黄土地质静压挤密桩施工工法

'黄土地质静压挤密桩施工工法中铁七局集团有限公司薛宁鸿谢军赵有岐李彩莲工法编号：TGBJGF-07-08-0241.前言郑西铁路客运专线ZXZQ01标DK24+300～DK25+119.92段挤密桩设计桩长14～15m，地基土分布有粘质黄土、粘质黄土含有姜石地层，柴油锤击成孔、冲击成孔和振动成孔等国内传统挤密桩机在此地层无法成孔至设计标高，施工过程中如何采取有效方法保证挤密桩桩长，同时避免塌孔、缩径、夹管、拔管困难等情况是一项需要解决的重大技术难题。2007年3月中铁七局三公司联合华北水力水电学院开展了科技创新，取得了“静压挤密桩施工技术应用”这一国内领先的新成果，于2007年通过中国中铁七局集团技术中心鉴定，获中国中铁七局集团局级工法，该技术在路基挤密桩施工过程中，取得了良好的经济效益与社会效益，在施工安全、质量、进度、经济等方面赢得了业主和社会各界的广泛好评，我们将此施工技术不断总结提高，逐步形成了本工法。2.工法特点相比于锤击沉管成孔、振动沉管成孔以及冲击成孔等传统挤密桩施工方法，静压挤密桩施工具有如下特点：2.0.1成孔深度大。静压挤密桩机是静压桩机经改制而成，在坚硬的粘质黄土（局部含有姜石）地层中，成孔深度能达到15m（15m 桩长挤密桩为目前国内设计之最）；而锤击沉管、振动沉管以及冲击成孔挤密桩机在本地层无法成此深孔。2.0.2施工过程中垂直度易控制。液压油缸驱动夹桩器夹紧桩管，压桩油缸驱使夹桩器沿槽钢导轨向下运动，入土时校正好桩管垂直度，压桩过程中能够保证桩身垂直度偏差小于验标1.5%的要求。2.0.3成孔速度快、质量好。在硬塑性粘质黄土（含姜石）地层中，每台设备每天可成孔1400米，且施工时对周围土体扰动较小，不易产生缩径、塌孔现象。2.0.4施工时振动轻、噪音低不扰民、不对环境造成污染，可昼夜连续作业。2.0.5桩机自身稳定性好，不易发生倾覆现象，安全性能可靠。2.0.6压桩力能自动记录或自动显示，实现信息化施工。2.0.7相比于锤击沉管成孔、振动沉管成孔以及冲击成孔等传统挤密桩施工方法，静压成孔成本费用偏高，但对比于相同地基处理效果的CFG桩及预制方桩而言，采用静压挤密桩投入费用大大减少。3.适用范围适用于粘质黄土以及硬塑性粘质黄土、且含有姜石等坚硬的土质地层施工。4.工艺原理应用液压静压挤密桩机的工作原理，由液压系统抱压经改造的桩管成孔，施工中消除了孔隙水真空负压作用和管身侧壁的竖向摩擦力，克服了缩径、塌孔、夹管、拔困难等现象，提高了施工工效和成孔质量。5.施工工艺及操作要点5.1（一）施工工艺流程见图5.1。5.2（二）工艺操作要点5.2.1静压挤密桩管改造 原设计桩管是用3cm钢板卷制而成桩径为φ500mm的圆管，桩长14～15m，桩管底部设圆锥形固定桩尖。施工时由于孔隙水压力和侧壁的竖向摩擦力的作用，容易造成缩径、塌孔、夹管、拔管困难等现象。后对桩管进行改进，管身采用φ400mm的定型钢管，在钢管底端部焊接一个圆台形的扩大桩帽，桩帽的水平面投影直径为φ500mm。桩帽端头设60°锥形活动桩尖以消除真空负压。改造后的桩管见图5.2.1所示。图5.1静压挤密桩施工工艺流程 图5.2.1改造后桩管图5.2.2施工技术参数确定通过工艺性试验，确定挤密桩施工最优工艺参数为：偏心轮夹杆式夯实机锤重不小于170kg，锤径为φ0.375m，锤底面积为1104.5cm2，落距0.5m，回填土每填7.5cm厚夯击5次；卷扬机提升式夯实机锤重不小于300kg，锤径为φ0.375m，锤底面积为1104.5cm2，落距2.5m，回填土每填15cm厚夯击6次。