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客运专线高架车站灌注桩后压浆技术应用

2017/6/2 14:34:01 来源:本站 点击:

【摘  要】本文以大西铁路客运专线渭南北高架车站灌注桩后压浆施工为研究对象,对  灌注桩后压浆施工工艺提出了优化建议,同时对普通灌注桩基础及后压浆灌注桩基础整体工后沉降进行了对比分析研究。

【关键词】客运专线  高架车站  灌注桩  后压浆技术

引言:根据铁建设【2007】47号文规定,对于新建时速300-350 km客运铁路无砟轨道桥梁,其墩台基础工后沉降量不应超过20 mm,相邻墩台沉降量之差不应超过5 mm,而对于客运专线高架车站道岔区的基础沉降敏感的桥梁结构而言,采用“灌注桩后压浆技术”以有效控制工后沉降,而且沉降量比较稳定。由于后压浆后桩基的承载力增加,则桩长相应减短,减少了工程建设成本。因此改善桥梁结构受力无论是从施工技术角度还是从工程造价方面都是非常必要的。

1.灌注桩后压浆技术施工工程概况

大西铁路客运专线渭南北高架车站位于陕西省渭南市临渭区,与郑西客专渭南北车站并站设置,中心里程为DK809+838.37,长1.969 km。其中车站DK809+022.24~DK810+590.04(渭洛河特大桥1529-1575#墩)范围内采用后压浆技术施工钻孔灌注桩基础640根(桩径分1.25 m、1.5 m两种),平均桩长40.5 m。

场地范围内地质情况主要为第四系全新统冲积黏质黄土,土层厚度在2.3-10 m范围内,具Ⅰ级非自重湿陷性,其下为粉质黏土和中粗砂。地震动峰值加速度为0.25 g,地震动反应谱特征周期为0.42 s,建筑场地类别为Ⅲ类。

2.后压浆技术作用机理

2.1    后压浆作用机理

工程中常用的灌浆方法可分为渗透灌浆、压密灌浆和劈裂灌浆等三种类型,结合新渭南高架车站的地质特性,粗颗粒土所占份额小,采用压密灌浆法施工。

压密灌浆是用极稠的浆液通过灌浆管道强行挤向土体,在注浆点形成近似球形的浆泡,通过浆泡挤压邻近的土体,使土体压密并提高其应力。如下图所示。压密灌浆一旦在基土中形成浆泡体,其半径R随着灌浆压力Pg而增大,其间的定性关系如下图中的曲线Ⅰ所示。当浆泡的水平投影面积与灌浆压力的乘积(即上抬力)足以将上覆土层或桩体抬起时,灌浆压力不再升高,应停止灌浆。对于给定的上覆土层厚度或桩长而言,导致上抬所需的灌浆压力与浆泡半径或水平投影面积有关,两者之间的关系如图Ⅱ所示。桩愈长、上覆土层愈厚,则曲线Ⅱ愈向上移。曲线Ⅰ和Ⅱ的交点a所示对应的压力pa就是该注浆点的上抬压力。它随着上覆土层的厚度或桩的长度和地基土刚度的增加而增加,而地基土的刚度又与土的种类、密实度、含水量以及灌浆速率有关。

浆泡周围的土受到挤密作用,距浆泡愈远,则挤密程度愈小。如果土体为非饱和土,则挤密较明显;对于饱和土中,浆泡先引起超静孔隙水压力,待超静孔隙水压力消散后土的密度才会提高。对于饱和砂土,排水条件良好,压密灌浆也会引起超静孔隙水压力,但消散得很快。在这种情况下,尚应控制注浆速率,才能防止因超静孔隙水压力提高而引起的土体变形和失稳。此外,压密灌浆中的浆液总是挤向非均匀地基中的薄弱区域,从而使土体的变形性质均一化,这点也是压密灌浆的另一重要作用。

