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工科天工艺菀增层改造基础加固难题的实践

1工程概况
    位于浙江杭州的天工艺菀为地下一层。地上五层板-柱结构体系建筑,柱网尺寸9m×9m,采用夯扩柱基础(有效柱长约8m)。建筑物面积17600m2,该建筑物地处杭州市中心,地价房价都贵,业主决定在原结构上增加七层钢结构,增层后建筑总高度为49.9 m2。通过增层后基础荷载增加近90%,原有柱基承载力明显不足,另外出,由于原有柱采用浅部持力层((2)b层),综合考虑新旧柱的共同作用,新增桩10m的软土层,综合考虑新旧柱的共同作用,新增桩仍以摩阻为主,采用预应力混凝土管柱,控制最压桩≥1200Kn(桩尖进入(7)b层)。工程地质概况如下:
    该工程需在净空内静压施工ф400(壁厚95、分段长200,单根桩长约40m,压桩力1200kN)乖哈、钢筋混凝土管柱,由于浅部有厚达8-12m的砂质粉土层,无法直接压入钢筋混凝土管柱(强压会造成桩身压碎),基础加固遭遇的困难超出了参建方的预期,如何解决这一压桩难题?业主最终选择施工单位进行现场试压桩以确定先进、合理的施工方案和工艺,本文就比武实况进行简要介绍。
2试压桩方案实施情况
2.1技术难点
本工程采用锚干静压桩工艺对基础进行加固存在如下技术难点:
① 压桩超过150t时,桩端可能压碎;
② 压桩障碍土层为原结构夯扩桩持力层,压桩施工须减小地基扰动;
③ 需穿越厚达8~12m的砂质粉体层;
④ 地下室净空4m,地下室底板厚约1m,地板凿穿后,有地下水上冒。
2.2不成功(或不被采纳的)的方案
①钻孔植桩方案
    该方案采用地质钻机在桩位处引孔。钻穿障碍层,然后将状体植入。但由于多种因素影响,当桩压入3节(共6m)桩端压碎,压桩失败。
    分析原因有二:其一,钻孔未成型,由于粉砂层本身易沉淀、易坍孔,加之该层本为原有夯扩桩持力层。因而存在上部结构的附加应力,引孔造成应力集中,加剧了孔壁坍塌,坍塌下来的粉细砂很快恢复其强度,铁板一块,造成压桩困难;其二,插桩造成孔壁坍塌,由于钻孔垂直度和插桩垂直度暨南吻合,碰撞以及压桩刺入造成孔壁他坍塌,造成压桩困难。
此外,该方案容易使钻孔产生应力释放,筏板局部与土层脱空,削弱原有夯扩桩-筏板的承载性能,是本方案不被采纳的重要原因。
②降摩阻方案
    该方案是先直接压桩,遇阻后采用水枪沿桩管周壁下插冲水减小桩周阻力实现压入穿越障碍层。实践证明压桩过程异常艰难,桩最终被压入,可是该方案仍然不被采纳。原因说明如下:首先,桩压入的机理不是因为摩阻的减小,而是水枪扰动桩端土层,实现了压桩。
    其次,由于冲水减租效果甚微,要实现压桩就要反复下插冲水,由于桩冲水的排渣效应,桩周被掏空产生环状间隙,该间隙的产生,一则容易造成桩身偏斜,二则营造了应力释放空间,对结构存在不利隐患。
再次,桩外周的冲水,对桩周土层以及筏板底部局部土层产生扰动,对桩-阀体系基础的承载造成负面影响。
因而经综合研究,该方案不被采纳。
③特制桩尖强压方案
    考虑到压桩过程的桩土受力变化,桩压入时,桩侧为动摩阻,小于静摩阻;而桩端随着桩的刺入不断压密而强度增长。基于此项考虑,设计一种锤形钢桩尖,使桩在压入过程中,桩尖土以侧向挤密为主。一般认为,锤度设计为14度时比较理想,并现场加工投入使用,桩未能预期压入,分析原因主要为:压桩为快速刺入过程,端阻力状态下的实际阻力为勘察报告提供值的3倍以上时,压桩力就超度过了1500kN。此一尝试的最大收获就在于此。
2.3成功的方案
①湿搅隐性引孔+管内冲水消塞方案
    采用地质钻机带特制搅拌头,破坏桩位处ф400。障碍土层厚度范围土体结构从而大幅降低其强度和变形模量,实现在压桩力不超过1500kN的前提下管桩对该障碍土层的穿越。该方案实施的桩位处粉砂层厚度达18m,桩压入16m时阻力仍然很大(由于担心桩端压碎被淘汰出局,压桩力始终不敢超过1500kN),于是辅以管内冲水消除土塞压桩,一举成功,被首先确定为针对性的压桩工法。
