《武汉工程大学学报》  2021年06期 664-669   出版日期：2021-12-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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加芯搅拌桩芯桩定位限垂技术的研发与应用


加芯搅拌桩是一种由水泥土搅拌桩和预制芯桩组成的复合桩，在水泥土搅拌桩固结前贯入预制芯桩，将两者有机结合为一体［1］。加芯搅拌桩综合了混凝土预制桩和水泥土搅拌桩的优点，既能充分发挥芯桩强度高的优点，又可充分利用水泥土搅拌桩较高的侧摩阻力，有效提高桩体承载性能［2-3］。其桩身强度和承载力较搅拌桩可提高2~10倍，较同直径钻孔桩可提高30%以上［4］。并且，具有成桩速度较快、造价低廉、成桩质量高和无污染等优点，是一种极具开发前景的新型桩［5］。近年来，随着工程建设对软土地基承载力和沉降要求的不断提高，加芯搅拌桩受到工程界的广泛关注，已成为软基加固的重要方法［6-8］。伴随着加芯搅拌桩应用的日渐广泛，国内学者对其施工工艺及质量控制等方面的研究也日益兴起。赵欣［9］和傅国强［10］等在污水处理厂桩基工程中对单轴搅拌桩桩架进行机械改造，将加芯搅拌桩的打设深度增长至42.5 m，并提炼出一套超高密度加芯搅拌桩的群桩施工工艺。陈佐林［11］为提高铁路车站软土桩基的施工质量，在多向加芯搅拌桩施工中提出“一喷四搅”施工工艺和一套有效的质量控制方法。商志清［12］对12根试桩开展工艺试验研究，确定了水利工程中加芯搅拌桩的四搅二喷湿喷成桩工艺。上述研究促进了加芯搅拌桩施工技术的日益成熟，但在施工条件日趋多样化的背景下，设备研发和施工技术创新仍是当前研究的热点和难点。加芯搅拌桩由于高强度芯桩的引入而呈双层扩散的荷载传递模式［13］，可有效改善荷载传递途径和深度［14］，实现复合材料桩高承载低沉降［15］的特性，芯桩就是加芯搅拌桩的核心。然而，工程实践中，芯桩的偏位和倾斜常有发生，造成加芯搅拌桩受力特性改变，进而影响桩体承载力的正常发挥。因此，芯桩贯入质量是加芯搅拌桩质量控制的关键，芯桩的定位限垂技术成了施工工艺研究重点和难点。本文结合新疆地区铁路配套设施桩基工程实际条件，对加芯搅拌桩的两种传统工法进行可行性分析后，基于现场试桩工艺试验，研发了一种简易化的芯桩贯入定位限垂挑臂装置，总结了一套较系统的加芯搅拌桩施工技术。并且，该技术首次成功应用于新疆地区23 450根桩基工程，桩基质量高、成桩速度快，可为今后同类工程施工提供参考。1　工程概况1.1　工程地质条件及地基处理技术莎车县火车西站铁路物流中心铁路专用线S1标北侧货物线场坪及通站道路工程位于喀什地区莎车县，属于重点扶贫攻坚工程——莎车县火车西站铁路物流中心铁路专用线工程的重要部分。项目处于叶尔羌河、提孜那甫河冲击平原区，河网水系、渠系发育。根据地质勘探资料，该区域内无基岩出露，地表沉积物以砂质-粘质土为主，覆盖层厚度大于50 m。地下水较丰富，主要为第四系孔隙水，赋存于覆盖层内。钻孔实测稳定水位一般埋深为0.3～2.2 m，最大埋深为3.8 m，高程为1 231.600～1 236.138 m，水量较大。该工程呈明显的厚层高含水量软土地质条件，应采用加芯搅拌桩进行地基处理。本项目基础采用23 450根水泥土加芯搅拌桩，芯桩采用钢筋混凝土预制桩。桩间距1.2 m，呈正三角形布置，桩径为0.5 m，桩长5~11.7 m，打入下卧层深度不小于0.5 m。单节芯桩采用顶截面为200 mm×200 mm，底截面为150 mm×150 mm倒四方棱台形；多节桩首节芯桩采用单节芯桩，其它节芯桩采用截面为150 mm×150 mm四方柱形，各节芯桩通过钢套筒硫磺胶泥连接。