由现场试验得知，水泥土拌合料回填时的施工含水量略低于最优含水量时夯实效果最佳。根据施工时气温的不同可控制在14.5-15.5%之间，由现场测试调整确定。5.2.3施工作业准备（1）调查管线分布情况；核查工程水文地质；编制施工组织设计，制定相应的施工方法及工艺措施。（2）施工现场做到“三通一平”保证运输畅通、水电通；做好现场临时排水设施；机械设备、材料准备到位；施工人员技术培训、安全质量教育工作已完成；技术交底至作业班组。（3）桩位测量放线准确，并严格标识、编号。（4）在桩管上每0.5m设置醒目牢固的尺度标志。5.2.4桩机就位，桩身对中调直。桩机就位要求准确平稳。静压桩机安装调试后，行至桩位处， 使桩管中心（即桩机夹桩器钳口中心）与地面上标识的桩位基本对准，调平静压桩机，再次校核桩管中心无误后，将长步履（长船）落地受力。用静压桩机配置的16T吊车将桩管吊入夹桩器钳口，指挥员指挥司机缓慢将桩尖降到离地面10cm左右，液压油缸驱动夹桩器夹紧桩身，微调压桩机使桩尖对准桩位，将桩管压入土中0.5～1.0m，暂停下压，再次从桩的两个正交侧面校正桩身垂直度，当偏差小于1.5%时才可正式压桩。5.2.5压桩压桩采用由内向外、隔排隔行（纵横向间隔1孔）施工。施工时压桩油缸伸程、下压桩管至一行程（2.2米）→松开夹桩器、油缸回程、夹桩器上升→再次夹紧桩管、压下一个行程。如此反复进行，当桩管被压入标注的尺寸深度（即设计深度）时，便可终止下压。5.2.6拔桩为避免真空负压造成缩径、坍孔现象，在拔管前应停顿10秒钟左右，但不宜在土中搁置时间过长，以免摩阻力增大后拔出困难。拔管速度不宜过快，油缸每伸程（2.2m）控制在20-23s，每回程控制在38-42s。5.2.7拔管成孔后，由专人检查桩孔的质量，桩孔质量应符合下列要求：（1）纵横向桩位偏差不应大于50mm。（2）桩孔垂直度偏差不应大于1.5％。（3）桩孔的直径和深度应不小于设计值。5.2.8水泥土夯填⑴填料选配、拌和①从取土场选取黄土作为拌和用土，要求土颗粒粒径不大于10mm ，有机质含量小于5%。土料使用过程中，根据检验频率进行检验，确保土料符合设计要求。为保证水泥和黄土拌和均匀，提前将黄土用破碎机破碎，移动式过筛机过筛处理。水泥采用P.O.32.5级普通硅酸盐水泥。②水泥土配合比：水泥掺量为12%（水泥质量与干土的质量比），最优含水量为16.5%,最大干密度为1.76kg/cm3。③水泥土选用WBC-500型拌合机集中厂拌。要求拌合料色泽一致，无灰团、灰条、花面现象和大于10mm的土块，含水量达到规定的要求。当取土场内黄土天然含水量检测不小于14.5%、且不大于18.5%时，拌和时采取喷水方法微量调整混合料的含水量。控制的办法是根据每盘搅拌料的体积计算加水量，用搅拌机自动上水系统计量喷水；当取土场黄土的天然含水量检测明显低于最佳含水量时，必须先进行焖土。焖土提前7～10d进行，在存土场内分区存放黄土，根据土量及天然含水量，计算加水量。焖土后黄土的含水量宜较混合料最佳含水量高1%～2%。（2）机械夯实①每台压桩机配备2台偏心轮夹杆式夯实机和3台卷扬机提升式夯实机。深度在8m以内采用偏心轮夹杆式夯实机夯击。当回填深度大于8m时，采用卷扬机提升式夯实机分层夯填。②填夯施工成孔检查合格后进行孔底夯实、夯平，夯实次数不小于8击，当孔壁土坍落孔底时，可增加夯击数，直至听到浑厚击实响声为止。水泥土分层回填夯实，逐层用铁锹定量向桩孔内下料。