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基于工业化建造的静钻根植桩应用研究.pdf
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1、第5期(总第230期)2023 年 10 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.5 (S e r i a l N o.2 3 0)O c t.2 0 2 316基于工业化建造的静钻根植桩应用研究周 晓 宇1,2,周 良1,2,闫 兴 非1,21.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司,上海 200125;2.上海工业化装配化市政工程技术研究中心,上海 200125摘要:静钻根植桩是 1 种绿色环保的新型桩基形式,具有噪声低、无挤土、排泥少的优势,已在工业民用建筑工程中广泛应用。为研究静钻根植桩技术在长三角软弱土层地区高架桥梁中的适用性,依托上海 S26 公路新建工
2、程设计原位与非原位试桩试验,对试验桩在竖向、水平向进行单向多循环荷载试验和极限荷载承载性能试验,同步进行桩身质量控制和完整性检测试验,结合试验数据分析静钻根植桩的承载性能、施工性能和经济效率等关键工程技术指标。结果表明,静钻根植桩适用于长三角地区软弱土层,具有可靠的竖向、水平向静、动载承载性能。施工效率高,质量控制点明确,相比传统钻孔桩具有经济优势。研究结果可为类似土层条件下,推广静钻根植桩工法提供参考。关键词:静钻根植桩;高架桥梁;埋入式工法;非原位试桩;静动力性能中图分类号:TU473.1 文献标识码:A 文章编号:1004-4655(2023)05-0016-06收稿日期:2023-08
3、-16基金项目:上海市科学技术委员会项目(21DZ1203303)第一作者简介:周晓宇(1988),男,高级工程师,博士,主要从事桥梁工程研究与设计工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2023.05.0041 研究背景静钻根植桩是 1 种采用埋入法施工预应力预制桩的新型桩基施工技术1-3,施工工艺流程具体为:采用专用单轴钻机按照设计深度钻孔达到设计深度后通过液压扩大翼按照设计扩底尺寸进行扩大头成孔扩孔完成后注入桩端水泥浆通过钻杆多次反复升降,将扩大头内泥浆搅拌均匀,形成桩端扩底浆液关闭扩大翼,伴随钻杆提升,注入桩周水泥浆在水泥浆液初凝前,利用预制桩自重进行植桩水泥土
4、固化后,形成预制桩-水泥土-桩周土体共同承载的模式,见图 1。钻孔扩底桩端水泥浆注入桩周水泥浆注入植桩图 1 静钻根植桩施工流程与静钻根植桩工艺匹配的预制桩桩型包括复合配筋桩(PRHC)、预应力混凝土管桩(PHC)、竹节桩(PHDC)。复合配筋桩通过施加预应力充分发挥高强混凝土性能,显著提高截面承载能力。竹节桩构造与水泥土形成良好的嵌固作用,显著提高桩侧摩阻力,通过扩底改善桩端性状,达到提高桩端承载力并控制沉降的目的4。与钻孔灌注桩相比,静钻根植桩具有泥浆排放少、桩基质量可控。施工172023 年第 5 期周晓宇,周良,闫兴非:基于工业化建造的静钻根植桩应用研究速度快等优势。相比静压或锤击施工
5、预制桩,静钻根植桩可通过预先钻孔消除挤土效应,同时避免在坚硬土层锤击,造成桩基损伤,降低施工噪声并降低桩基施工对临近设施的影响。因此,静钻根植桩是 1 种环境影响小、节能降耗的新型桩基,具有较高的技术优越性。静钻根植桩的技术、经济优势已得到工业民用建筑领域广泛认可,按已实施工程统计5,目前工业民用建筑中静钻根植桩总量已超过 106 m,最大预制桩长 80 m,最大钻孔深度 85 m,最大桩径达 800 mm。桩径 500 mm 的静钻根植桩单日沉桩可达420 m,桩径650 mm的单日沉桩为300350 m,桩径 800 mm 的单日沉桩为 250300 m,具有显著的工效优势。在规范体系方面