总体而言后压浆的作用机理是在桩体形成后,再由桩端和桩侧的预埋管压入水泥浆,通过浆液的挤密方式,消除泥浆护壁灌注桩的桩侧泥皮和桩底沉渣的固有缺陷,改善桩土界面,使桩周一定范围的土体得到加固,土体强度增加,增大桩侧摩阻力和端承力,从而大幅度提高单桩承载力和减少沉降。在砂中进行后压浆,被加固土体孔隙部分地为浆液充填,散粒被胶结,土体强度和刚度大幅度提高。当被加固体位于桩底时,桩端阻力因扩底效应而提高;当被加固体位于桩侧时,桩侧阻力因桩径扩大效应而增大,这就是充填效应。对粘性土、粉土进行后压浆,单一土体被加筋成复合土体,复合土体的强度变形性状由于加筋作用而大为改善。桩顶受荷后,桩侧、桩端的复合土体能有效地传递和分担荷载,从而提高总桩侧阻力和总桩端阻力,这就是加筋效应。

2.2    压密灌浆的范围

有资料表明,压密灌浆的合理范围与桩的长径比(L/D)、桩底土与桩周土的刚度比(Eb/Es)关系密切。桩底持力层为砂性土的灌浆桩计算分析结果表明,桩的长径比(L/D)、桩底土与桩周土的刚度比(Eb/Es)是影响钻孔灌注桩荷载传递的重要因素。长径比不同的钻孔灌注桩采用桩底灌浆工艺对桩的竖向荷载传递性质影响是不同的。对长径比为18的短桩,表现为桩端阻与桩侧阻共同承载的性质,桩底土与桩侧土刚度比值的增加是其中的重要因素,桩底支承面积的增大也是其中的一个原因。对长径比为57.8的钻孔灌注长桩而言,由于桩侧灌浆桩使桩侧摩阻增加,桩端阻末能充分发挥作用。实际上桩端阻率在减小。由此可知对于长桩承载力而言,桩侧灌浆的意义更大,但从控制变形的角度出发,桩底灌浆的效果更明显。新渭南高架车站桩基长度主要集中在40~50 m之间,桩径125、150 cm,长径比在30~50之间。渭南高架车站灌注桩基础后压浆技术采用桩底及桩侧密灌浆。

3.后压浆施工技术

3.1    后压浆施工工艺


3.2    后压浆工艺要求

大西铁路客运专线渭南高架车站后压浆技术采用桩底桩侧联合压浆方案。

桩侧压浆阀位置设置二道压浆管;桩底设置三道压浆管,其中两道为工作用管,一道备用。

压浆用水泥采用P.O32.5普通硅酸盐水泥;

压浆设备采用压浆泵及搅拌设备;

3.2.1    后压浆管件设置要求

压浆管件包括绑扎在钢筋笼上的压浆导管和安装在压浆导管下端的压浆阀。压浆管件必须按以下技术细节严格实施。

1)桩端、桩侧压浆阀均采用ZL94222930.4及ZL95207690.X产品。

2)压浆导管采用国标低压流体输送用焊接管:桩底压浆管外径∅25 mm,壁厚≮2.75 mm;桩侧压浆管外径∅20 mm,壁厚≮2.5 mm,原材料要符合国标要求。

3)压浆导管按压浆装置详图所示安装。设置要点如下:压浆导管上端均设有管螺纹、管箍及丝堵;桩端压浆导管下端设有螺纹及用以旋接桩端压浆阀的管箍;桩侧压浆导管下端设有螺纹及用以插接桩侧压浆阀的三通。

3.2.2    后压浆机械设备要求

后压浆机械设备包括压浆泵、水泥浆搅拌桶和连接压浆导管与压浆泵之间的高压软管。

1)压浆泵采用高压注浆泵,功率≮18 kW,。

2)压浆泵监控压力表为不低于2.5级16 MPa抗震压力表。

3)液浆搅拌机为与注浆泵相匹配的高速型液浆搅拌机,容积为≮0.32 m3,功率≮4 kW。

4)水泥浆液的输浆管采用高压流体泵送软管,额定压力不小于8 MPa。

3.2.3    后压浆技术要求

1)后压浆质量控制采用注浆量和注浆压力双控方法,以水泥注入量控制为主,泵送终止压力控制为辅。

2)水泥采用P.O 32.5水泥,注浆水灰比为0.55~0.75。

3)后压浆起始作业时间一般于基桩成桩2天以后即可进行,最短不能少于24 h。

4)桩侧压浆压力不宜小于1.0 MPa,桩底压浆压力不宜小于1.5 MPa。

具体施工控制如下:

