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水利水电技术第4 2卷2 0 1 1 年第 7期 液压抓斗成孔灌注桩在楠溪江供水 工程中的应用 张永进 ,戴顺光 1 .浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州3 1 0 0 0 2 ;2 .楠溪江供水工程建设指挥部,浙江 温州 3 2 5 1 0 0 摘要 本文总结 了液压抓斗成孔灌注桩在楠 溪江供 水工程拦 河 闸地基处理 中的成功应 用,该 类 灌注桩具有施工效率高的优点 ,适用于要 求快速施 工的基础处理工程。在成孔工艺上 ,液压抓斗 成孔灌注桩与传统灌注桩有较大的 区别 ,桩底沉渣难 以清除。通过分析桩底沉渣对灌 注桩承栽 力 的影响,提 出了液压抓斗成孔灌注桩承栽力设计时需考虑桩底沉渣 的因素 ,桩底后 注浆是 消除桩 底沉渣影响的有效方法。 关键词液压抓斗;灌注桩 ;后注浆;楠溪江供水工程 中图分类号T U 7 5 3 . 3 2 5 5 文献标识码B 文章编号1 1 3 0 0 0 8 6 0 2 0 1 1 0 7 - 0 0 6 0 - 0 4 App l i c at i o n o f t e c hno l og y of h o l e f o r m a t i o n wi t h h y da u l i c g r a b e x c a v a t o r f o r c a s t - i n- s i t u pil e t o N a n x i j i a n g R i v e r Wa t e r S u p p l y P r o j e c t Z H A N G Y o n g j i n ,D A I S h u n g u a n g 1 . Z h e j i a n g D e s i g n I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c yH y d r o e l e c t ri c P o w e r , H a n g z h o u 3 1 0 0 0 2 , Z h e j i a n g ,C h i n a ; 2 . C o n s t r u c t i o n H e a d q u a r t e r s o f N a n x i j i a n g R i v e r Wa t e r S u p p l y P r o j e c t , We n z h o u 3 2 5 1 0 0 , Z h e j i a n g ,C h i n a Ab s t r a c t T h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f t e c h n o l o g y o f h o l e f o r ma t i o n wi t h h y d r a u l i c g r a b e x c a v a t o r f o r t h e c a s t - i n s i t e p i l e s t o t h e q u i c k c o n s t r u c t i o n o f t h e f o u n d a t i o n t r e a t me n t o f N a n x i j i a n g R i v e r Wa t e r S u p p l y P r o j e c t i s s u m ma ri z e d h e r e i n .T h i s k i n d o f c a s t i n -s i t u p i l e w i t h t h e h o l e -f o r m a t i o n ma d e b y h y d r a u l i c g r a b e x c a v a t o r h a s t h e me ri t s o f h i g h c o n s t ruc t i o n e f fi c i e n - c y a nd qui c k co n s t r uc t i o n f o r f o un da t i o n t r e a t me nt