湿搅隐性引孔+管内冲水消塞方案实施步骤:
(1) 该装工程勘察钻机使其适宜于在地下室限定高度作业;
具体为将机上钻杆加工成长2.5m左右,钻杆加工成1m长左右
(2) 加工带导正圈ф350湿搅钻头;
(3) 钻机就位(孔位偏差控制在20mm以内),采用ф350湿搅钻头边回转钻进适量加入粘土奖,直至穿过障碍土层(2号层),通过直接破坏搅动土体密实度,增大其含水量、孔隙比、粘粒含量,大幅度降低其强度;
(4) 回转提升钻具,压桩架就位开始按静压桩工艺压入ф400混凝土管桩。
(5) 同过特制的可与桩管内腔连通的垫座传递压桩力,实现压桩过程中的管内腔排泥,延长土塞形成时间;
(6) 压桩阻力接近限定值时,移去桩垫插入冲水管。移回桩垫边冲水消塞边压桩。
此一方案,由于考虑周全,全过程尽在掌握,一起呵成,得到各方认可。
方案特点:
(1) 由于不存在常规意义上的钻孔,所以不存在孔壁坍塌,降低了引孔施工过程中对地基基础的扰动,这一点对既有建筑物的地基基础加固非常重要,由于工期紧,当大量的桩短期集中施工时,控制施工过程中对地基基础扰动,避免结构内力重分布,有利于控制压桩施工对上部结构的不利影响;
(2) 由于对障碍土层进行了强力湿搅,原状土密实度、含水量、孔隙比都发生了有利强度降低的变化,土塞形成时间晚,因而无需障碍层全程冲水消塞,有利于环境保护。
②钢筒桩尖+管内吃冲水消塞方案
随着实践的深入,压桩阻力主要来自桩端,如何降低端阻成为考虑方案的切入点。于是改变桩尖形式,通过降低接触面积减小端阻,将压桩过程转变为环切障碍层的过程,当土塞形成后环切效应终止。因为钢筒桩尖+管内冲水消塞的方案浮出水面。通过对桩垫的设计,可以实现连续冲水压桩,由于该方案是管内冲水,并且冲水影响深度可以控制不超出桩尖,因为不利影响小,因而被采用。存在的不足是,几乎障碍层全过程冲水,地面粉砂堆积,地面清理工作量大,压桩效率也不高。
③大功率设备冲振压桩方案
通用的压桩设备是采用行程15cm的液压千斤顶及其配套高压油泵,由于受行程、油泵功率制约,难以行程冲振效应,液化桩端土层,因而,无法穿越障碍层。该方案为采用行程40cm的液化千斤顶配备功率达50kw的高压泵站,供油快捷,千斤顶动作快捷。压桩阻力过大时,通过调节油压阀,在限定压力下,反复冲压,借助桩的回弹,使桩上下串动形成振动效应,破坏桩尖土结构实现压桩,该方案的特点是,压桩快捷、施工场地千静。不足是,由于操控因素以及需要克服初期端阻,难以避免桩承受过载(存在桩端压碎现象)。
通过本次实践,谈几点体会:
① 压桩阻力不等于2倍桩的承载力
当是以克服端阻为主的压桩项目,在制定压桩方案时不能仅仅依据桩的设计承载力,简单按2倍桩的设计承载力(或计算承载力)配置压桩设备。针对本工程,若以2倍的承载力计算,压桩力达到2000kN时应能实现对障碍层的强力穿越,而实践证明不能,分析主要原因为三点:其一:相对于标准承载力指标,压桩是快速克服土层阻力的过程,而承载力指标值是在慢速维持荷载下的取值,因而压桩阻力和勘察报告上的极限端阻是不等同的;其二:压桩时,桩周土对桩产生的是动摩阻,因而说明压桩阻力大于极限端阻,一般动摩阻小于静摩阻,因而说明压桩阻力大于极限端阻;其三:压桩时,桩端土不断被挤密(粉砂层),端阻提高。
通过对比分析压桩资料,针对本工程的情况,压桩端阻为计算端阻的6~8倍。
② 既有建筑物的压桩资料,要兼顾原有结构的保护,避免补强过程中的消弱破坏效应,对结构的不利影响
由于加固过程不能有消弱因素、造成顾此失彼。因而,并不是能压入的方案都是可以接纳的。考虑到这一点,压桩方案被多次优化,湿搅隐性引孔+管内冲水消塞的方案在全面展开时,结合了钢筒桩尖的使用,提高压桩效率;大功率设备冲振压桩的方案在全面实施时,增加了桩头抱箍,保护桩头避免压碎。

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