软土地基中灌注桩和地下墙的新技术开发及应用研究

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课题"软土地基中灌注桩和地下墙的新技术开发及应用研究"由上海市建设和管理委员会立项资助，包括三个子课题："上海软土地区桩端后注浆灌注桩的研究与应用"、"上海软土地区扩底抗拔灌注桩的研究与应用"及"预制地下连续墙技术的应用研究"。

一．上海软土地区桩端后注浆灌注桩的研究与应用

常规的泥浆护壁钻孔灌注桩的成桩质量离散性较大、施工质量得不到保证。"桩端后注浆灌注桩"子课题从承载机理与荷载传递规律、施工工艺、设计计算方法、检测方法、工程应用等方面系统地研究了在上海地区采用后注浆技术减小常规灌注桩成桩质量离散性、提高单桩竖向抗压承载力和减小变形的课题。

本研究的主要成果包括:

1. 通过大量工程实践，采用静载荷、高低应变、自平衡法等检测手段，对桩端后注浆钻孔灌注桩的承载与变形进行试验，全面深入分析了上海软土地区桩端后注浆钻孔灌注桩加固作用机理，桩身承载特性与荷载传递规律；

2. 结合二十余项工程实践，提出了物理意义明确、量纲匹配的桩端后注浆单桩合理注浆量的估算公式。建议了适合上海软土地区桩端后注浆桩的单桩承载力估算方法，该方法有足够的安全度保证，且计算参数人为影响小，可操作性好。

3. 通过施工施工技术研究和大量工程实践，针对施工设备、工艺流程、控制参数及质量控制等关键问题，初步形成了一套在上海地区行之有效的解决方案。研究出适合上海软土地区的新型桩端后注浆注浆器，大大提高注浆成功率；

4. 对后注浆灌注桩中承载力与变形测试、桩身侧摩阻力及桩端阻力量测，桩身质量及注浆效果检测等测试内容进行探讨与总结。提出了上海地区桩端后注浆灌注桩检测内容要求与检测方法。

5. 对上海地区桩端后注浆若干典型工程的设计、施工与检测结果进行全面分析与介绍，给工程人员提供了详尽的工程应用实例。

6. 系统地提出上海地区桩端后注浆钻孔灌注桩的作用机理、设计计算方法、施工工艺标准和检测建议。 课题组研发出适合上海软土地区的注浆器，注浆成功率达97%以上，其以相同的材料可提高承载力20%以上，还可以相应地减少基础造价、减少工期、减少泥浆的用量利于环保。后注浆灌注桩技术已在30余项高层、超高层建筑工程中得到成功应用，工程涉及高层住宅、商务办公楼、商贸休闲中心、学校、机场等，产生了良好的社会效益。

二．上海软土地区扩底抗拔灌注桩的研究与应用

传统的等截面抗拔桩，仅靠桩土间的侧摩阻力提供抗拔阻力，抗拔能力较差，并非最为理想。扩底桩通过改变桩身截面，以较小的桩身材料增加获取显著的承载力的提高，已成为桩基础发展的有效途径之一。课题组根据上海地区软土地基中扩底抗拔桩应用中所具有的中长桩、小扩展角度等诸多特点，采用现场足尺试验、数值模拟等手段研究了扩底桩的承载特性与机理，并通过工程实践提出了相应的施工工艺流程、设计计算理论与方法。

其主要创新成果包括：

1. 研发出适合软土地区且经济实用的"伞形"机械式扩孔钻头，该钻头工作原理明确、结构形式简洁，便于操作，造价低，利于推广使用；

2. 在上海软土地区，首次采用足尺对比试验研究扩底抗拔桩的承载与变形特性；

3. 基于直接约束处理的接触算法、库仑摩擦模型、抛物线型Mohr-Coulomb土体本构模型对扩底抗拔桩的上拔过程进行动态的非线性有限元模拟，并对土层参数、扩底长度、扩展角度、扩径倍数等影响因素进行敏感性分析。全面认识了软土地区扩底抗拔桩的承载机理与破坏特性。

4. 提出了"圆柱剪切面法"、"扩大系数法"、"旁压法"等多种扩底抗拔桩承载力计算方法供设计选用。

5. 首次建立了上海地区扩底桩的扩底型式，提出了相应的施工工艺流程、设计计算理论与方法，为软土地区提供了一种新的经济可靠的抗拔桩型。

6. 该扩底抗拔桩型，以较小的材料增加获取显著的承载力的提高，并在市重点工程中得到成功应用，表现出显著的经济效益和社会效益。 现场试验表明扩底抗拔桩以增加5%混凝土提高50%的承载力，表现出巨大的经济性。其大大减小了桩基的工程量，可节约材料，施工速度更快，减小泥浆用量与处理费用，更加环保，因此有着积极的社会效益。其已在瑞金医院、市重点工程上海铁路南站的地下车库中得到成功应用。随着地下空间的开发，当前由我院设计的多项地下工程拟采用该项技术。

三．预制地下连续墙技术的应用研究

与常规的现浇地下墙相比，预制地下墙具有节约材料、施工速度快、节省施工空间和工期的特点。"预制件地下连续墙"子课题旨在研发出在上海地区采用预制件地下墙的具体型式及相关的配套技术，为地下连续墙的应用开拓新的发展方向。

主要成果有：

1. 提出了在现有现浇地下墙采用常规泥浆成槽的基础上，插入预制构件形成预制地下墙的做法，并建立了相应的设计方法；

2. 提出了预制地下墙的两种形式：A.预制地下墙结合现浇接头技术；B.现浇地下墙结合预制槽段接头技术，并形成了一套相应的施工工艺；

3. 开发形成了充气胶囊芯模技术、预制地下墙承载力恢复技术、预制地下墙段空心截面入槽后永久抗渗处理技术、预制地下墙和预制接头连接节点等一系列预制地下墙的关键技术，提出了相关的施工流程和要点。 已在上海达安城、银冠大厦、泰兴商厦和明珠线多个地铁车站等工程得到应用。

随着高层建筑的开发与地下空间的利用，预制件地下墙将会有进一步的应用范围与推广前景。本研究为上海地区地下墙的应用开拓了一个新的发展方向。 在上述三项技术的推广应用中，本课题的研究成果可以以专利转让、技术咨询和完成单位继续应用等方式体现于工程建设中。本课题的成果还将为上述技术规程、规范的制定创造条件和打下基础，以规程、规范的型式推动这些技术的进一步发展与应用。