施工环境以及地质条件限制。过去筒桩应用受限制主要表现在两个方面, 一是施工桩的激振锤提供的激振力不能满足要求, 二是筒桩施工存在一定的挤土效应。目前, 我国施工筒桩的振动锤多数还是从国外引进, 成本较高。而随着国内中铁工程机械研究设计院自行研制开发的大型高频液压振动锤的问世, 可以很好地解决激振力不足及造价高的问题。而后者则只需外加抓土装置, 可直接从内管取土, 以减少内管土的阻力, 从而达到减小挤土效应的目的。
近年来, 我国相继有众多大型土木工程正在兴建, 特别是国内高速铁路建设的大力实施, 以及我国实现“八纵八横”铁路大通道宏伟蓝图的计划, 为薄壁筒桩的进一步推广开辟了新的天地。