c o ns t ruc t i o n. S o f a r a s t h e ho l e- f o r ma t i o n t e c hn o l o gy i s c o nc e r ne d,t he h o l e - f o r ma t i o n ma d e b y g r a b e x c a v a t o r h a s a l a r g e r d i f f e r e n c e wi t h t h a t ma d e i n a c o n v e n t i o n a l wa y ;f o r w h i c h t h e r e s i d u e a t t h e b o t t o m o f t h e h o l e i s d i f f i c u l t t o b e c l e a n e d o u t . T h r o u g h t h e a n a l y s i s ma d e o n t h e i mp a c t f r o m t h e r e s i d u e o n t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e p i l e.i t i s p o i n t e d o u t t h a t t h e i mp a c t f la c t o r f r o m t h e r e s i d u e a t t h e h o l e b o t t o m mu s t b e c o n s i d e r e d d u ri n g t h e d e s i gn o f t hi s k i n d o f p i l e,a nd t h e n t h e p o s t g r o ut i ng o f the bo t t o m i s a n e f f e c t i v e me t h o d t o e l i mi na t e t h e i mpa c t f mm t he r e s i d u e c o n c e r n e d . Ke y w o r d s h y d r a u l i c g r a b e x c a v a t o r ;c a s t i n - s i t e p i l e ; p o s t gr o u t i n g ; N a n x i j i a n g Riv e r Wa t e r S u p p l y P r o j e c t 液压 抓 斗是 目前 地下 工程施 工 的常 用设 备之 一 ,广泛应用于市政 、水利工程 中,具有施工效率 高 、噪音小等优点 ,是地下连续墙 、基础 防渗墙施 工的首选施工设备之一 。楠溪江供水工程拦河 闸基 础位于海、陆相交互带的淤泥与砂卵砾石交互分布 的地层 上 ,为解决 闸 基沉 降变形 及快 速施 工 的难 题 ,拦河闸基础处理采用了液压抓斗成孔灌注桩技 术 。与传统的钻孔灌注桩相 比,液压抓斗成孔水 下 6 0 浇筑混凝 土灌注桩设计及应用有其独特的问题值得 关 注 。 1 工程概况 楠溪江供水工程位于浙江省永嘉县 、乐清市境 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 2 6 作者简介 张永进 】 9 7 2 一 ,男 ,安徽歙县人 ,高级工程师。 Wa te rRe s o u rc e s a n dnr d , ot En g i n e e r i n g V o 1 . 4 2 No . 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 内, Ⅱ等工程 ,设计 年供水 量为 3 . 7 2亿 m 。工程 由拦河闸枢纽 、输水系统等组成 。拦河 闸上游 集水 面积为 2 1 0 3 k m ,由 1 2 m1 4孔 泄洪闸 、5 m 2 孔调流闸、右岸 鱼道 、左岸 自由溢流段组成 ,水 闸 工作闸门采用升卧式平板钢 闸门,闸上水库正 常蓄 水位 为 9 . 0 m。 拦河闸闸址位于楠溪江感潮河道的末端,河道水 位受下游潮位的影响。