0前言

 

　　振动沉模薄壁管桩技术（下文简称现浇砼薄壁管桩）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沉入预定的设计深度，在腔体内灌注混凝土，之后振动拔管。环形域中土体与外部的土体之间便形成混凝土管桩。与传统的实心桩相比，具有以下优点：桩表面积大，单方混凝土承载力高，可大量节省混凝土，从而降低造价；由于采用振动沉模工艺及设备本身的优点及灌注混凝土方量的相应减少，施工速度较静压桩和钻孔灌注桩及一般的沉管灌注桩要快，成桩质量稳定；由于桩身表面积大，单桩承载力高，单桩影响面积大，加固范围大。

 

　　本文通过在A15-4标中现浇砼薄壁管桩的应用来充分验证其优点。

 

　　1现浇砼薄壁管桩技术介绍

 

　　1.1成桩设备

 

　　振动沉模大直径现浇薄壁管桩机具如图1所示。设备基本组成包括：①底盘（含卷扬机等）；②龙门支架；③振动头；④钢质内外套管沉模结构；⑤活瓣桩靴结构；⑥成模造浆器；⑦混凝土分流器。

 

　　1.2工作原理及成桩机理

 

　　现浇混凝土薄壁管桩的施工机械与振动沉管桩相近，但又有本质不同，其振动沉管由两层钢管组成，内管与外管直径相差20～30cm，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2），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。振动下沉时对桩侧土体排土作用较小，并形成环形腔体模板，现浇注入混凝土，振动提拔钢管，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。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。同时混凝土从环形腔体模板下注入环形槽孔内，从而形成沉管、浇注、振动提拔一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。该桩成桩机理为：

 

　　1.2.1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，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。

 

　　1.2.2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。

 

　　1.2.3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。

 

　　1.3主要性能指标

 

　　目前现有的施工机具的性能指标如下：

 

　　⑴沉桩深度达到20～25m。

 

　　⑵桩径为1000～1500mm。

 

　　⑶管桩壁厚100～150mm。

 

　　⑷混凝土可以多次加料。

 

　　⑸提升力达到30t，压桩力加上高频振动荷载达到100t。

 

　　2A15公路中现浇砼薄壁管桩应用

 

　　2.1工程概况

 

　　A15高速公路4标段的工程范围从K14+247.391～K17+650，全长3402.609m，工程穿越松江区，按双向六车道的断面实施，征地红线60m，里程由西向东逐渐递增。其中A30立交共双层10条匝道，设计行车时速120km/h。本立交是A15公路三大立交之一，是连接A30的重要枢纽。

 

　　根据工程及地质条件，A15高速公路存在的软土层为第③④⑤层软弱粘土，处理深度为10～18m。本工程薄壁管桩加固范围为WSK0+342～K0+394、ESK0+517～K0+569、ENK0+800～K0+862、DJK0+88～K0+140、FDK0+274～K0+324、FDK0+508～K0+560、SWK0+433～K0+485桥头段，长度约为372m，施工时间2009年3月到10月份。

 

　　2.2施工规范及依据

 

　　薄壁管桩用于软土地基公路路堤，目前尚未形成一套相应的设计、施工检测规范，在A15高速公路工程中参照现有的一些桩基及软基处理规范进行设计。

 

　　用于公路软土地基加固的薄壁管桩的直径、长度及间距的设计采用以桩体与桩周土形成刚性复合地基满足路基工后沉降要求为原则。

 

　　当时按照《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96）的规定，工后沉降控制标准为：一般路段≤30cm、过渡段≤20cm、桥头段≤10cm。

 

　　2.3现浇砼薄壁管桩施工

 

　　现浇砼薄壁管桩作为一种全新的软基处理方法，单方混凝土提供的承载力较大，壁厚相对较薄，因此必须对从材料进场到拔管移机等施工过程中的各个方面加强控制，通过相应的控制措施及施工工艺来保证其质量。

 

　　2.4质量检测方法

 

　　2.4.1小应变检测

 

　　低应变反射波法主要是根据桩的弹性波振动的时域曲线和频域曲线的表现特征，分析桩身混凝土质量及桩身完整性，对桩身质量作出评价，可检查出桩体有没有如裂缝，断裂，泥土流入，以及缩颈扩颈等桩体直径发生变化等缺陷。由于薄壁管桩不同于实心桩，因此动力检测时在桩顶应均匀对称测试四点，击发方式可采用尼龙棒、铁锤等方式，选择最佳击发与接收距离，采集测试波曲线。本工程低应变动测抽检比例为30%，从抽检结果分析无明显断桩现象，桩头完整且桩身完整，桩底反射较为明显，根据施工桩长判断，其平均波速在2600～3200m/s之间，基本与桩身混凝土强度相对应。

