预应力管桩桩网结构加固处理深厚软土地基施工工法.docx
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预应力管桩桩网结构加固处理深厚软土地基施工工法
预应力管桩“桩—网”结构加固处理深厚软土地基施工工法
2008年11月25日11:
48:
45作者：
chinapile
完成单位：
中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司
主要完成人：
蔡履沐黄玉仁郑军锋钱寅星陶秉环
预应力管桩“桩—网”结构加固处理深厚软土地基施工工法
2008年11月25日11:
48:
45作者：
chinapile
完成单位：
中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司
主要完成人：
蔡履沐黄玉仁郑军锋钱寅星陶秉环
1 前言
1.0.1 在全国首批建设的高速铁路—东南沿海时速为200km/h的客货共线铁路中，遇到路堤须填筑在典型的海积滩涂—溺谷相沉积淤泥层地基上，该淤泥层厚度深且具有含水量高、孔隙率高、压缩性高、强度低的特点，淤泥层多粘土、粗砂等夹层，下卧层横纵向起伏变化大。
1.0.2 由于新建速度为200km/h的客货共线铁路荷载大、运行速度高，故对路基的平顺性、工后沉降提出了很高要求。
在温福铁路25～48m深厚软土地基处理中，依据现行的处理方法已无法满足地基承载力和工后沉降的要求，铁道部和铁道第四勘察设计院决定在温福铁路首次采用预应力管桩“桩—网”结构加固处理25～48m深厚软土地基。
1.0.3 中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司根据设计要求在施工中借鉴和总结现有的软土地基处理方法，总结出一套预应力管桩“桩—网”结构加固处理25～48m深厚软土地基工法。
1.0.4 本工法在2005年温福铁路试验段加固深厚软土地基中首次应用，随后2006年分别在温福Ⅱ标霞浦车站和甬台温铁路工程建设中得到进一步推广和完善。
本工法获得中国铁道建筑总公司工法二等奖。
2 工法特点
2.0.1 本工法对路基的深厚软土地基加固提出了一种有效的处理方法。
2.0.2 本工法通过实施形成“桩—网”结构，使路基荷载通过“桩—网”结构传至下卧土层，满足地基承载力和工后沉降控制要求。
2.0.3 施工速度较其他类型桩快，工期能够得到保证。
2.0.4 工艺流程清楚，操作方便，施工安全易于控制。
2.0.5 在目前没有更有效的对路基的深厚软土地基进行加固方法的情况下，本工法相对桥梁方案造价低廉。
3 适用范围
本工法适用于公路、铁路路基持力层深度为25～48m的深厚软土地基的处理。
4 工艺原理
预应力管桩处理深厚软土地基的原理是：
在预应力管桩进入持力层后，通过桩顶浇筑的桩帽及桩帽上铺设一定厚度的褥垫层形成“桩—网”结构的复合地基，使上部荷载均匀传递到下卧土层，以满足地基承载力要求，有效控制工后沉降。
“桩—网”结构中的“网”为砂、碎石及双向土工格栅组成一定厚度的褥垫层，“桩”为预应力管桩。
“桩—网”结构如图4所示。
图4 “桩—网”结构原理示意图
1 预应力管桩 2 褥垫层 3 土工格栅 4 碎石垫层
5 中粗砂垫层 6 土工格栅 7 中粗砂垫层 8 碎石垫层
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程
“桩—网”结构加固软土地基施工工艺流程见图5.1。
5.2操作要点
5.2.1 施工准备
1 管桩起吊、运输、堆放
1）根据施工桩长、运输条件和工程地质情况对桩进行分节设计，初步拟定桩节长度为10～12m，首节为12m，其余节按施工桩长配桩。