河床地质情况为 1 表部为 人工堆积 卵石 主要为采砂弃料 和第 四系全新 统的冲洪积层 a l p l Q 砂卵砾石 ; 2 中部为第四 系全新统冲海积层 a l p 1 Q 淤泥层 ,其厚度为 0 . 2 ~ 2 . 5 m,层厚分布不均 ,埋深变化 较大,一般位 于 一 2 . 0~一 1 0 . 0 m高程附近; 3 下部为第四系上更新 统冲洪积层 a l p 1 Q 含 泥砂 砾卵石层 ,厚度 较大 , 下至基岩,砂卵石含量 7 5 % ~8 0 % ,砂含 量 1 5 %左 右,泥含量 5 % ~ 1 0 % ,土层承载力较大。闸基地层分 布见图 1 ,土层特性见表 1 。 基 \ 恒 上游连接板li 登 箨 墩 fll 修 门 槽 , 1 . ’ l lJ I l I 1 . 5 0 l 1 . ⋯f t 。 、 一 1 .0 “0 0 ■ 荔 i L 藤 弗 蔷 砂 砾 卵石 砂砾卵石 ’ .j j 氍 . .C E 圈疰 O . O , ’ 。 修 橼j 1 WO 混 辩 土 , 漕j 含泥砂砾卵石a l - p 8 , 。, / /, , -,7- 2 0 一 图 1 拦河闸基础处理剖面及地基土层分布 单位 i n 表 1 拦河 闸地基土层 物理力学特性 天然容重 含水率 压缩模 允许承 土层 分布性状 载力 / k N m- 3 , % 量/ MP a / k P a 厚层 ,分布上 砂 卵砾石层 2 1 2 5 3 o 0 表层 薄层变厚 ,多 淤泥 1 .6 4~1 . 7 2 5 1 . 7~ 6 3 1 . 7~ 2 . 2 7 0 层分布 含泥砂卵砾石 底部厚层分布 2 0 3 5 3 5 0 2闸底板桩基设计 2 . 1 闸基 处理 采用 液压 抓 斗成 孔 灌注 桩 的缘 由 楠溪江供水工程拦河闸处于复杂的海、陆相交互 地带 ,地基中分布有典型的砂砾层夹淤泥层的“ 三 明 水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1年第7期 张永进, 等∥液压抓斗成孔灌注桩在楠溪江供水工程中的应用 治” 层状地层 ,淤泥层的分布对工程的沉降变形及地 基的抗滑稳定均产生不利影响,需进行基础处理。 根据一般的处理原则 ,该水闸基础处理可采用开 挖置换 、水泥高压灌浆加 固淤泥层 、传统钻孔灌注桩 等措施 。综合分析上述处理措施得到以下结论 基础 开挖置换方案存在开挖深度大 、施工干扰大 ;由于淤 泥层上 、下面分布有透水性大的砂砾石层 ,经过现场 试验发现 ,水泥高压灌浆加固淤泥层的效果较差,只 能对灌浆孔周围约 2 0 c m的淤泥起到一定的水泥置换 作用 ,对淤泥层的加固效果很小,不宜采用;传统的 钻孔灌注桩 施工效率较低 ,无法 满足工程 的进度要 求。 受到以上诸多因素的限制 ,工程采用了成孔效率 较高的液压抓斗挖孑 L 、水下浇筑灌注桩的基础处理方 式。 2 . 2闸底板 桩 位布 置 水闸为 1 2 m 2孔一结构单元 ,底板平面尺寸为 1 6 m 顺水 流2 9 m 垂直水流 ,厚 2 . 5 m,利用 现有定型的液压抓斗成槽机 ,形成的桩体断面尺寸为 2 . 8 m 0 . 8 m。由于闸室底板与桩体截面同是长矩形 截面,桩体长边方向与闸室底板长边一致的布置方式 更为适合 。闸室底板 的桩位布置选择 了 2 0根桩体矩 形布置 、2 3根桩体梅花形布置进行对 比分析 ,以地 基 、桩体 、底板 、闸墩为分析体 ,通过三维有 限元模 拟分析得出如下结论 由于矩形布置的 2 O桩方案在 闸墩下布置数量较多,且分布对称 ,各桩受力均匀, 单桩最大荷载标准值较梅花形布置方案更小 ,最终选 用 2 0根桩 、矩形 布置的方案。闸室基础桩基布置见 图 2 水流 囱 一 c 2 5 钢 筋 混 凝 土 / / f L _. J i l l t 0 .8 x 2 . 8\ I w / 7 7 -/ 2琵 一 U - - i ,4 - - T / T U/- / A e T -/-/-/ W/ T lT i A e T-/ . 5 l 一 1 2 1 2 l l 2 l . 5 l 2 9 图 2闸室桩基布置 单位 IT I 2 . 3基桩长度计算 拦河闸基础采取桩基加固以减小工后沉降,要求 61 2 o 4 培邶 舶舶 r _ ● ● ●, 』 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张永进, 等∥液压抓斗成孔灌注桩在楠溪江供水工程中的应用 基桩必须穿透地基中的各淤泥层 ,桩端进人下部密实 的含泥砂砾卵石层中,获得足够的单桩承载力 ;同时 闸基桩体能够抵抗水平荷载 ,水平位移满足规范要 求 。 