 

　　2.4.2现场开挖检测

 

　　为直观检验桩的成桩质量，将桩内壁内的土挖空置桩底，桩身内壁坚硬，无裂缝及明显变径点，桩身无渗水现象，桩长达到设计长度。

 

　　2.4.3静载荷试验

 

　　⑴试验桩选择

 

　　对桩长L=10m、12m、15m、18m各进行一组非破坏性单桩竖向抗压极限承载力静载荷试验。

 

　　⑵试验设备

 

　　为满足静载荷试验的要求，本次静载荷试验采用堆载平台作为反力装置，单桩静载荷堆载总重不应小于试桩所需最大荷载的1.2倍。堆载平台由工字钢梁组成，通过油压千斤顶加载，荷载由压力表控制，桩顶的沉降量采用四只长标距百分表测量。百分表通过磁性架固定在基准梁上。

 

　　⑶单桩静载荷试验结论

 

　　选择2号桩单桩静载荷试验数据如下：

 

　　该桩有效桩长12m，桩径1000mm。设计要求极限承载力560kN，在每级荷载作用下均正常达到规范稳定沉降标准时（取一小时的沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次），当试验加载至650kN时，并且沉降达到稳定时，累积沉降量达到12.35mm，卸载结束后剩余沉降量为4.28mm，回弹量占最终累积沉降量的65.3%。图6是2号桩的P-S曲线。

 

　　2号桩的单桩竖向极限承载力≥650kN。

 

　　其它3根桩均满足设计极限承载力要求。

 

　　2.5沉降观测

 

　　地表沉降板分别埋在路肩、路中心处，深层沉降板埋设在中轴线上。分别观测施工期桩顶表面沉降和桩间土表面沉降；观测桩间土分层沉降。

 

　　2.5.1仪器的布置及埋设

 

　　⑴在路中心桩头、桩周土位置各布置两块表面沉降板，路肩处布置若干表面沉降板测量；

 

　　⑵路中心埋设两个深层沉降管。

 

　　2.5.2监测方法

 

　　⑴表面沉降观测

 

　　表面沉降观测按四等水准要求进行测量，并定期校正基准点的高程，随着填土高度的增加应逐步将沉降观测标杆接长，同时要保证标杆顶部在路堤填土面下的深度不小于30cm；填土施工期每填一层土或2～3d应观测一次，预压期由每7天观测一次逐步过渡到每15d观测一次，沉降稳定之后每个月观测一次；现场监测结果及时整理分析，并绘制出各种曲线。

 

　　⑵分层沉降观测

 

　　观测仪器用分层沉降仪，分层沉降仪测头在沉降管中下移到达磁环位置时分层沉降仪会发出蜂鸣声，从悬挂测头的钢卷尺上可读出该磁环所在的深度，由水准仪测出沉降管管口的高程即可换算出磁环的标高，两次标高之差即为该观测期磁环的沉降量；分层沉降的观测频率同表面沉降。

 

　　2.5.3观测结果小结

 

　　⑴桩和桩间土存在着差异沉降，桩间土表面存在着一定量的压缩变形，桩间土沉降远大于桩顶的沉降，这部分差异变形在垫层及上部填土中逐渐平衡。

 

　　⑵薄壁管桩加固区桩间土压缩变形影响范围浅，沉降稳定快，路基稳定性高，加载30d后薄壁管桩加固区的沉降基本稳定。

 

　　3结论

 

　　根据薄壁管桩在A15四标公路中的应用，主要研究结论简要归纳如下：

 

　　⑴薄壁管桩是适合上海软土路基地基处理的有效方法。

 

　　⑵通过现场静载荷试验、低应变动测、加固效果长期观测等可以发现薄壁管桩具有如下优点：①加固效果好，质量可靠；可显著减少地基的总沉降和工后沉降，缩短工后沉降历时，限制软土的侧向变形，防止了路基失稳。②处理深度大。③施工效率高；每根桩的加固面积较大且无需预压。④施工质量易于保证。⑤质量检测简单快捷。