6、,建筑工程领域静钻根植桩规范相对成熟6。桥梁工程相关标准仍在完善过程中,目前行业标准 JTG 33632019公路桥涵地基与基础设计规程未涵盖静钻根植桩技术内容,仅浙江省和中国工程建设标准化协会已发布的静钻根植桩技术标准可供桥梁工程参考。上海市地方标准预制桩植桩技术标准和中国公路学会静钻根植桩技术规程已在修编或编制中,拟在充分总结近年来应用实施的基础上,对桥梁静钻根植桩设计、施工、质量控制和验收等方面做全面规定。静钻根植桩承载特征能够满足长三角软弱土层地区桥梁对桩基的技术要求,但工程推广应用仍存在以下问题。首先,标准体系不完善限制了技术推广,目前除在编的前述 2 个标准,尚无相关标准发布实施,
7、无法有效指导该技术在桥梁工程中的应用。其次,静钻根植桩设备体量大,目前最小设备高度超过 23 m,城市桥梁净空条件无法满足设备高度要求,需进一步研发适应城市环境的小体量设备和匹配的新型桩基。最后,静钻根植桩相比于钻孔灌注桩和钢管桩虽具有显著的经济性优势,但在挤土效应不敏感区域,对比传统 PHC 管桩尚缺少经济优势,有待进一步完善静钻根植桩设计理论并优化桩基构造。上海地区桥梁桩基主要包括钻孔灌注桩和预制桩 2 类,选取代表桩型与静钻根植桩综合对比,技术特征见表 1。表 1 代表桩型技术参数对比钻孔灌注桩免共振液压钢管桩静钻根植桩主要工艺机械回转钻成孔,下放钢筋笼灌注混凝土成桩无需设置桩头,利用高
8、功率免共振锤沉桩单轴钻机成孔,扩底、注浆后利用自重沉桩优势技术普及度高,适用性广,桩长、桩径选择范围大低噪音,无泥浆,功效高,桩身损伤小低噪音,少排泥,无挤土,桩基质量高,经济性好劣势功效低,泥浆排放量大,混凝土用量大,桩基质量较低存在挤土效应,桩型桩径选择范围小,成本较高规范体系不完善,设备体量大,市区环境限制应用施工速度800 mm 钻孔灌注桩约 5060 m/d700 mm 钢管桩采用 ICE-RF70 型免共振液压振动锤约 200240 m/d650 mm 静钻根植桩组合约 300350 m/d经济性800 mm 钻孔灌注桩建安单价约 1 300 元/m700 mm 钢管桩建安单价约
9、1 800 元/m650 mm 静钻根植桩组合建安单价约 1 000 元/m本次研究结合上海 S26 公路东延伸(G15G1501)新建工程,开展原位和非原位试桩,基于静、动载试验、桩身质量控制与检测,全面分析长三角软弱土层地区静钻根植桩的技术适用性,为工程中实际应用提供技术支撑,同时为类似工程提供参考。2 试验桩设计与桩基施工2.1 工程桩与试验桩设计1)原位试桩选取 S26 工程中新艾祈江地面桥进行,该桥为 22 m 单跨空心板梁桥,一侧桩基采用 800 mm 钻孔灌注桩已完成施工。另一侧采用静钻根植桩替代原钻孔桩,工程桩配桩方式为 PHC 600(110)AB-7,10+PHDC650-
10、500(100)AB-15,持力层为2粉砂层。原位试桩场地位于桥梁东侧,分布于 2 个桥台下,总计 12 枚,计划工期 12 d。2)非原位试桩区域选取高架 18 号墩与 19 号墩之间进行,采用锚桩法设置试验桩共计 8 枚,其中 S1 和 S2 为试桩,M1M6 为锚桩,用于提供反力。试验桩 S1、S2 持力层均为2粉砂层,桩长分别为 62 m、35 m。S1 桩较长,穿过上下粉砂层中间的厚层粉质黏土层,承载力高,可作为未来应用于高架桥梁的设计形式。S2 桩端位于上层粉砂层,桩端位置和中新艾祈江桥工程桩相同,用以检182023 年第 5 期验工程桩的承载性能。计划工期 8 d。2.2 桩基施