根据计算 ,闸基单桩最大竖直向荷载标准值 一 6 8 0 9 k N,平 均竖 向荷载标准值 5 3 2 4 k N, 根据 建筑桩基技术规范 J G J 9 4 --2 0 0 8 ,单桩竖 向承载力需满足N k 。 R、Ⅳ 1 . 2 R,其 中 R为 基桩竖向承载力特征值 。 由于水闸地基上部 1 0 m范围内存在淤泥层分布 , 闸底板下地基土在竖向荷载作用下存在一定的工后压 缩,为安全计不考虑桩基 的承台作用 ,则基桩竖向承 载力特征值 计算如下 , R ∑ g m 2 q A 1 厶 式中,g ; q 分别为桩 的极 限侧阻力标准值 、桩的 极限端阻力标准值 ; b 咖 分别为大直径桩侧阻力 、 端阻力尺寸效应系数 ; A 分别为桩体周长、桩端 面积。 通过计算 ,确定基桩桩长为 1 9 m,桩底深入含 泥砂卵石层不小于 4 m。 对基桩竖向承载力 的计算分析 ,基桩侧向摩阻 承载力 占中承载 力 的 6 0 %左 右 ,桩端 承载 力 占约 4 0 % ,属于典型的端 承摩擦桩 ,桩端承载力 贡献不 可忽视 。 2 . 4 桩体极 限侧阻力标准值 q s 、极 限端 阻力标准 值 q 础的选取 液压抓斗成孔水下浇筑灌注桩与传统冲击钻孔的 灌注桩 的成孔方式差别较大,桩基承载力计算时,桩 体极限侧阻力 q 极限端阻力 g 。 取值应注意以下问 题 。 首先,根据施工现场的成孔过程分析,由于抓斗 成孔缺乏常规 冲击成孔过程 中击碎 、击实颗粒 的过 程,孔壁塌孔是施工中遇到最主要的问题 ,且比一般 的冲击钻孔灌注桩严重一些 ,孔壁 的不平整度较大, 而且成孔时间较短 ,孔壁的泥浆围壁泥皮现象不明 显 。因 此 ,液 压抓 斗 成孔水下 灌注桩 的极 限桩侧 阻力 标准值按冲击钻孔灌注桩选取是合适的。 第二 ,一般 的泥浆 固壁钻孔灌 注桩施 工 中,在 终孔时有清渣 、降低泥浆浓度 以及控制孔 底沉渣厚 度的施工环节。对 于液压抓斗成孔桩 ,则要考虑孔 壁稳定 的因素 ,在终孔后一般不能显著 降低泥浆浓 度 ,给桩底清渣造成很大 的难度 。由于采用抓斗 出 渣的方法 ,在终孔时孔底的沉渣就是泥浆沉淀与被 抓松的土颗粒混合体 ,底渣厚度 比较难控制 ,这将 对桩端极限阻力产生很大 的影 响。文献 [ I ] 通过 数 值分析得到 ,桩底沉渣厚度 以及沉渣 的力学强度 对 桩端极限阻力影 响甚大 ,桩底沉渣厚度 小于 3 0 c m 时,沉渣厚度对桩体承载力影 响明显 ,当桩底沉 渣 厚度大于 3 0 c m时 ,沉渣 的力学强度对桩体 承载力 影响明显 。基于液 压抓斗灌注 桩施工 的实际情况 , 桩底沉渣往 往大于 3 0 c m,极 限桩端阻力 的取值应 较常规钻 孔灌 注桩 大 幅度 降低。为 提高 桩端 承 载 力 ,桩底可采取后 注浆处理进行加 固,加 固后按 常 规钻孔灌注桩进行桩端 极限阻力取值是可行 的。在 保证灌浆质量的情况下 ,桩端极 限阻力还可 以适 当 提高取值 。 第三 ,拦河闸基桩经过桩端注浆处理后 ,在基 桩承载力设计时 ,选取砂卵砾 石层极 限侧阻力标准 值 q 。 1 1 0 k P a ,桩底 含泥砂卵砾石极 限桩端阻力 标准值 g 。 2 2 0 0 k P a 。 2 . 5 桩 端后 注浆 桩端后注浆加固可 以有效地提高灌注桩的承载 力 ,具有 十分明显的经济性。文献 [ 2 ] 通过数 值计 算 ,分析得到注浆量 、注浆体强度 、桩土接触面特性 对桩体承载力影 响显著 ;文献 [ 3 ] 通 过试验对 比得 到 ,钻孔灌注桩进行桩端后注浆后 ,其承载力可增大 2 0 % 一1 2 0 %。而根据现行 的桩基设计规范可知,经 过桩端后注浆后 ,砂砾石地层 的桩端阻力可增大 2 . 4 ~ 4 . 0倍 ,土层 的侧阻力 增大 1 . 2~2 . 0倍 。本水 闸 桩端后注浆的主要 目的是 固结桩端以下的泥浆与松散 砂砾混合体 ,提高桩端极限承载力。 桩端后注浆从桩体内预埋设 的2根 D N 3 2 mm钢 管 中交替压人 ,埋管较 桩体钢筋 笼长 2 0 c m,钢管 与钢筋笼焊接固定 ,一并 沉入孔 内。