振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩技术及其应用

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1 前言

我国地域辽阔，地质条件极为复杂，特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区存在着许多复杂的软土地基，在这些地质条件下修建高质量的公路及建筑物都要进行软基处理，以增加地基的稳定性及减少沉降。软基处理方法的选择使用对工程质量、工期和经济效益均有重要的影响。现在软基处理中使用的方法主要有桩基、水泥土搅拌桩、强夯法和真空预压、超载预压等加固方法。每种加固技术都有它的适用性和局限性。水泥土搅拌桩施工质量难以控制，加固深度也有限，且检测量大且费用高；超载预压方法由于软弱地基土的强度很低，存在路堤的稳定性问题，不能快速加载，制约工程的进度，因此施工工期很长，影响了工程投资的经济性。强夯法主要是针对透水性较强软土的加固效果明显，对软粘土不适宜，对沿海地区的粘土及淤泥质土的加固处理受到了限制。

桩基在加固软土地基中使用由于施工速度快，可大大缩短工期，加固处理深度不受限制，适宜各种地质条件，可明显增加路基的稳定性，提高地基的承载力和减小变形，长期以来，无论在建筑工程，还是在道路工程中，都得到普遍采用。这其中主要包括实心预制桩和现场灌注混凝土桩，以及预制混凝土管桩等。预制实心桩较现场灌注桩造价要高；现场浇筑混凝土桩单方造价较低，但也不能节省混凝土材料，从根本上看，现场浇筑混凝土实心桩的造价并未得到根本的降低。为此，又发展了预制混凝土管桩，该桩型的单方混凝土提高承载力较实心混凝土桩有了较大的提高。但预制混凝土管桩的使用需要在工厂预制，预制混凝土管桩从形式上是节省了材料，但考虑到运输和施工等因素，又必须加入了大量的钢筋以增加强度抵抗施工可能带来的破坏性，从而增加了造价，故地基加固成本较高。因此，寻求使用较少的混凝土方量，以实现造价低、承载力高，并且地基的稳定性增加明显的新桩型成为岩土工程界的迫切需要解决的问题。正是考虑到实心桩及预制管桩的不足，考虑到实心桩及预制管桩的不足，河海大学开发了高效经济的现场浇筑混凝土薄壁管桩软土地基加固专利技术(ZL 01273182.X)和施工工艺(CN 1367296A)，达到了造价低、承载力高、地基的稳定性增加和地基沉降降低等明显目的。

2 技术原理

振动沉模现浇混凝土管桩技术采取振动沉模自动排土现场灌注混凝土而成管桩，具体步骤是依靠沉腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打入预定的设计深度，在腔体内现成浇注混凝土，之后振动拔管，在环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。在形成复合地基时，为了保证桩与土共同承担荷载，并调整桩与桩间土之间竖向荷载及水平荷载得分担比例以及减少基础底面的应力集中问题，在桩顶设置褥垫层，从而形成现浇薄壁管桩复合地基。振动沉模大直径现浇管桩动力设备是振动锤，振动锤的两根轴上各装有偏心块，由偏心块产生偏心力。当两轴相向同速运转，横向偏心力抵消，竖向偏心力相加，使振动体系产生垂直往复高频率振动。振动体系具有很高的质量和速度，产生强大的冲击动量，将环形空腔模板迅速沉入地层。腔体模板的沉入速度与振锤的功率大小、振动体系的质量和土层的密度、粘性、粒径有关。振动体系的竖向往复振动，将腔体模板沉入地层。当激振力R大于以下三种阻力之和：刃面的法向力N的竖向分力、刃面的摩擦力F的竖向分力，腔体模板周边的摩阻力P的合力时(见图1)，模板即能沉入地层；当R与N、F、P竖向分力平衡时或达到预定深度时，则模板停止下沉。由于腔体模板在振动力作用下使土体受到强迫震动产生局部剪胀破坏或液化破坏，土体内摩擦力急剧降低，阻力减小，提高了腔体模板的沉入速度。同时挤压、振密作用使得环形腔体模板中土芯和周边一定范围内的土体得到密实。该成桩机理为：

模板作用。在振动力的作用下环形腔体模板沉入土中后浇注混凝土；当振动模板提拔时，同时混凝土从环形腔体模板下端注入环形槽孔内，空腹模板起到了护壁作用，因此不会出现缩壁和塌壁现象。从而成为造槽、扩壁、浇注—次性直接成管桩的新工艺，保证了混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。
振捣作用。环形腔体模板在振动提拔时，对模板内及注入槽孔内的混凝土有连续振捣作用，使桩体充分振动密实。同时又使混凝土向两侧挤压，管桩壁厚增加。
挤密作用。振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩在施工过程中由于振动、挤压和排土等原因，可对桩间土起到一定的密实作用。挤压、振密范围与环形腔体模板的厚度及原位土体的性质有关。