1.2　施工工艺及现有施工方法加芯搅拌桩施工大体上由前期水泥土搅拌外桩施工和后期压入芯桩施工两部分组成，如图1所示。施工流程如图2所示，具体为：测放桩位→桩位复核→水泥土搅拌桩机就位→水泥土搅拌桩施工→静压桩机就位（6 h内）→桩位复核→静压桩机压桩→成桩完毕→移至下一根施工。[水泥土搅拌外桩 贯入芯桩 成桩 ]图1　加芯搅拌桩施工示意Fig. 1　Construction schematic of cement soil cored mixing pile [施工准备][测量放样][钻机就位][喷浆搅拌下沉][喷浆提升搅拌][成桩][压入芯桩][钻机移位][芯桩预制][水泥浆制备]图2　加芯搅拌桩施工流程Fig. 2　Construction flow of cement soil cored mixing pile目前，根据机械配备的不同，加芯搅拌桩施工方法分为两类。1）压桩设备配合搅拌桩机作业法，如图3（a）所示。由搅拌桩机施工水泥土搅拌外桩后，采用压桩机或在挖掘机上增加压桩设备将预制芯桩压入水泥土搅拌桩，形成劲性复合桩。2）一体式加芯桩机作业法，如图3（b）所示。压桩设备安装在搅拌桩机上，水泥土搅拌桩施工成型后，将搅拌桩机移位，并将预制芯桩起吊送入导向支架，最后将芯桩缓慢压入搅拌桩桩体，形成劲性复合桩。前者需单独配置压桩设备，不仅投入成本高，而且施工空间大、速度慢、效率低，同时压桩过程中芯桩垂直度控制较差。后者施工简便且施工速度快、效率高，且压桩过程中芯桩垂直度易控制。[ b ][ a ]图3　两类加芯搅拌桩施工方法：（a）压桩设备配合搅拌桩机，（b）一体式加芯桩机Fig. 3　Two types of construction methods for cement soil cored mixing piles： （a） pile driver with pile-pressing equipment，（b） integrated pile driver1.3　现有工法可行性分析莎车县火车西站铁路物流中心铁路专用线S1标北侧货物线场坪及通站道路工程含约12 000 m2线场坪和2 km道路，于2020年9月开工，计划工期仅1年。工期紧，工程量大，且新疆地区缺乏劲性复合桩施工经验，23 450根加芯搅拌桩施工就成了整个项目的重点控制性工程。根据工程实际，表1从技术、设备和工期三方面对比分析了现有两种施工方法的可行性。表1　加芯搅拌桩两种传统施工方法优缺点比较Tab. 1　Comparison of two conventional construction methods of cement soil cored mixing piles[工法 技术 设备 工期 压桩设备配合搅拌桩机作业法 1.配备吊车作业半径大，但部分地基不稳定需加固；2.吊车施工无导向和定位装置，芯桩垂直度及定位精度控制难度大 机械配备简单，新疆地区有此类设备 施工进度较慢，无法按期完工 一体式加芯桩机作业法 施工机械集成度高，芯桩定位及垂直度可控 新疆地区无此类设备，需内地调配，且受疫情影响，专业化机械无法进场 施工进度较快 ]由表1分析可知，现有两种施工方法均无法满足本项目加芯搅拌桩的施工需求，施工机械成了影响施工进度和质量的关键。在施工机械设备受新冠疫情影响跨省调配受限的背景下，一体式加芯桩机作业法因施工设备无法购置而不可行，而压桩设备配合搅拌桩机作业法不仅施工进度慢，且芯桩定位及垂直度难以控制。因此，需结合两种工法优点，开发一套简易化的芯桩定位限垂技术，以保证芯桩贯入质量，保障加芯搅拌桩的快速、高质施工。