2）管桩桩身混凝土达到放张强度脱模后即可水平吊运，蒸汽养护完24天小时后才能沉桩。
3）装卸时轻起轻放，严禁抛掷、碰撞、滚落，吊运过程保持平稳。
4）运输过程中，支点必须满足两点法的位置（支点距离桩端0.207L）处，并垫以楔形木，防止滚动，保证层与层间垫木与桩端的距离相等。
运输车辆底层设置垫枕，并保持同一平面。
5）堆放时，桩下垫木设置两道，支撑点的位置就在两点吊的吊点位置处，当重叠堆放时，各层均设置垫木，堆放层数不超过三层。
2 作业条件
1）施工场地达到“三通一平”，打桩范围内按设计铺设0.6～1.0m厚粒径不大于30cm的碎石土工作垫层。
2）做好场地清理和场地排水工作。
3 技术准备
1）通过试桩校验静压桩或打入桩设备的技术性能、工艺参数及其技术措施的适宜性，试桩不少于2根。
2）在桩身上画出以米为单位的长度标记，用于静压或打入桩时观察桩的入土深度。
5.2.2 预应力管桩施工
1 定位放样
1）根据设计图纸编制桩位编号及测量定位图。
2）沉桩前先放出定位轴线和控制点，并用约30～40cm长的小竹片桩定位每根桩的中心位置。
3）桩机移位后，应进行第二次核样，保证工程桩位放样偏差值小于10mm。
2 喂桩
1）为确保管桩进入持力层深度大于桩径的1.5倍，有效预防浮桩，喂桩前应按设计要求把钢桩尖焊在第一节管桩的下端板上。
2）将管桩吊起，喂入桩机内，然后对准桩位，将桩插入土中约1.0米至1.5米，校正桩身垂直度后，开始沉桩。
如果桩在刚入土过程中碰到地下障碍物，发生桩位偏差超出允许偏差范围时，必须及时将桩拔出进行重新插桩施工；如果桩入土较深而碰到地下障碍物，应及时通知有关单位，协商处理发生情况，以便施工顺利进行。
3 沉桩
沉桩时，用两台经纬仪交叉检查桩身垂直度。
待第一节桩入土一定深度且桩身稳定后，再按正常沉桩速度进行。
第一节桩端距地面1.0米左右时停止沉桩进行接桩，如此循环沉桩到持力层经监理工程师检查合格后才移至下根桩施工。
4 接桩
1）当管桩需要接长时，接头个数不宜超过3个且尽量避免桩尖落在厚黏性土层中接桩。
2）采用焊接接桩，其入土部分段的桩头宜高出0.5m～1.0m，吊上第二节桩，加上定位板，然后把第二节桩吊放在下段桩端板上，将上、下桩段接直。
上、下桩段的中心线偏差不大于5mm，节点弯曲矢高不得大于桩段的0.1%。
3）管桩对接前，上下端板表面应用钢丝刷清理干净，坡口处露出金属光泽。
对接后，若上下桩接触面不密实，可用不超过5mm的钢片嵌填，达到饱满为止，并点焊牢固。
4）三个电焊工在成120°角的方向同时施焊。
先在坡口圆周上对称点焊4～6点，待上下桩固定后再拆除导向箍再分层施焊。
每层焊接厚度应均匀，焊接层数不得少于三层，焊缝连续饱满。
采用普通交流焊机的手工焊接时，必须用电焊条打底，确保根部焊透，第二层方可用粗电焊条4mm～5mm施焊；采用自动及半自动保护焊机的，应按相应规程分层连续完成。
5）焊接时，必须将内层焊渣清理干净后再焊外一层。
坡口槽的电焊必须满焊，电焊厚度宜高出坡口1mm，焊缝必须饱满连续且应每层检查，不得有夹渣，气孔等缺陷。
焊接完成后，需自然冷却不少于3分钟并经监理工程师检查合格后才可进行打桩施工。
夏天施工温度较高，可采用鼓风机送风，加速冷却，严禁用水冷却或焊好即打。
6）当设计对桩接头有防腐要求时，对焊接好冷却后的接头进行防腐处理。
5 送、截桩
1）送桩：
根据设计配桩施工完后如未达到持力层，而邻桩持力层又不深时采用送桩。
送桩前在送桩器上以米为单位，并按从下至上的顺序标明长度，由打桩机主卷扬吊钩采用单点吊法将送桩器喂入桩帽。
送桩时在管桩顶部放置桩垫，厚薄均匀，将送桩器下套在桩顶上。
2）截桩：
管桩施打在满足停锤条件或终压标准后仍有一大截管桩外露时，应对该节实施截桩。