3 振动沉模现浇薄壁管桩施工机具设备

施工机具的主要技术性能要求：沉桩深度达到25m以上；桩径为1000 ~ 1500mm；管桩壁厚100~150mm；混凝土可多次加料；提升力达到30t，压桩力加上高频振动荷载达到100t。
根据以上要求设计了振动套管成模大直径现浇管桩机具，如图2所示。设备基本组成包括：底盘；龙门支架；振动头；钢质内外套管空腔结构；…活瓣桩靴结构；成模造浆器等；混凝土分流器。
图2 振动沉模现浇薄壁管桩设备图

4 振动沉模现浇薄壁管桩施工工艺及要点
施工流程
施工进场 → 现场装配 → 桩机就位 → 振动沉管 →浇注混凝土 → 振动拔管 → 移机
施工要点
为保证在含地下水地层中应用现浇管桩的质量，保证在成桩过程中地下水、流砂、淤泥不自桩靴进入管腔，浇筑采用二步法工艺，即在成桩管下到地下水位以上即进行第一次浇筑，将桩靴完全封闭，然后继续下到设计深度后进行第二次浇筑成桩。
为保证桩与桩之间在成桩过程中不互相影响，施工顺序采用隔孔隔排施工工序。
如遇到较硬夹层，可利用专门设计的成模润滑造浆器在沉桩过程中注入泥浆。
内外管应锁定后方可起吊装配；
混凝土应以细石料为主，可以适当掺入减水剂，以利于腔体中砼流动性较好；
在遇到砂性土层时，宜放慢上提的速度，软土层速度一般可在1～3min/m。

5 振动沉模现浇薄壁管桩技术特点
振动沉模大直径现浇管桩技术特点
双层钢管空腔结构优点是可形成大直径管桩，与实心桩相比，可提高桩摩擦力，并节省大量混凝土，从而大大降低造价。
活瓣桩靴结构，可避免使用预制钢筋混凝土桩头，大大降低成本和加快施工进度。并且可以调整成桩挤土方向。
通过造浆器造浆，可以减少沉模时环形套模内外摩擦阻力，保护桩芯和侧壁土稳定。
混凝土分流器可以避免管腔中混凝土浇注时的离析和厚薄不均。
龙门支架较单柱支撑的优点是保证机具稳定，同时克服了常规结构抗拔力不足问题。
由于采用振动双层套管成模工艺，灌注混凝土方量的相应减少，施工速度较钻孔灌注桩及粉喷桩要快，且质量也容易控制，加固同等面积软土地基效率提高40%以上。
选择大直径管桩进行地基加固，由于桩身表面积大，使单桩承载力大为提高，与实心混凝土桩或粉喷桩相比，单桩在复合地基处理中控制的加固面积大；
该桩型成桩质量稳定，可沉桩较深，桩体与桩周土形成刚性复合地基，复合层的变形很小，地基稳定性得到提高。
土中套管成模现浇管桩机具形成的复合地基技术在高速公路、市政工程等软基加固中的使用，将节约成本，缩短工期，提高工程质量，具有广泛应用前景。

(2)适用范围
振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩技术适用于各种结构物的大面积地基处理。如多层及小高层建筑物地基处理；高速公路、市政道路的路基处理；大型油罐及煤气柜地基处理；污水处理厂大型瀑气池、沉淀池基础处理；江河堤防的地基加固等。

地基处理的土层，应以以下土层为代表：表层土：有1～2m厚的填土，或可～软塑的素填土3～5m。下部土层：以软～流塑状态的粉土、粉质粘土为主体。底部土层：以进入砂层为持力层，稍密的砂约1～2m，中密以上的进入该层0.5m；对于砂土的夹层厚度不宜大于4m的土层。根据以上几点的要求，该机械设备制作的管桩应具有一定的承载力及抗水平的推力；该桩型同时也可放置钢筋笼及改进桩尖结构增大筒内土体的挤密作用，以提高其承载效果。

6 振动沉模大直径现浇管桩复合地基设计与检测

由于振动沉模大直径现浇管桩与褥垫层、土共同作用形成刚性桩复合地基，振动沉模大直径现浇管桩复合地基的设计按刚性桩复合地基进行。复合地基承载力的确定，比较可靠的方法式采用单桩或多桩复合地基原位载荷试验实测，也可用根据公式进行估算[1]，[2]。复合地基沉降量通常分为二部分，即复合地基加固区的压缩量，加固区下卧层厚度为压缩量，于是在荷载作用下复合地基的总沉降为二部分之和[1]，[2]。
振动沉模大直径现浇管桩复合地基设计内容
根据地质勘测报告，确定桩端持力层和桩长；
确定桩径和壁厚，一般设计桩径为1000mm～1500mm，设计壁厚100～150mm；
根据设计要求的复合地基承载力和变形确定桩间距和布置，一般桩间距为d；
桩体混凝土等级，根据形成复合地基承载力的需要，一般采用C10～C25；
褥垫层厚度及材料，褥垫层厚度一般取10～40cm，材料可选粗砂，碎石，中间设土工隔栅。