2　加芯搅拌桩芯桩定位限垂挑臂设计与施工2.1　加芯搅拌桩芯桩定位限垂装置设计本项目搅拌桩机与桩位间距呈现等间距特征，在行进过程中搅拌桩机钻杆位置与桩位固定。因此，参考图4所示的一体式加芯桩机，提出一种定型导向架装置——定位限垂挑臂，固定桩机钻杆位置与桩位，使得芯桩位置与垂直度达到设计要求。[可调式天车][提桩索具][送桩器][开合式提桩器][芯桩][压桩平台][抗拔连杆][自锁夹具][芯桩起吊][芯桩压桩][芯桩现场存放][已完工多向搅拌加芯桩][多向搅拌桩完工后加入芯桩][加芯压桩与搅拌站同时作业][卷扬机][振动锤]图4　一体化加桩机示意Fig. 4　Schematic of integrated pile driver for cement soil cored mixing piles首先，分析定位限垂装置应具备的使用功能及组成方式，形成了如图5所示的加芯搅拌桩芯桩定位限垂挑臂研发方案。定位限垂装置的设计细节如下：1）导向架结构设计：搅拌桩机完成水泥土搅拌外桩施工后，行进至下一桩位。由于加芯搅拌桩的桩间距为1.2 m，钻杆至搅拌桩机水平方向边缘的距离为0.68 m，为固定钻杆位置与桩位，只需要将导向架长度控制在0.52 m，即为搅拌外桩的中心位置。为了保证芯桩垂直贯入，在导向架前沿将预制芯桩定位板焊接成90°槽口，使桩芯可沿着槽口垂直贯入，总体设计如图6所示。[简易导向架][桩心定位板]图6　芯桩定位限垂挑臂总体设计Fig. 6　Overall design of overhang for core pile locating and verticality limiting2）导向架材料设计：分析芯桩垂直度控制过程，设计导向架刚度。首先改变导向架材质和尺寸，模拟计算导向架在芯桩贯入过程的变形和受力。然后，从经济、安全及加工难度等多方面进行对比分析，确定导向架选用10 mm厚钢板焊接结构，以保证挑臂具有足够的刚度及垂直度。3）定位板结构设计：定位板尺寸是影响芯桩贯入质量的关键，尺寸不合理会导致芯桩偏移和倾斜。因此，结合实际工程芯桩尺寸及其贯入施工质量影响因素，设计不同尺寸的定位板，通过现场试桩工艺试验获取芯桩定位和倾斜数据，基于试验数据进行设计优化，确定定位板最优尺寸。并且，经现场验证，优化的定位板能满足芯桩定位和垂直度的精度要求。最终，定位限垂挑臂结构设计详图及立体图分别见图7和图8。2.2　芯桩贯入施工技术1）测量定位：混凝土芯桩贯入前，必须精确进行施工测量，将预制桩芯纵横向中心线用墨线标记出来，施工时根据芯桩中心线对位定位板工装檐口中心线。2）导向架定位：水泥搅拌桩机完成水泥土搅拌外桩施工后，行进到下一桩位，将钻杆与桩位位置固定，调整导向架定位板对准施工完毕的水泥土搅拌桩中心。3）芯桩贯入：芯桩应在水泥土搅拌外桩施工完成后及时贯入，宜控制在搅拌外桩施工完成后6 h以内。在钢板槽口安装与预制芯桩相同尺寸大小的套箍，槽口与钢板之间安装滑轮。施工开始后，启动振动器和钢丝绳加压系统，加压器及桩芯因自重沿着滑轮逐步下沉，桩芯端部位置接近地面时，重新复核桩位；然后启动加压设备振动沉桩，平稳连续不间断地加压芯桩，匀速压入至控制高程。沉桩时，芯桩居中，桩位偏差不应大于10 mm；且桩身应垂直，垂直度偏差不应超过0.5%。当桩芯垂直度出现偏差后，滑轮会矫正其垂直度，直至压至设计深度。单节桩应一次性连续沉桩到位，接桩、送桩应连续进行，中间停歇时间不应超过30 min。芯桩贯入施工现场如图9所示。图9　加芯搅拌桩芯桩贯入施工Fig. 9　Penetration construction of core pile in cement soil cored mixing piles3　加芯搅拌桩芯桩定位限垂技术应用研究为验证芯桩定位限垂挑臂及施工技术的实际效果，将其应用于莎车县火车西站铁路物流中心铁路专用线S1标北侧货物线场坪及通站道路桩基工程中。