截桩采用专用切割机，边切割边浇水。
严禁在管桩没有完全切断时采用大锤敲断或桩机别断。
5.2.3 桩帽施工
桩帽是将褥垫层中的土压力传至桩身的重要构件，桩顶位于桩帽正中心并插入桩帽一定厚度。
桩帽施工时先按设计要求的桩帽尺寸及标高开挖到位后立桩帽四周侧模，绑扎钢筋，检验合格后进行混凝土浇筑和养护。
5.2.4 褥垫层施工
1 褥垫层施工工艺流程：
铺设碎石—铺设中粗砂—铺设双向土工格栅—铺设中粗砂—铺设碎石—夯实。
2 铺设褥垫层应在桩帽混凝土强度达到设计强度，经检验符合设计要求后进行，褥垫层厚度应符合设计要求，采用的级配碎石，粒径不得大于规范要求，填土前碾压采用小型打夯机进行压实，褥垫层的摊铺厚度应确保压实厚度不小于设计厚度。
3 土工格栅采用16#小铁丝绑扎搭接，横幅之间搭接宽度0.2m，纵幅搭接宽度2.0m。
4 铺土工格栅前先人工整平，铺设时理顺、拉直、绷紧土工格栅，不得有褶皱和破损。
6 材料与设备
6.1 材料要求
本工法所需材料如表6.1所示：
表6.1 材料表
序号
名称
规格
技术指标
1
预应力管桩
φ500mm
单桩承载力900KN
2
钢质送桩器
配套φ500mm管桩
3
焊条
J53.2mm型及E4303型
4
褥垫层碎石
粒径不大于3cm
5
土工格栅
抗击拉大于80KN/m；延伸率不大于15%
6.2 设备要求
表6.2-1 机具设备表
序号
设备名称
设备型号
单位
数量
用途
1
静力压桩机
YZY-500
台
1
预应力管桩施工
2
步履式打桩机
JZL50
台
1
预应力管桩施工
3
电焊机
BK1400F-2
台
1
接桩
4
吊机
QUY35
台
1
吊桩
5
挖掘机
WY60
台
1
桩帽施工
6
冲击夯机
CV800R
台
3
褥垫层施工
施工时按设计单桩承载力的要求选择适用的桩机及柴油锤。
YZY系列静力压桩机主要技术参数见表6.2-2，筒式柴油锤参数见表6.2-3。
表6.2-2 YZY系列静力压桩机主要技术参数表
单位
YZY-300
YZY-500
压入力
千牛
3000
5000
边桩距离
米
3.2
3.75
接地比压
大船
吨/米2
8.31
14.2
小船
吨/米2
9.15
17
压桩截面
方桩
最大
米
0.5×0.5
0.5×0.5
最小
米
0.2×0.2
0.2×0.2
圆桩
最大
米
Ф0.6
Ф0.6
最小
米
Ф0.2
Ф0.2
大身
横向行程一次
米
3
3
纵向行程一次
米
0.6
0.6
最大回转角
度
19
14
油泵
系统压力
兆帕
31.5
31.5
最大流量
升/分
130
200
表6.2-3 筒式柴油打桩锤技术参数表
柴油锤型号
40号～50号
60～62号
冲击总质量（t）
4.0
4.5
4.6
5.0
6.0
6.2
锤体总质量（t）
9.2～11.0
12.5～15
常用冲程（m）
1.8～3.2
1.9～3.6
适用管桩规格
Ø400
Ø500
Ø500
Ø550
Ø600
单桩竖向承载力设计值适用范围（Kn）
1300～2400
1800～3300
桩尖可进入的岩土层
强风化岩
强风化岩
常用控制贯入度（mm/10击）
20～50
20～50
7 质量控制
7.0.1 施工时应认真执行以下规范、标准：
1 《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）
2 《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》（铁建设[2005]160号）
3 《客运专线铁路路基工程施工技术指南》（TZ212）
4 《铁路混凝土工程施工技术指南》（TZ210）
5 《普通混凝土用碎石或卵石质量标准检验方法》（JGJ53）
