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芯柱嵌岩桩设计与施工问题分析

2019/09/05 阅读:

摘要:嵌岩桩作为一种比较特殊的桩基础形式,其施工工艺控制要求对嵌岩桩设计至关重要。结合工程实例经验,针对预制型芯柱嵌岩桩设计与施工过程中关于选取预制桩斜率、控制终锤贯入度、规定孔内沉渣厚度要求、确定泥浆指标等问题,通过列举分析工程实例、试算轴向承载力及分析规范计算公式,得出了预制型嵌岩桩设计过程中关键参数的取值注意要点及建议值,此外还给出了施工常见问题及处理措施。

关键词:嵌岩桩;斜率;贯入度;沉渣厚度

嵌岩桩包括灌注型嵌岩桩、灌注型锚杆嵌岩桩、预制型植入嵌岩桩、预制型芯柱嵌岩桩、预制型锚杆嵌岩桩或组合式嵌岩桩等。嵌岩桩具有单桩承载力高、沉降小、施工工艺相对复杂等特点,嵌岩桩广泛应用在我国华南、东南沿海等基岩埋藏较浅区域的码头工程中,而其中又多以采用预制型芯柱嵌岩桩为桩基础的工程,当中不乏10万~30万吨级深水大码头工程。预制型芯柱嵌岩桩通过在预制桩空腔内对基岩钻孔,下放钢筋笼后通过灌注芯柱混凝土将上部预制桩与下部基岩进行锚固。预制桩可采用钢管桩或者混凝土管桩,笔者总结预制型芯柱嵌岩桩的码头工程经验,提出预制型芯柱嵌岩桩在设计与施工方面除应考虑目前规范的要求外还应特别注意的几个关键问题:选取预制桩斜率、制定合适预制桩的终锤贯入度、规定孔内沉渣厚度、确定泥浆指标。

1选取预制桩斜率

预制桩斜率的选取应考虑结构计算要求、施工期稳桩要求、成孔方式(铝、冲)等因素综合确定。表1统计了我国华南、东南地区近10年来的部分较典型的嵌岩桩码头工程的预制桩斜率情况。预制型芯柱嵌岩桩见图1。从目前实施的工程案例来看,多数嵌岩桩工程的预制桩桩型斜率采用5.1或者更陡;部分覆盖层较厚、土性较好的嵌岩桩工程采用4.1或者3.5.1也有成功案例。但对于斜率采用3.5.1且采用冲击成孔项目,发现由于预制桩斜率较缓、冲击成孔效率低下,更容易出现卡锤现象,这点须引起设计者注意。

2控制预制桩终锤贯入度

与普通桩基通过增加桩基入土深度和桩端打入良好持力层来获得桩基轴向承载力不同,预制型芯柱嵌岩桩的桩基轴向承载力更多是通过锚固在基岩端的混凝土芯柱来提供结构所需要的轴向承载力。某工程预制型芯柱嵌岩桩入土情况见图2。分别按钢管桩打入强风化岩层0.5m或2.5m、中风化岩层内嵌岩段长度3m来计算钢管嵌岩桩抗压、抗拔承载力,计算结果见表2。从表2可以看出,预制型芯柱嵌岩桩绝大部分的轴向承载力都是由嵌岩芯柱来提供,因此上部预制桩打入部分的入土和入岩深度并非沉桩的主要控制要求。由于预制型芯柱嵌岩桩需要通过预制桩空腔在基岩内成孔后浇筑芯柱钢筋混凝土而成,如果预制桩出现桩底(尖)卷边、桩身变形等现象,会给后续的嵌岩成孔带来很大的施工难度,很可能影响嵌岩的质量,进而影响承载力。因此设计中对预制型芯柱嵌岩桩在预制桩的沉桩终锤贯入度控制标准中应考虑此重要因素,尤其在基岩埋藏较浅的区域,在满足稳桩、沉孔不塌孔的情况下宜比常规的打入桩适当放松,几个工程案例显示,终锤贯入度在8~10mm是较为合适的。