表2和表3分别列出了未采用和采用定位限垂技术的加芯搅拌桩的芯桩贯入质量统计数据，其中抽查未采用定位限垂技术施工的加芯搅拌桩5个区块，共200根，而采用定位限垂技术施工的加芯搅拌桩6个部位，共600根。表2　压桩设备配合搅拌桩机作业法施工芯桩贯入质量统计Tab. 2　Statistical data of penetration quality of core piles using pile driver with pile-pressing equipment[序号 检查区块 检查数量 不合格点 合格点垂直度≤0.5%，桩位偏差≤±10 mm 合格率 / % 垂直度＞0.5% 桩位偏差＞±10 mm 合计 1 CM1 40 5 6 11 29 72.5 2 CM2 40 5 4 9 31 77.5 3 CM3 40 4 6 10 30 75.0 4 CM4 40 5 7 12 28 70.0 5 CM5 40 4 3 7 33 82.5 合计 200 24 25 49 151 75.5 ]由表2和表3的统计数据可知，未采用定位限垂技术施工的加芯搅拌桩的芯桩贯入质量合格率偏低，5个抽检区块的合格率基本低于80.0%，最大为82.5%，而最低为70.0%。200根抽检桩中，有49根桩不合格，芯桩垂直度和桩位偏位不合格的桩数分别为24和25，总合格率为75.5%。采用定位限垂技术的加芯搅拌桩的芯桩贯入质量合格率得到显著提高，6个抽检区块的合格率均为96%和97%。600根抽检桩中，仅有20根桩不合格，芯桩垂直度和桩位偏位不合格的桩数均为10，总合格率为96.7%。因此，研发的加芯搅拌桩定位限垂技术可有效控制加芯搅拌桩的芯桩垂直度和桩位，大幅提升芯桩贯入质量。至2021年3月20日本项目已完成23 450根加芯搅拌桩的施工，比原计划工期提前了约30 d，且施工中未发生事故。其中，前期采用压桩设备配合搅拌桩机作业法施工加芯搅拌桩4 680根，工期约2个月；后期应用了研制的定位限垂挑臂装置后，施工桩基18 770根，工期约4个月。由此可见，与压桩设备配合搅拌桩机作业法相比，研发的加芯搅拌桩定位限垂技术可提升加芯搅拌桩施工效率约1倍，显著加快了施工进度。4　结　论本文以新疆莎车县火车西站铁路物流中心铁路专用线项目23 450根加芯搅拌桩为依托，研发了一套简易的加芯搅拌桩芯桩贯入定位限垂挑臂设备，并进行应用研究。1）现有的压桩设备配合搅拌桩机作业法和一体式加芯桩机作业法在新冠疫情期间新疆地区的搅拌桩施工均不可行，前者存在施工效率低及芯桩贯入质量控制难度大的弊端，而后者存在机械笨重及设备成本高的缺点。因此，研发一套简易化的芯桩贯入定位限垂技术是新疆地区深厚层软土地基处理的迫切之需，且契合国家“绿色发展、低碳环保”理念。2）为控制芯桩垂直度和定位精度，在分析加芯搅拌桩的施工工艺基础上，提出了采用“芯桩定位导向架”方案，利用现场试桩试验对导向架和定位板进行优化设计，形成一种简易化的加芯搅拌桩芯桩定位限垂挑臂装置和相应的加芯搅拌桩施工技术。3）研发的加芯搅拌桩定位限垂技术可有效控制芯桩的定位和垂直度，显著提升加芯搅拌桩的施工效率和施工质量，施工的桩基合格率平均值高达96.7%，且施工速率对传统的压桩设备配合搅拌桩机作业法提升了1倍。4）芯桩贯入定位限垂挑臂在本工程的应用，是新疆地区软基处理的首个成功案例，且形成了一系列的关键技术，可进一步提炼和总结，系统集成技术要点，在今后项目中继续推广运用，从而推动我国交通行业的发展进步，提高我国土木施工行业的技术水平。