7.0.2 现场应收时预应力管桩的外观质量验收标准见表7.0.2-1。
预应力管桩的尺寸允许偏差及检查方法应符合表7.0.2-2的规定。
表7.0.2-1 预应力管桩的外观质量表
项目
产品质量等级
优等品
一等品
合格品
粘皮和麻面
不
允
许
局部粘皮和麻面累计面积不大于桩身总计面积的0.2%；每处粘皮和麻面的深度不得大于5mm，且应修补。
局部粘皮和麻面累计面积不大于桩身总外表面积的0.5%；每处粘皮和麻面的深度不得大于10mm，且应修补。
桩身合缝
漏浆
不
允
许
漏浆深度不大于5mm。
每处漏浆长度不大于100mm，累计长度不大于管桩长度的5％，且应修补。
漏浆深度不大于10mm。
每处漏浆长度不大于300mm，累计长度不大于管桩长度的10％，或对漏浆的搭接长度不大于100mm，且应修补。
局部磕损
不
允
许
磕损深度不大于5mm,每处面积不大于20cm，且应修补。
磕损深度不大于10mm,每处面积不大于50cm，且应修补。
内外表面露筋
不允许
表面裂缝
不得出现环向或纵向裂缝，但龟裂、水纹及浮浆层裂纹不在此限。
端顶面平整度
管桩端面混凝土和预应力管桩的尺寸允许偏差及检查方法应符合表6.1.1-2的规定。
预应力钢筋镦头不得高出端板平面。
断筋、脱头
不允许
桩套箍凹陷
不允
许
凹陷深度不大于5mm。
凹陷深度不大于10mm。
内表面混凝土坍落
不允许
接头及桩套箍与桩身结合面
漏浆
不允许
漏浆深度不大于5mm，漏浆长度不大于周长的1/8，且应修补。
漏浆深度不大于5mm，漏浆长度不大于周长的1/4，且应修补。
空洞和蜂窝
不允许
表7.2-2 预应力管桩的尺寸允许偏差及检查方法
项目
允许偏差值
质检工具及量度方法
优等品
一等品
合格品
长度L
±0.3％L
+0.5%L/
-0.4%L
+0.7%L/
-0.5%L
采用钢卷尺
端部倾斜
≤0.3%D
≤0.4%D
≤0.5%D
用钢尺量
顶面平整度
10
将直角靠尺的一边紧靠桩身，另一边端板紧靠，测其最大间隙。
外
径D
≤600
+2/-2
+4/-2
+5/-4
用卡尺或钢尺在同一断面测定相互垂直的两直径，取其平均值
＞600
+3/-2
+3/-2
+7/-4
壁厚t
+10/0
+15/0
正偏差不计/0
用钢卷尺在同一断面相互垂直的两直径测定四处壁厚，取其平均值
保护层厚度
+5/0
+7/+3
+10/+5
用钢尺，在管桩断面处测量
桩身弯曲度
≤L/500
≤L/1200
≤L/1000
将拉线紧靠桩的两端部，用钢卷尺测其弯曲处最大距离
断头板
外侧平面度
0/2
用钢卷尺或钢直尺
外径
0～-1
内径
-2
厚度
正偏差值不限/0
7.0.3 打入桩质量控制
1 在桩帽侧壁用笔标示尺寸，以厘米为单位，以便记录打桩贯入度。
2 当采用送桩时，测试的贯入度应参考同一条件的桩不送桩时的贯入度予以修正。
3 根据设计及试桩确定的停锤控制标准如桩端持力层、最后三阵贯入度和最后1m沉桩锤击数为主要指标来确定可否成桩，满足要求后，做好记录，会同有关部门做好中间验收工作。
4 实际控制成桩标准中的标高和最后三阵贯入度与设计及试桩标准出入较大时，应会同有关部门采取相应措施，研究解决后移至下一桩位。
5 打桩过程中，遇下列问题之一应暂停打桩，及时会同有关部门解决：
1）贯入度突变；
2）桩头混凝土剥落、破碎、桩身出现裂缝；
3）桩身突然倾斜，跑位；
4）地面明显隆起，邻桩上浮或位移过大；
5）管桩总锤击数超过2000；
6）桩身回弹曲线不规则。
7.0.4静压桩质量控制
1 桩机进场时压力表应作检定，压桩过程中注意压力表变化并记录。
2 压桩前，应调好桩身垂直度，使其垂直度轴线与顶平面垂直度的轴线一致。
同时静压桩机应水平、稳定，桩尖与桩身保持在同一轴线上。