卷扬机提升式夯锤每层虚铺厚度控制在15cm以内，落距不小于2.5m，夯击次数不低于6击；夹杆式夯锤每层虚铺厚度控制在7.5cm以内，落距不小于0.5m，夯击次数不低于5击。距孔口4m范围，为确保填料夯实密度，夹杆式夯锤的夯击次数不低于8击；卷扬机提升式夯锤夯实不得少于6击。5.2.9质量检查 施工质量检查的内容包括：桩位、桩孔、挤密效果和夯填质量等项，其中又以夯填质量的检查为重点。质量检查应根据规范要求在施工过程中进行分层控制检查和施工结束后质量监测评定检查，检查数据应作好记录以备查阅。（1）桩位检查主要检查桩孔的位置、间距及桩顶标高等是否与设计相符；同时检查有无漏桩情况并作出记录。（2）桩孔检查成孔结束后，应及时检查桩孔的直径、垂直度和深度是否在规定的容许偏差以内；检查桩孔有无缩径、塌孔及渗水等情况，如发现问题应作出记录并应将处理结果写入记录中。（3）夯填质量检查桩孔夯填的质量是保证地基处理技术效果的重要因素，因此它被列为施工质量检查的重点。一般采用带有长柄的专用小环刀在夯填过程中每隔2.0m取一个样进行检查，取样频率为总桩数的3‰。（4）挤密效果检查平均挤密系数、最小挤密系数是检测桩间土挤密效果的两个重要指标。平均挤密系数是在成孔挤密深度内，通过取样测定桩间土的平均干密度与其最大干密度的比值而获得。取样自桩顶向下2.0m起，每2.0m不少于2点（一组），即在桩孔外100mm处1点，桩孔之间的中心距（1/2处）1点；最小挤密系数是在成孔挤密深度内，通过A、B、C三个孔之间形心点部位取土样测定桩间土的最小干密度与其最大干密度的比值而获得。桩间土挤密效果检验取样点见图5.2.9。对桩间土的挤密效果检验，还应通过室内土工试验测试土的湿陷系数及压缩系数等力学指标，并据此判定桩间土的挤密效果。 图5.2.9桩间土挤密效果检验取样点（5）复合地基承载力检测采用现场载荷试验检测复合地基承载力，载荷试验堆载量依据预估极限荷载及置换率、承压板面积综合计算，分8级加载和4级卸载。承压板采用1.02m*1.02m方板，板底铺设50～150mm中粗砂找平层，试验坑底开挖至检测桩顶标高。采用手动油压千斤顶加载，工字钢搭设堆载平台，砂袋堆积提供反力。荷载值通过油压表测量，再由千斤顶的标定曲线换算给出。沉降则通过承压板两边对称架设的机械式百分表测量，所有百分表均用磁性表座固定于由脚手架钢管构成的基准梁上，基准梁在独立的基准桩上安装。5.3劳动力组织每套桩机两班24小时连续作业需配备人员如表5.3.1。劳动力组织表表5.3.1序号工作项目作业内容人数备注1管理现场负责1现场全面指挥及协调工作技术负责1现场主要技术负责工班长2负责工班日常事务质量检查2质量监督技术指导2技术指导、监督安全监督2负责现场安全工作 2测量施工测量2负责桩孔定位等测量工作3记录资料纪录2负责现场记录4机械维护机修修理1负责机械日常维修及保养工作5电力线路维护电工2负责用电管理及维修6成孔机械操作司机6成孔操作司机4人装载机司机2人7夯填夯实机操作、喂料20负责挤密桩填料夯填施工6.材料与设备静压挤密桩机及其配套设备见表6.0.1。机械设备表表6.0.1序号作业项目机械名称规格型号单位数量备注1成孔步履式全液压静压桩机YZY800T台1额定功率160KW，整体重量180T，配重620T，最大压桩力800T2夯填偏心轮夹杆式夯实机JHG-100台2电机功率5.5kw，夯击频率为40次/min卷扬机提升式夯实机THG-100台3电机功率5.5kw，夯击频率为10次/min3拌合稳定土拌和站WBC-500座1生产能力500T/h4运输装载机ZL18型台1手推车辆5自卸汽车斯太尔辆8最大载重能力为20.1T7.