a、水泥压入量达到预定值的70%,泵送压力超过设计终止压力时可停止压浆;

b、水泥压入量达到设计值的70%,泵送压力不足表中预定压力的70%时,应调小水灰比,继续压浆至满足预定压力;

c、若水泥浆从桩侧溢出,应调小水灰比,改间歇压浆至水泥量满足预定值。

3.3    后压浆施工方法

3.3.1    制作钢筋笼设置压浆导管

钢筋笼制作完成检验合格后,安装压浆导管,桩底压浆导管设置三道,均匀绑扎于加劲箍内侧(对于桩长大于40 m的桩,可利用声测管作桩端压浆管),与钢筋笼主筋靠紧绑扎,采用16号铅丝十字绑扎固定方法,固定绑扎点为每一道加劲箍处绑扎应牢固,绑扎点应均匀;桩侧压浆导管绑扎于螺旋箍筋外侧,绑扎点间距为1.5 m。

压浆导管的连接均采用套管焊接,焊接必需连续密闭,焊缝饱满均匀,不得有孔隙、砂眼(每个焊点应敲掉焊渣检查焊接质量,符合要求后才能进行下一到工序)。

压浆导管的上端应高于桩施工作业地坪上500 mm;桩端压浆导管下端口(不包括桩端压浆阀)距钢筋笼底端以下350 mm(注:钢筋笼最下一道加劲箍应调至纵筋底端之上400 mm处)。

安装桩侧三通接头前先用生胶带缠绕丝扣位置,确保桩侧压浆导管与三通接头丝扣连接紧密。

3.3.2    起吊沉放钢筋笼安装压浆阀

钢筋笼起吊采用三点起吊法,保证钢筋笼吊装不变形。对于空孔较深的情况,压浆管采取帮筋和箍圈等适当的加强措施,空孔段压浆管应预先焊接好,与钢筋笼一次起吊入孔。

钢筋笼起吊后入孔前旋接桩端压浆阀,钢筋笼入孔过程中插接桩侧压浆阀。桩端采用单向阀,桩侧采用环形阀。

钢筋笼入孔吊放过程中不得反复向下冲撞和扭动;钢筋笼必须沉放到底,严禁悬吊。桩灌注完毕孔口回填后,应插有明显的标识,加强保护,严禁车辆碾压及其它任何破坏未实施压浆的压浆导管。

3.3.3    灌注混凝土

灌注混凝同普通桩基,施工时注意灌注速度,严禁发生浮笼现象。

3.3.4配置水泥浆实施压浆

桩基全部完成达到一定强度以后进行基坑开挖,破除桩头后根据本工程地质情况及桩基设计参数,本工程钻孔灌注桩采用桩底、桩侧联合压浆。桩侧实施二道压浆,压浆阀设置位置为设计桩顶标高以下1/3和2/3桩长部位。桩底设置三道压浆管。在成桩后2-30天内,成桩检测合格后根据施工要求选择适当的时间进行现场注浆作业。

一切施工准备就绪后,对搅拌机、注浆泵等设备进行试运转的检查工作,以防过程中发生故障。另外,对注浆管路及高压阀等进行注水试验,以防出现漏水、漏浆现象。

做好注浆前注水疏通准备,以便检查整个后压浆系统是否处于正常工作状态。

3.3.5    制浆

液浆搅拌机选用与注浆泵相匹配的YJ-340型液浆搅拌机,容积为0.32 m3,功率4 kW。制浆时先在搅拌机内按比例加入适量水,依次加入水泥、膨胀剂、减水剂,比例为:水:水泥:膨胀剂:减水剂=1:2:0.1:0.01,配料允许偏差为+5%,搅拌时间不少于30 s。现场施工时根据地址水文情况及后压浆工艺进行适当调整,遵循先大后小原则,一般不宜超过0.4-0.9。