质量检测方法
振动沉模大直径现浇混凝土薄壁管桩检测分三种方式进行，即：
现场开挖：检查桩身外观质量，该项工作应在桩基完工14天后进行。
低应变和高应变检测：采用反射波法对桩身完整性进行检测。
静载荷试验或复合地基承载力载荷试验：对单桩承载力或复合地基承载力进行检测。

7 振动沉模大直径现浇管桩技术的应用
工程加固概况
南京大厂区经一路软基加固工程位于南京市长江北岸，地基土层为8~18米深粉质粘土，设计路堤填土最大高度为6.0米。通过堆载预压、真空预压、粉喷桩等方案比较，最终确定了现浇管桩复合地基软基加固技术方案，设计桩长从6m到11.8m不等，工程总量为3780延米。设计直径 1000mm，壁厚120mm，混凝土等级C20，坍落度5cm~8cm，桩间距横向3.0m，纵向间距排与排之间3.5m，采用正方形布置。于2001年11月底完成地基处理工程。图3为现场施工的照片，图4为开挖单根管桩桩头。
桩基检测
该桩基工程检测分三种方式进行，即：
1）现场开挖：检查桩身外观质量，该项工作在桩基完工14天后进行，检查数量不得少于3根。开挖结果表明，桩身混凝土结构完整，无断桩和空隙。
2）低应变检测：采用反射波法对桩身完整性进行检测，检测数量为总桩数的25％。南京大学科技实业集团公司基础工程科技应用中心《桩基低应变动力检测报告》表明：桩身混凝土强度等级达到设计C20要求。实测各桩桩身完整，为A类桩。
3）静载荷试验：对单桩承载力进行检测，检测数量为三根桩。中铁大桥局集团第二工程有限公司五分公司《基桩静荷载试验报告》表明，7.8m管桩竖向极限承载力大于600kN，满足设计要求。

现场测试
在桩基实施过程中，进行了现场埋设仪器和测试研究，结论如下：
1）桩周地表土的位移。从实测资料可以看出，在沉桩过程中对于地表土体的挤密近于指数形式的衰减。在距桩心2.5m处桩周土的位移量均小于2mm，说明本次设计的桩间距是合理的。
2）沉桩过程土压力的变化。从距沉桩中心3m处实测资料中反映出的特点大致为：在单桩沉入时，且无相邻桩的存在的情况下，沉桩的挤土压力在上部5m范围内近于一致的，下部由于土质较硬挤土作用明显，因此，在5m以下土压力要高于上部压力。随着沉桩深度的变化，下部土压力也随之上升。打桩结束后，桩周土压力随时间不断地减小，这一点与已有的观点是一致的，即应力松弛现象。由于已经存在的桩对桩周土体已经挤密，因此，在打入相邻桩时，对在已成桩的边缘产生较大的挤压应力，其应力变化特点为随沉桩深度的加深有增加的趋势，但增量有限。沿径向土压力也是衰减的。从后期提供的低应变检测报告中反映，本工程设计的桩间距是合理的，并未发生侧向挤压导致的挤压破坏现象。
3）孔隙水压力变化特征。孔隙水压力随沉桩深度逐渐增加，但增加至一定值后，孔压将不再增加。距离沉入桩越近孔压升的越高。本次预埋的孔隙水压力计距沉桩边最近的为0.5m，在该处孔压升高到近30kPa，是距桩边3m处孔压的3倍。本场地为亚粘土孔压消散也很快。
4）沉桩引起的桩周土不同深度的水平位移。沉桩的挤土作用导致桩周土发生径向位移，从实测结果分析可知，在距桩边1m处挤压水平位移很大，最大可达30mm以上，距桩边2m处水平位移明显减小，距桩边2.5~4.5m处水平位移很小。但无论是距桩心远近，每次检测会发现在2m深处水平位移偏低，可能是由于上部表层土经过碾压形成硬壳，在沉桩过程中硬壳下面的饱和回填土或软粘土产生变形所至。

8 结语
振动沉模现浇混凝土管桩技术吸收了预应力管和振动沉管桩等技术的优点。该管桩桩身强度高，直径大，有效加固深度可达30m以上，施工工艺简单，可操作性强，便于质量控制、监督，单桩承载力高而造价又相对较低。振动沉模大直径现浇管桩复合地基新技术具有承载力提高幅度可调范围大、变形模量高、桩体质量及耐久性有保障等特点，且有效地降低了基础处理成本，提供了提高地基承载力、控制地基变形的一种极为有效的方式。振动沉模大直径现浇管桩是软土地区的优质高效桩，具有较大的应用推广价值，其施工设备和工艺还有待于在实践中改进和完善。

【参考文献】
1 地基处理手册编写委员会，地基处理手册，中国建筑工业出版社，2000
2 龚晓南，复合地基，浙江大学出版社，1992
3 桩基工程手册编写委员会，桩基工程手册，中国建筑工业出版社，1995
4 钱家欢，土力学，河海大学出版社，1995，p78
5 刘汉龙，马晓辉等，振动沉模大直径现浇管桩设备开发和技术研究，河海大学科学研究报告，2001.6