11、工工效分析静钻根植桩的施工根据地质条件和周边环境条件、成桩深度、桩径等选用配套设备,具体工效见图 2。在2层粉质黏土前,钻进速度较快,各桩孔速度接近,约为 0.8 m/min。进入2层后钻孔速度减缓,平均为 0.05 m/min,穿透该层后,钻进速度增大,对比土层分布,推算进入3砂质粉土层。试桩 S2 和锚桩 M5、M6(桩径 650 mm)进入上部的2粉砂层后,钻进速度无明显下降。试桩S1 和锚桩 M1M4(桩径 800 mm),进入下层2粉砂层后,钻进速度明显减缓。0-10-20-30-40-50-60深度/m时间/min0 100 200 300 400S1S2M1M2M3M4M5M6图
12、 2 单轴钻机钻孔速度3 静钻根植桩承载性能试验3.1 试验设计根据高架桥梁桩基受荷状况,研究静钻根植桩的桩身完整性检测方法及其适用性、静钻根植桩的竖向抗压承载性能和抗水平力性能。依次开展以下试验。1)8 枚试验桩进行 1 次低应变检测,用以确定桩身完整性。静置 7 d,再进行 1 次低应变检测,确定水泥土固化过程中的桩身完整性。2)竖向抗压静载试验(至沉降 8 mm),研究桩侧土体未达到极限状态时,桩基的承载性能。3)竖向恒载持荷作用下双向多循环水平静载试验,检测桩的抗水平荷载性能和水平循环荷载对桩周土的影响。卸载后进行竖向抗压试验与前序试验 2)对比,研究水平循环荷载对桩基竖向承载性能的影
13、响。4)竖向抗压静载试验(极限荷载),通过锚桩法加载至桩基达到规范桩基极限承载判断条件,采用高应变检测检测桩基竖向极限承载力。5)单向多循环水平静载试验,检测桩基抗水平静荷载性能。6)单向单循环水平静载试验,检测桩身在水平荷载作用下的极限承载性能和桩身完整性。3.2 试验结果与分析1)桩身完整性检测。2 枚试验桩和 6 枚根锚桩沉桩完成后次日与 7 d 后开展 2 次小应变检测,结果见图 3。从沉桩后 8 d 两枚试验桩的低应变曲线中可知,在小应变的有效检测范围内,8 枚试验桩桩身完整性良好。a)S1 试验桩 b)S2 试验桩图 3 沉桩后 8 d 试验桩低应变曲线2)静钻根植桩承载性能。为研
14、究静钻根植桩未达到极限荷载状态,仅受桩周土摩擦影响的承载性能,开展试验研究,采用锚桩反力加载至沉降 8 mm,同时对桩基进行低应变检测,确认桩身完整,结果见图 4。对 S1 试验桩加载荷载,分别为 2 320 kN,3 480 kN,3 900 kN,对应累计沉降分别为 3.33 mm,7.31 mm,8.19 mm。完成加载后进行 1 次采样并卸载,卸载回弹量 6.47 mm。对 S1 试验桩加载荷载,分别为 1 356 kN,2 034 kN,2 712 kN,3 390 kN,对应累计沉降分别为 2.60 mm,5.34 mm,7.86 mm,10.13 mm,卸载最大回弹量 7.32
15、mm。周晓宇,周良,闫兴非:基于工业化建造的静钻根植桩应用研究192023 年第 5 期3)为研究桩周水泥土在水平动荷载作用下的抗扰动性能和水平循环荷载对桩基竖向承载性能的影响,设计竖向持荷作用下的水平双向多循环荷载试验。S1 和 S2 水平最大荷载均为 3 000 kN,加载步长分别为 300 kN 和 170 kN,采用位移(16.8 mm)与荷载双控加载原则,对正、反 2 个方向各级荷载作用下的桩的水平位移进行统计、修正后得到加载试验曲线,见图 5。在双向循环试验过程中,卸载后桩身恢复良好,桩顶位移主要为弹性变形。a)S1 试验桩 Q-s 曲线 b)S1 试验桩 S-lgt 曲线 c)S
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