质量控制7.0.1施工前应先进行成桩试验，确定施工控制参数，并且每完成1000m3桩体施工或土质发生变化时，应重新做成桩试验。7.0.2对已成的桩孔应覆盖以防止土块、杂物落入，并应防止孔内灌水。 7.0.3所有的桩孔应及时回填夯实，如发现缩径、塌孔等情况，现场做好记录并及时处理。7.0.4应提前对对拌合机计量设备进行标定，并进行试拌施工。调整好出料口单位时间出料量，使进入拌设备内的各种材料符合质量要求，按施工配比投料，并且做到出料口单位时间出料量与标定时基本一致，无出料口堵塞等不正常情况。7.0.5在拌和填料前，对土料含水量进行测定，雨季施工时，素土含水量偏高，应进行晾晒处理。7.0.6水泥掺量控制。在素土料斗上设专人进行观察，采用人工或振动器振动等办法防止下料口堵塞。定时对水泥下料速度进行检查，发现异常及时查找原因并处理。7.0.7拌合好的混合料宜采用大吨位自卸车运输，运送途中及卸料现场应加以覆盖以减少水分损失；卸料地点距孔口控制在0.5m左右为宜，卸料后尽量减少土料翻倒次数；超过3.5小时的水泥土则严禁使用。7.0.8设专人监督回填夯实的质量。控制厚度并详细记录压桩时间、压桩力、出现的问题和处理方法。8.安全措施8.0.1压桩前应对现场的土层、地质情况了解清楚，同时进行地上地下管线、古墓、文物等的详细调查，并进行标识，施工中设专职安全员进行监督保护。8.0.2现场施工、操作人员必须经技术安全培训后持证上岗，严禁无证操作。8.0.3施工中加强对机械设备定期检查、养护、维修工作，杜绝机械带病作业。 8.0.4工作前机械操作人员检查电动机及其他电器绝缘情况、施工过程中经常检查机械运转情况、钢丝绳磨损情况、卡扣的紧固程度以及转向装置的灵活性，以防止发生安全事故。8.0.5压桩机行驶的地基应有足够的承载能力，并保持平正。压入送桩器时应保持压桩机垂直压入。压桩机应根据土质情况配足额定重量。8.0.6成孔后做好孔口防护，防止人或异物坠入。9．环境保护措施9.0.1与水泥接触的工作人员，需穿戴防护工作服。9.0.2施工便道、施工现场要经常洒水避免扬尘。9.0.3夜间施工灯光集中照射，避免灯光扰民。9.0.4对周围建筑物进行现状调查，施工中对周围建筑物的影响程度进行监测并记录。9.0.5填料堆放、运输应覆盖并防止运输途中遗洒。10．效益分析静压挤密桩施工安全，质量可靠，进度快，投入成本低。DK24+300～DK25+119.92段设计有挤密桩延米，采用静压挤密桩施工，需要投入成本1708万元。若采用相同处理效果的CFG桩进行地基处理需投入成本2728万元；若采用预制方桩进行地基处理需要投入成本4888万元，与相同处理效果的CFG桩及预制方桩施工相比，静压挤密桩分别节省成本投入37.4%和65.1%，经济效益十分显著，具有广泛的应用前景。11．应用实例由中铁七局三公司施工的郑西客运专线ZXZQ01标荥阳段起止里程为DK19+942.88～DK25+119.92，线路长5.2Km（长链24.43m ），路基基底采用挤密桩进行处理。由于DK24+300～DK25+119.92地段地质情况自上而下为粉质黄土、粘质黄土以及粘质黄土含有姜石，地层条件十分坚硬，施工时采用静力压桩机抱压桩管成孔，工程于2006年10月正式施工，于2007年2月初完成，共成桩40225根，计延米（其中14m桩有34337根，计延米，15m桩有5888根，计88320延米），复合地基承载力检验全部合格，施工安全、质量、进度取得较良好的效果。'