3 终压标准：
根据试桩确定的终压吨位，在桩位达到设计标高后应进行复压，复压次数不宜小于3次，持荷时间视试桩结果而定。
7.0.5 褥垫层质量控制
1 碎石粒径不大于3cm，含泥量不大于5%。
2 砂应采用天然级配的中、粗砂，其含泥量不得大于5%。
3 褥垫层中的碎石和砂垫层中不得含有尖石、树根等杂物。
4 双向土工格栅的规格和抗拉强度应符合设计要求。
5 压实系数应小于0.9。
7.0.6 严格控制桩身垂直度，确保桩身倾斜率小于0.5%。
7.0.7 每根桩总锤击数不宜超过管桩产品说明书或设计要求。
7.0.8 锤击打桩是桩帽与桩头之间应设置弹性衬垫。
衬垫厚度应均匀且经锤击压实后的厚度不宜小于120mm，打桩期间要经常检查、及时更换或补充。
8 安全措施
8.0.1 在施工过程中应严格遵循《铁路工程施工安全技术规程》（TB10401.1、TB10401.2）。
8.0.2 施工过程应特别注意以下安全事项：
1 打好的管桩孔口及时回盖袋装中砂或袋装碎石。
2 移机时桩机垂直度不能偏差太大，以防桩机倒塌。
3 吊装作业要有专人指挥，定期检查钢丝绳。
4 施工现场的所有电源、电路、电器的设置、安装必须遵守《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46）的规定。
5 打桩机操作人员、专业电工、电焊工必须持证上岗，并严格遵守安全技术操作规程。
9 环保措施
9.0.1 噪声控制
1 严格执行《建筑施工场界噪声限值》（TB12523），控制和降低施工机械和运输车辆造成的噪声污染。
2 合理安排作业时间，尽可能将打桩作业安排在白天施工，并将噪声控制避免夜间施工，使施工噪声对周围环境影响减少到最低程度。
9.0.2 振动控制
采用振动较小的静压力桩机进行打桩施工，可以有效的减少施工中的振动，避免振动对周围建筑物的影响和破坏。
9.0.3 地基挤压控制
在打桩过程中，应严格按照操作规程，密切控制管桩的打进速度，避免管桩对软土地基的挤压效应，引起地表隆起，使旁边建筑物受到影响。
9.0.4 做好地表排水，在工作垫层四周做好排水沟，防止雨水冲刷。
9.0.5 打桩施工前先调查清地下电缆和构筑物，并改移至路基外侧。
10 效益分析
10.0.1 经济效益
1 预应力管桩对25～48m深厚软土地基进行处理相对桥梁方案，施工安全可靠，操作简便易行，施工造价低廉，能够满足地基沉降的设计要求，具有很好的经济效益和推广价值。
2 由于速度为200km/h的客货共线铁路对地基提出了高要求，而东南沿海软土地基的特点，对25～48m深厚软土地基只能采用预应力管桩“桩—网”结构加固和桥梁方案，下面就这两种方案以软基深40m、路基宽30m、线路长100m为例进行经济比较，如表10.0.1-1、表10.0.1-2所示：
表10.0.1-1 预应力管桩“桩—网”结构加固造价分析表
序号
项目
数量
单价
造价
1
预应力管桩（含桩帽）
16920米
216.23元/米
3658612元
2
砂垫层
300立方米
41元/立方米
12300元
3
碎石垫层
900立方米
66.3元/立方米
59670元
4
土工格栅
3400平方米
26.33元/平方米
89522元
5
夯填土
5570立方米
4.08元/立方米
22726元
6
级配碎石
3370立方米
66.41元/立方米
223802元
7
合计
4066632元
平均每线路延长米40666元
表10.0.1-2 桥梁方案造价分析表
序号
项目
数量
单价
造价
1
φ1250mm钻孔桩
2560米
1104.37元/米
2827187元
2
承台
850立方米
338.51元/立方米
287734元
3
墩（台）身
1205立方米
547.31元/立方米