钢管底端敲扁 留缝隙宽约 2 m m,钢管底部 4 0 c m范围内设置出浆 孔 ,孔径 2 i i l / n ,孔距 2 0 I n l n ,孔内放置一图钉作为逆 止阀,钢管下部 5 0 1 3 11 1 范围内利用橡胶带包扎密封。 桩体混凝土浇筑 2 4 h 后进行高压清水开塞,开塞 压力不大于 2 MP a 。设计注浆压力为 0 . 8~3 . 0/V / P a , 根据吸浆情况压力由小到大逐级如压,灌浆水灰 比取 0 . 7 111 。 单桩桩端注浆量 G 按规范推荐公式计算 G O t P d n d 2 式中,a 分 别 为桩 端桩 侧 注浆 系数 ,取 1 . 7 、 0 . 6 含泥砂卵砾石层 ;d为基桩设计直径 m ,矩 形桩折算成 圆桩直径为 1 . 6 8 m;n为桩侧注 浆断面 数 ,不考虑桩侧注浆 ,取 0 。 水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1 年第 7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 经计算 ,单桩注浆水泥量 G , 2 . 8 t 。 灌浆终止标准为 每桩端灌入水泥量达设计标准 2 . 8 t ,或每桩端 注入 水泥量达 到设 计标准 的 7 0 %, 灌浆压力 已超过 3 M P a ,且基本不再吸浆 。不满足上 述标准的 ,需在桩体内补打钻孔后埋管注浆。 根据水闸桩基注浆后桩底钻孑 L 情况表明 ,桩底 昆 凝土地面以下 4 0~ 8 0 c m范围内为水泥胶结 区,胶结 区以下砂砾密实 ,钻孔 回水为清水或淡黄泥水 ,说明 桩端水泥注浆固结达到预期效果。 3基础 处理效果 水闸基础采用液压抓斗成孔 、水下浇筑混凝土灌 注 ,单台抓斗机 日均施工灌 注桩 3根 ,施工进度 很 快 ,较常规冲击成孑 L 的施 工方案提高造孑 L 效率 1 0倍 以上,满足了工程施工工期的要求。 本水闸共施工基础桩 2 1 6根 ,经过桩 体整体 性 监测 ,1 类桩 占 7 2 % ,2类 桩 占 2 8 % ,桩体施工 质 量 良好。经过建设期 闸室变形监测 ,最大垂直位 移 为 3 . 5 mm,达到 了设计预期的基础处理 目标 。 4 液压抓斗成孔灌注桩应用条件 液压抓斗成孔灌注桩具有快速施工的特点 ,但在 设计应用中一般应考虑 以下条件 1 液压抓斗施工 占用空间较大,应用项 目的工作面需具有足够的施工 空间 ; 2 在松散地层 内,设计桩长不宜大于 2 0 m, 否则由于塌孔 的影响 ,钻孔效率将大大降低 ;反之, 张永进, 等∥液压抓斗成孔灌注桩在楠溪江供水5 - 程中的应用 在较密实的粘性土及含泥砂砾石中,可适应较长的桩 基施工 ; 3 由于桩底沉渣的影响 ,桩端承载力折减 明显 ,不适合嵌岩桩的施工。 5结语 1 液压抓斗成孑 L 水下混凝土灌注桩在楠溪江供 水工程中的应用,很好地解决了拦河闸复杂地基处理 问题 ,施工效率较传统工艺大为提高 ,能很好地满足 快速施工的要求 ,桩基质量可以保证和控制。这种桩 型对要求快速施工 的桩基础工程具有较好的推广价值。 2 由于抓孑 L 挖渣的施工工艺 ,桩底沉渣较难 清 除 ,桩端承载力较一般桩基明显降低 ;若需充分利用 桩端承载力 ,需对桩底进行后注浆处理。 3 地层特性 、设计桩长对液压抓斗成孔桩的施 工效率影响较大 ,在松散地层内 ,设计桩长不宜大于 2 0 m,在较密实的粘性土及含泥砂砾石中,可适应较 长的桩基施工。 参 考 文献 [ 1 ] 周 红波 .桩侧泥皮和桩底沉渣对钻孔桩承载力影 响的数值模拟 [ J ] .岩土学报 ,2 0 0 7 ,2 8 5 9 5 6 9 6 0 . [ 2] 黄吉龙 ,陈景剑 ,王建华 .桩端后注浆灌注桩竖向承载性 能的 数值分 析 [ J ] .上 海 交 通 大 学 学 报 ,2 0 0 6,4 0 1 2 2 1 2 2 2 】 2 5. [ 3 ] 廖 文葵 ,吴 志敏 ,范伟霞 ,等 .灌 注桩后注浆机理与承载力计 算 [ J ] .工程建设 ,2 0 0 7 ,3 9 1 1 0 1 3 . 责任编辑陈小敏 上接第 5 5页 定减震 目标 ,选择合理 的减震方法。在单一的减震方 法不能达到 目标时可以采用综合减震措施 ,确保 目标 结 构 的安全 。 