复合成孔灌注桩技术工程应用研究_宋振亚.pdf

第 5 卷第 1 期 地 基 处 理 Vol.5 No.1 2023 年 1 月 Journal of Ground Improvement Jan.2023 复合成孔灌注桩技术工程应用研究 宋振亚1，张 浩1*，王 中1，周同和2（1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；2.郑州大学综合设计研究院有限公司，河南 郑州 450002）摘 要：湿陷性黄土地基处理时，受到扬尘、噪音等环境治理的影响，挤密（灰）土桩、夯实水泥土桩等常规处理方法的应用逐渐受到限制。针对基底下分布有限厚度湿陷性黄土的工况，提出一种上部静压挤土、下部长螺旋取土复合成孔的灌注桩技术，将挤土密实效应和竖向增强作用有效结合，应用于湿陷性黄土地基的复合地基加固或桩基础。较常规湿陷性地基处理方法相比，该技术有较好的质量保证，施工中不易发生缩孔、断桩等问题。工程实践与现场试验分析表明，该技术适用于处理基底以下一定厚度的湿陷性黄土地基，亦适用于受扬尘、噪音等环境治理限制条件下的湿陷性地基处理工程，可为类似场地地基处理方案提供参考。同时对挤密桩间距的设计方法进行了分析，提出目标干密度的概念并应用于挤密桩间距的确定。关键词：地基处理；湿陷性；复合成孔；灌注桩；桩间距；目标干密度 中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：20967195(2023)01004906 Application of cast-in-situ pile technology with combined hole-forming SONG Zhen-ya1,ZHANG Hao1*,WANG Zhong1,ZHOU Tong-he2(1.School of Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan,China;2.Zhengzhou University Comprehensive Design and Research Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,Henan,China)Abstract:In the treatment of collapsible loess ground,the application of conventional treatment methods such as compacted soil(or lime-soil)piles and rammed cement-soil piles is gradually restricted due to the impact of environmental such as fugitive dust and construction noise.A combined hole-forming cast-in-situ technology which combines compacting effect and vertical reinforcement effect was developed to treat the collapsible ground with limited thickness.The effective combination of the compaction effect of the soil and the vertical reinforcement is applied to the composite foundation reinforcement or pile foundation of the collapsible loess foundation.Compared with conventional collapsible foundation treatment methods,this technology has better quality assurance.Problems such as shrinkage holes and broken piles are not easy to occur during construction.The results of engineering application and field test show that this technology is suitable for the treatment of collapsible loess foundations with a certain thickness below the base,and also for the treatment of collapsible foundations under the constraints of environmental control such as dust and noise.This work can provide a reference for the foundation treatment scheme of similar sites.The design method of the pile spacing is also discussed.The concept of target dry density is proposed and applied to determine the spacing of compacted piles.Key words:ground improvement;collapsible;combined hole-forming;cast-in-situ pile;pile spacing;target dry density 0 引 言 湿陷性地基处理一直是岩土工程技术人员关注的难点和热点。