659509元
4
梁片
3孔
750000元/孔
2250000元
5
桥面系
200延长米
1246.42元/延长米
249284元
6
合计
6273714元
平均每线路延长米62737元
由上两表可见采用预应力管桩“桩—网”结构加固处理深厚软土地基每延长米路基可节约投资22071元。
10.0.2 环保、节能效益
预应力管桩采用静力压桩进行打桩施工，具有无振动、无噪声等特点，不会对周围环境产生破坏及影响，是一种十分环保的施工方法。
相对于其它施工方案，采用本工法施工机械设备投入少，节能效果明显。
10.0.3 社会效益
应用预应力管桩对深厚软土地基进行处理，在铁路路基施工中尚属首次，它的成功实施为在我国沿海海积滩涂地段修筑时速200公里客货共线铁路提供了可行经验，为温福铁路全线对25～48m深厚软土地基中进行预应力管桩的施工提供借鉴。
11 应用实例
本工法综合总结了东南沿海速度为200km/h的客货共线铁路软基处理经验，已成功应用于温福铁路福建段软土地基试验段工程（连江段）、温福Ⅱ标霞浦车站、甬台温Ⅱ标等工程中，工程质量满足预定要求。
其中温福铁路福建段软土地基试验段工程（连江段）的施工情况如下：
11.0.1 工程概况
温福铁路福建段软土地基试验段工程（连江段）位于福建省福州市连江县境内，施工里程为DK275+000～DK275+400。
该试验段中DK275+090～DK275+400地基为25～42m厚的软土地基，设计采用预应力管桩加固，管桩设计桩径为φ500mm，路肩范围内桩间距为2.5m，路肩外为3.0m，桩顶设0.4m厚的褥垫层，预应力管桩共计1411根，48262延长米，预应力管桩“桩—网”结构加固软土地基施工时间为2005年3月20日至2005年7月10日。
11.0.2 施工过程
按设计要求采用三台静压桩机和一台锤击桩机进行同时施工，每台桩机均配备吊装设备。
锤击桩机施工里程为DK275+090～+150，静压桩机施工里程为DK275+150～+400，施工劳力按三班倒组织。
施工时先吊起一根桩用两台水准仪检查垂直度后打入地面至1.0m左右停止沉桩，吊上第二根桩进行接桩，接桩完后须经监理工程师检查完后才能沉桩，如此往复直到最后一根桩，沉配桩的最后一根桩时根据是否到持力层是否要采用送桩或截桩，每沉完一根桩均须专职质检员检查并作详细记录后报监理工程师检查合格，才能进行移机至下根桩施工。
整区段预应力管桩施工完后，根据设计桩顶标高进行桩顶开挖并进行小应变和静载检测，两项检测均合格后才能进行桩帽施工。
待桩帽混凝土强度达到设计强度时进行褥垫层施工。
褥垫层施工时，铺设完底层碎石和砂层后铺设双向土工格栅，路基两侧土工格栅各回折2.0m，完成后再铺设上层碎石和砂层，然后用内燃冲击夯机进行打夯。
11.0.3 工程监测及应用效果
1 预应力管桩小应变检测结果：
小应变检测156根，其中Ⅰ类桩140根，Ⅱ类桩16根。
2 静载试验17根全部合格。
3 本段软土地基设四个断面观没断面，每个断面在桩顶和桩间土各设2个观测点，路基填筑完成后12个月观测结果如表11.0.3-1所示：
表11.0.3-1 各观测点的沉降值
断面
1#点
2#点（桩间土）
3#点
4#点（桩间土）
第一断面
24mm
50mm
20mm
51mm
第二断面
22mm
45mm
17mm
55mm
第三断面
21mm
50mm
26mm
46mm
第四断面
15mm
40mm
24mm
58mm
桩顶与桩间土的沉降值见表11.0.3-2：
表11.0.3-2 桩顶与桩间土的沉降值
最小沉降值
最大沉降值
沉降差
桩顶
15mm
26
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