本工程实例采用布置减震孔 、选择适 当的装药结 构、限制爆破最 大装药量 的综合减 震措施 ,效 果 明 显 ,为今后类似工程提供 了借鉴。 参考文献 [ 1 ] 卢文波 .新浇 筑基础混凝 土爆破 安全震动速 度的确 定[ J ] .爆 炸与冲击,2 0 0 2 ,2 2 4 3 2 7 - 3 3 2 . [ 2 ] 朱传 统 ,张正 宇,佟锦岳 ,等 .爆破对新浇混凝 土的影 响和控 制标准的研究 [ J ] .爆破 ,1 9 9 0 3 2 8 3 2 . [ 3 ] A l l e n J ,H u l s h i z e r .A c c e p t a b l e s h o c k a n d v i b r a t i o n l i mit s f o r f r e s h l y p l a c e d a n d m a t u ri n g c o n c r e t e [ J ] . A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ,1 9 9 6,9 3 6 5 2 4 5 3 3 . [ 4 ] C h a n g s u o Z h a n g ,F e n g Hu ,S t e v e Z o u .E f f e c t s o f b l a s t i n d u c e d v i b r a t i o n s o n t h e f r e s h c o n c r e t e l i n i n g o f a s h a f t 『 J ] .T u n n e l l in g a n d 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 7期 U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y ,2 0 0 5 2 0 3 5 6 - 3 6 1 . Na t e g h i R ,Ki a n y M ,Gh o l i p o u r i O. Co n t r o l n e g a t i v e e f f e c t s o f b i a s t i n g wa v e s o n c o n c r e t e o f t h e s t r u c t u r e s b y a n a l y z i n g o f p a r a me t e r s o f g r o u n d v i b r a t i o n [ J ] .T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o gy, 2 0 0 9 2 4 6 0 8 6 1 6 . 舒士霖 .钢筋混凝土结构 [ M] .杭州 浙江大学 出版社 ,2 0 0 3 1 8. 2 2 . 高鸣安 ,吴新霞 .新浇 大体积 混凝土 安全爆 破振 动控制 标准 [ J ] .人 民长江 ,1 9 9 8,2 9 4 1 2 1 3 . 陈明 ,卢文波 .爆炸应力波对新浇混凝土衬砌的影 响研究 [ J ] . 岩土力学 ,2 0 0 8 ,2 9 2 4 5 5 4 6 4 . 陈 明 .爆破振动对新 浇基础混凝土 的影响研究 [ D] .武汉 武 汉大学 ,2 0 0 3 . G B 6 7 2 2 --2 0 0 3,爆 破安全规程 [ S ] . L u c c a J .F r a n k . Ti g h t Co n s t r u c t i o n B l a s t i n gGr o u n d Vi b r a t i o n Ba s i c s ,Mo n i t o r i n g a n d P r e d i c t io n [ M] .T e r r a D y n a mic L L C .2 0 0 3 . 郭进平 ,聂兴 信 .新编爆破工 程实用技术大 全[ M] .北京 光 明日报出版社 ,2 0 0 2 7 9 2 8 2 8 . 责 任编 辑陈 小敏 6 3 ] j ] O l 2 _ _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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