目前，湿陷性黄土地基的处理途径主要有 3 个：土体加密、土体加固和荷载传递。其中，土体加密即在有效利用原地基的基础上，通过一些技术手段提高地基土的密实度，消除地基土的湿陷性并提高承载力，如强夯法、挤密（灰）土桩法、DDC 法等1-3。土体加固则是向地基中添加胶结性材料（如水泥、粉煤灰等）以起到增强土体整 收稿日期：2022-02-23 基金项目：国家自然科学基金项目（51608490）。作者简介：宋振亚（1999），男，河南新乡人，硕士研究生，从事地基基础工程方面的研究。E-mail:。*通信作者：张浩（1985），男，河南郑州人，博士，副教授，从事地基基础工程方面的研究。E-mail:。DOI:10.3785/j.issn.2096-7195.2023.01.007 50 地 基 处 理 2023年1月 体性，消除湿陷性的作用。荷载传递法是采用桩基础穿过湿陷性黄土层，将上部结构荷载直接传递至下部坚实的地基土层中，如钻孔（挖孔）灌注桩、夯扩灌注桩等4-5。虽然工程中采用素土、灰土等挤密桩和夯实水泥土桩等技术日益趋于成熟，但是受到扬尘、噪音等环境治理的影响，这些技术手段逐步受到限制。近年来，随着湿陷性黄土地基工程实践的深入，采用挤密（灰）土桩消除湿陷性后再设置刚性桩的多桩型复合地基，消除或部分消除湿陷性后再设置桩基的技术（如沉管挤土灌注桩、预制管桩 等）6-8，应用越来越广泛。前者采用多桩型的复合地基，虽然能充分发挥挤密桩和刚性桩的特点和优势，但施工中各工序的交互影响不可避免，且设计与质量控制更为复杂，扬尘等问题仍没有得到很好的解决；后者同样具有一定的局限性，主要表现在后续施工桩易对已完成灌注桩产生挤土效应而可能发生缩颈或断桩。据此，本文针对浅部有限厚度湿陷性地基提出一种上部湿陷性土层采用挤密成孔、下部非湿陷性土层采用长螺旋取土干作业复合成孔的灌注桩技术，即在设计的湿陷性土层处理深度范围内，采用静压桩机将圆形“铅笔状”钢管压入土中、拔出后形成桩孔，再用长螺旋钻机进行下部取土形成下部桩孔，而后进行后注浆灌注桩施工。该技术与传统沉管灌注桩、预制桩的施工不同，可以预先批量成孔后再浇筑混凝土桩，这样可有效避免后续桩的施工对已形成强度桩的损伤，且复合成孔灌注桩即可直接应用于桩基础，也可与桩间土形成刚性桩复合地基，应用前景更为广泛。1 复合成孔工艺原理 复合成孔工艺流程如图 1 所示。铅笔状钢筒长螺旋钻湿陷性土非湿陷性土 图 1 成孔工艺 Fig.1 Construction process 首先，采用静压机在设计桩位处进行沉管，为便于施工和起管，采用“铅笔状”钢筒；待钢筒沉管至上部湿陷性土层的下标高时，拔出沉管，采用长螺旋钻进行上部修孔和下部取土，直至桩长设计深度；拔出长螺旋钻杆，泵送桩身混凝土，插入钢筋笼及注浆管（可根据需要），形成灌注桩。根据工程需要，采用桩基形式或复合地基。该复合成孔灌注桩技术具有以下特点：（1）与传统沉管灌注桩、预制桩等相比，挤土效应可有效控制在湿陷性土层范围内，湿陷性土层以下成孔施工不会产生挤土作用，且由于混凝土灌注施工是在大面积成孔完成后进行的，因此不会发生后续桩施工对邻近已施工桩的挤断、偏位、上浮等现象，也不会形成大量空孔的卸荷造成桩侧阻力的降低问题。（2）灌注桩混凝土施工前，采用长螺旋对湿陷性土以下非湿陷性土层进行取土成孔，可以对已经形成的挤土孔进行修孔（依靠螺杆），因此不会发生桩径减小现象。（3）后注浆工艺弥补了因大量空孔卸荷引起的桩侧阻力的降低。（4）与土桩、灰土桩+CFG 二元桩复合地基比较，工序简单、施工速度较快、不产生扬尘、不产生振动噪音。2 工程应用实践 2.1 工程概况 郑州绿城翰林国际城位于荥阳市荥泽大道与汜河路交叉口西北角，由 13 栋地上 30 层，地下 1层建筑组成，采用钢筋混凝土剪力墙结构。场区总体平坦，局部地势略高，地貌单元属黄河冲洪积平原。现场勘探深度范围地层可分为 9 层，其中第层为第四系全新统冲积（Q4al+pl）而成的粉质黏土，层为第四系晚更新世冲积（Q3al+pl）而成的粉土、粉质黏土。场地土层具有湿陷性，各勘探孔自重湿陷量的计算值 zs均小于 70 mm，湿陷量计算值 s均小于 300 mm，湿陷等级为级轻微湿陷场地。根据工程设计，建筑基础位于第层黄土状粉土上，天然地基承载力特征值 160 kPa，地基处理原设计方案为灰土挤密桩+CFG 桩的多桩型方案，但是根据原设计方案进行施工时，因噪音太大，受到周边居民阻止而无法正常施工，因此地基处理变更为复合成孔后注浆灌注桩复合地基方案，设计桩径 第 1 期 宋振亚，等：复合成孔灌注桩技术工程应用研究 51 400 mm，桩间距 1.2 m，桩长 12.0 m。典型地质剖面如图 2 所示，各层地基土物理力学指标如表 1 所示。可以看出，桩身范围内上部 8 m 位于具有湿陷性的黄土状粉土层内，而下部 4 m 位于非湿陷性的粉质黏土层中，因此成桩施工时上部 8 m 采用静压挤土法成孔，下部 4 m 采用长螺旋干作业成孔，如图 3 所示。考虑到上部结构的承载要求，桩基采用后注浆灌注桩，即待成孔完成后，插入注浆管至孔 底原状土中一定深度，并在底部 0.5 m 高度范围填520 mm 级配碎石，以保护注浆孔防止堵塞。桩身采用商品混凝土泵送灌注施工，而后进行桩底后注浆成桩。图 2 典型地质剖面图 Fig.2 Typical geological profile （a）上部挤密成孔 （b）下部长螺旋干作业成孔 图 3 复合成孔施工 Fig.3 Combined hole-forming 2.2 现场湿陷性试验 为了揭示复合成孔灌注桩技术对局部湿陷性地基的加固效果，在工程现场开展试验研究。为便于对比分析将试验分为两组，分别布置在基础范围内和基础范围外，基础范围内 3 个区域，如图 4（a）所示，试验区域桩体采用梅花形布置。通过挖探采取土样进行室内压缩试验，压缩试验压力从 50 kPa 逐级加压至 500 kPa，以揭示各分级加荷下地基土的湿陷系数。湿陷性试验取样分别在试验区位置选取 12 个检测点进行，其中 6 个