3规定孔内沉渣厚度

«码头结构设计规范»1中提供的嵌岩桩单桩轴向抗压承载力计算公式如下:式中:Qcd为嵌岩桩单桩轴向抗压承载力设计值(kN);U1和U2分别为覆盖层桩身周长(m)和嵌岩段桩身周长(m);ξfi为桩周第i层土的侧阻力计算系数;qfi为桩周第i层土的单位面积极限侧阻力标准值(kPa);li为桩穿过第i层的长度(m);γcs和γcR为抗力分项系数;ξs和ξp分别为嵌岩段侧阻力和端阻力计算系数;frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa);A为嵌岩段桩端面积。可见,公式中桩端的端阻力ξpfrkA是采用嵌入基岩的岩石饱和单轴抗压强度frk进行计算的。如果浇筑完芯柱混凝土后桩底还存留沉渣将会显著降低桩基承载力。«码头结构施工规范»2规定,浇筑芯柱混凝土前,孔底沉渣厚度满足设计要求且不大于50mm。根据嵌岩桩的承载力计算理论,笔者认为应要求芯柱混凝土浇筑后沉渣厚度为零,而不是仅对浇筑混凝土前的沉渣厚度做出规定;或者可规定通过嵌岩桩的典型施工来确定浇筑前的沉渣厚度,前提也是要求典型施工的成孔后沉渣厚度为零,这样典型施工后确定的芯柱混凝土浇筑前的沉渣厚度可作为设计对后续嵌岩桩施工的沉渣厚度控制要求。如后期检测过程中发现桩基出现沉渣厚度过大的情况,可通过对桩底进行高压注浆处理。

4确定泥浆指标

码头结构设计规范中提供的嵌岩桩单桩轴向抗拔承载力计算公式如下:式中:Qtd为嵌岩桩单桩轴向抗拔承载力设计值(kN);ξ′fi为第i层土的侧阻力抗拔折减系数;γts和γtr为抗力分项系数;ξs为嵌岩段侧阻力抗拔计算系数;G为桩重力(N);α为桩轴线与铅垂线夹角,其余参数含义见式(1)。从式(1)和(2)可以看出,嵌岩桩的单桩轴向抗压、抗拔承载力计算中,桩侧的摩阻力U2ξsfrkhr、U2ξ′sfrkhr也是采用嵌入基岩的岩石饱和单轴抗压强度frk进行计算的。如果施工过程中使用泥浆护壁进行成孔并且在浇筑芯柱混凝土时仍保留有一定的泥浆浓度,那么不可避免地会造成芯柱混凝土与成孔的基岩之间存在泥浆,泥浆作为“润滑剂”一样的存在将会削弱混凝土芯柱和基岩之间的连接强度,降低嵌岩桩的芯柱侧摩阻力。目前规范中对嵌岩桩的施工规定中对此项内容尚未有要求,建议设计时宜规定浇筑芯柱混凝土前应做到清水清孔。如有必要时也可辅助采用刷孔器对基岩孔内四周的泥浆进行刷除。

5嵌岩桩施工常见问题处理

嵌岩桩施工工艺流程较多,须经过预制桩沉桩、桩内成孔、钢筋笼下放、水下浇筑混凝土等工序,各道工序前后紧密联系,由于地质变化、机械设备、工人操作经验等原因容易出现钢管桩沉桩后变形、塌孔、卡钻、斜孔等影响施工进度和沉桩质量的问题,各个问题相应的处理方法建议见表3。

6结语

1)考虑到施工期稳桩、成孔效率等因素,建议嵌岩桩的上部预制桩设计斜率宜控制在4.1左右。2)由于嵌岩桩的轴向承载力主要是由嵌入基岩的混凝土芯柱提供,为确保预制桩沉桩时不发生卷边、变形,确保后续嵌岩芯柱的施工质量,建议预制桩的沉桩终锤贯入度采用8~10mm。3)为确保嵌岩桩轴向承载力符合设计,成孔后浇筑芯柱混凝土前宜清水清孔,成孔后的沉渣厚度宜为零。4)嵌岩桩施工工艺流程较多,施工质量易受地质情况、机械设备、施工经验等因素影响,建议做好施工方案研究。5)建议嵌岩桩设计时多考虑后续施工可能带来的影响,并在设计文件中有针对性地做出相关说明和要求。

参考文献:

1中交第一航务工程勘察设计院有限公司.码头结构设计规范JTS167—2018S.北京人民交通出版社2018.

2中交第四航务工程局有限公司.码头结构施工规范JTS215—2018S.北京人民交通出版社2018.

作者:杨克勤 单位:中交第四航务工程勘察设计院有限公司

芯柱嵌岩桩设计与施工问题分析

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