3.3.6    压浆

压浆泵采用3SNSA型高压注浆泵,功率18 kW;

注浆顺序为:先桩侧后桩端,先上层注浆后下层注浆,最后为桩底压浆。

3.3.7    异常情况处理

1)施工过程中若遇到压浆阀不能正常开启,可适当调高注浆泵压力,但最高压力不能超过10 MPa,用脉冲法冲通管路后正常注浆。

2)压浆阀全部堵塞不能实施压浆时,可在桩中心和桩周钻取引孔,重新安装压浆系统实施注浆。但必须注意不损伤桩基钢筋,以及按有关规范处理引孔。

3)若发现地面冒浆,应根据具体情况采用堵塞冒浆通道、调整水灰比、降低注浆压力、间歇压浆等方法进行处理。

4)压浆工作必须连续进行,若因故中断,应按以下原则进行处理:

a、尽可能缩短中断时间,尽早恢复压浆工作;

b、中断时间超过30 min时,应立即设法冲洗设备、管路等,以防浆液固化;

c、恢复压浆后,应先用大水灰比的浆液进行压浆,当管路及压力阀畅通后再恢复到正常的水灰比;

d、若注浆量较大,压浆压力较小,造成压浆工作难以结束时,应采取限流、间歇压浆、添加剂等方法进行处理;

e、若压浆管路堵塞,一般采用清水高压冲洗的方法进行处理。

4    后压浆技术施工效果对比

在已完工的渭南高架车站范围内梁下部结构(即采用后压浆技术灌注桩)与站外采用普通灌注桩基础梁下部结构沉降观测结果显示,前者明显优于后者,沉降量普遍较小。以紧邻的10个墩位为例,在地质条件(为细砂、中砂层层)、桩基础直径(1.25 m)、荷载(桩基上部结构墩柱、承台)一致的情况下,采用精密电子水准仪进行连续观测,对采取后压浆技术灌注桩与普通灌注桩3个月累计沉降量对比如下表:

表1 后压浆技术灌注桩与普通灌注桩累计沉降对比表

序号

项目

桩数(个)

平均桩长(m)

沉降观测值(mm)

备注

1

普通灌注桩部位

80

45.5

1.8


2

后压浆技术部位

80

39

1.2


从上表可以看出,各种条件一致的情况下,采用后压浆技术的灌注桩与普通灌注桩相比,后压浆技术灌注桩所发生沉降量仅为普通灌注桩基础的66.7%,而桩长则减少了52 m(以一个墩位计算),对于减少工后沉降,降低工程造价有重要意义。

5    结束语

不同的工程地质条件有很大的差异,可能有不同的压浆参数,预先设定的压浆参数往往参考相似工程的经验,压浆参数的最终确定要依赖于试验桩的结果,另外施工设备与工艺的优化也应引起重视,由于后压浆工艺在全国可以借鉴的经验并不多,有待进一步的积累,再加上理论的探讨,最终形成一个成熟的技术。灌注桩后压浆具有提高单桩承载力,提高生产率,节约建设成本的优点,所以,在具备条件的工程中推广后压浆施工工艺有着重要的意义。

参考文献:

1、阎立忠   泥浆护壁钻孔灌注桩后压浆施工技术[J]       桥梁建设

2、苏洪雯   大直径超长混凝土钻孔桩压浆技术的应用[J]   世界桥梁

3、吴汉斌   桩底压浆技术在帕克西桥梁的应用           世界桥梁

Abstract: This text is for the researchful object of the bored piles’ post-grounting construction of the Weinan North Elevated Railway Station on Datong-Xi’an passenger dedicated railway,and it puts forward optimum suggestions to the post-grounting techniques for bored piles, meanwhile,it carries out a comparative analytical study to the overall post-construction settlement control of the ordinary bored pile foundation and the post –grounting bored pile foundation.

Key words: passenger dedicated railway; elevated railway station; bored pile; post-grounting technique

                                                                                                                                                       (文辉 刘万河 郭振军)


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