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咬合桩发展综述

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●综合论述 翘婕建-前 咬合桩发展综述 何少锋,李丙明,黄文钦。杨静 (福建省建筑科学研究院,福建福州350025) 2015丘 摘要咬合桩作为一种新型的基坑支护结构,具有止水和支护两种功能,已被广泛应用于岩土工程实践中。 阐述了近年来咬合桩的应用发展研究现状,指出了咬合桩应用发展研究中存在的问题,并提出了相关的建议。同 时,总结咬合桩的施工技术,指出咬合桩的发展前景,对进一步推广和发展咬合桩具有重要意义。 关键词咬合桩;基坑支护;止水 0引言 随着城市化建设的不断发展,基坑工程向大面积、大深 度方向发展,深基坑工程与日俱增。深基坑工程是一个综合 性强、技术复杂的岩土工程难题,不仅要有效地控制基坑变 形以保护周围环境,更要保证基坑本身的安全。随着节约造 价方面的需求以及城市环境复杂化,新型深基坑支护方式应 运而生,咬合桩便是其中之一。 Sebastian Bryson[2b"r绍了咬合桩在芝加哥某地铁站改造工程 中的应用;Anderson Thomas C凹介绍了在复杂地质条件下, 咬合桩在竖井支护工程中的应用;Arturo Ressi di Cerviat4]介 绍了咬合桩在美国Walter F.George大坝的防渗工程中的应 用,成功解决了大坝多年的渗漏问题。 在国内,随着理论研究的深入和工程经验的积累,咬合 桩在工程中的应用也得到了发展:①根据施工机械的不同, 从最初的全套管钻孔咬合桩到旋挖咬合桩、旋挖—搅拌咬合 咬合桩是由王振信教授在国外考察时发现,随后于1999 年将其首次应用在深圳地铁某区间隧道明挖段的支护工程, 随后也在天津、上海、南京、杭州、等城市成功应用。咬合 桩围护结构是指相邻桩桩身密排且相割形成的连续挡土支 护结构,具有很好的防渗作用。根据桩身材料的不同,咬合桩 有以下三种类型:钢筋混凝土桩和水泥粘土砂浆桩咬合、钢 筋混凝土桩和钢筋混凝土桩咬合(荤荤搭配)及钢筋混凝土 桩等;②根据桩身材料的不同,从素混凝土桩和钢筋混凝土 桩咬合到水泥土砂浆桩和钢筋混凝土桩咬合。目前,咬合桩 相关的研究成果主要集中在咬合桩设计方法、超缓凝剂混凝 土的配置和咬合桩技术的工程应用三个方面。 1.1咬合桩技术的工程应用 目前关于超缓凝混凝土的研究成果主要集中在施工精 桩和素混凝土桩咬合(荤素搭配)。咬合桩的平面布置形式灵 活,钻孔深度可深可浅,具有在钻孔过程中不需使用泥浆,桩 度的控制、咬合桩的施工方案的介绍及对咬合桩的改进方 面。 体质量好、成桩精度高、造价低、进度快、对周边环境影响小 和施工过程中噪音小等优点。研究表明。在软土地区常用的 挡土围护结构如SMW工法桩、水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩、 王安龙等t9](2003)详细介绍了钻孔咬合桩第一次在国内 地铁深基坑工程应用过程中施工方案和施工机械的选择、特 殊工况的处理、施工精度控制等问题。陈斌等【 ol(zoo5)详细介 绍了南京地铁元通路车站基坑咬合桩围护方案、开挖阶段咬 全套管钻孔咬合桩加止水措施形成的组合桩和地下连续墙 等,全套管钻孔咬合桩的综合技术特性优势明显【1J。因此,近 年来咬合桩施工技术在工程中得到广泛应用,具有很强的发 展潜力。本文从设计理论和工程应用两个方面总结了咬合桩 合桩的变位情况和施工方法。周学领等Ⅲ 0o6)从咬合桩的施 工工艺流程及其对土体的扰动机理入手,研究软土地区钻孔 咬合桩成桩施工过程中对周边环境的影响并提出应对措施。 的研究现状及成果,指出了咬合桩施工技术目前存在的问 题,并提出了相关的建议。 杜平等【 21(zoo8)详细介绍咬合桩在地铁车站深大基坑施工中 的应用。林奇【, ̄(2OlO)结合工程实例,提出水泥粘土砂浆咬合 桩止水技术,开辟了一条基坑止水技术新途径。同时,对水泥 1咬合桩研究现状 在国外,钻孔咬合桩施工技术比较成熟,成功应用于变 形要求控制较严格和复杂地质情况的基坑工程中。目前,国 外关于咬合桩的文献资料主要集中在两个方面:基于监测成 果咬合桩对周边环境的影响和咬合桩的工艺[2-81。Lindsey 粘土砂浆咬合特点、水泥粘土砂浆施工方法和成桩性能进行 深人的研究。侯伟生、杨建学等【 ,1(2OLO)详细介绍冲孔咬合桩 在福建某邻海基坑围护的设计与施工情况。吴铭炳【t ̄(2013)结 合工程实例,介绍咬合桩在基坑支护中的应用及改进措施。 ・12・ 第7期(总第171期) 1.2超缓凝剂混凝土的配置 楚建.前 综合论述一 设计的有益观点。廖少明t ̄(2008)通过相似模型试验对在考 虑素桩作用下咬合桩支护结构的抗弯承载力特性进行研究, 揭示了咬合桩从弹性到塑性破坏的力学行为,提出了其抗弯 承载力计算方法。罗积胜等m(2009)结合实际工程杭州地铁 超缓凝混凝土是影响钻孔咬合桩成功的主要因素,目前 关于超缓凝混凝土的研究成果主要集中在介绍超混凝土的 配制方法。陈清志等[1 ̄(2002)详细介绍了咬合桩第一次在深 圳地铁应用时,缓凝60h的C15混凝土的配制过程。同时通 1号线滨和路站,深入地研究咬合桩围护结构设计计算方法。 结合/J, ̄L扩张理论研究了钻孔咬合桩咬合量的计算方法,并 给出咬合时间的计算方法,计算出超缓凝混凝土的咬合时间 不低于60h。分析了等效连续墙按刚度分配的钻孔咬合桩围 过合理的配合比及外加剂的选用,配制出28d强度大于 30MPa、凝结时间为60~72h、3d强度小于3MPa的超缓凝混 凝土。宋仁义等[ n(2003)在对单组分的无机和有机缓凝剂试 验基础上,进行双组分复合缓凝剂性能研究,提出了一种缓 护结构的设计计算方法。李尽旺t ̄(2009)给出咬合桩咬合量 凝时间长、掺量低的配制方法。郭志武等【 81(2004)详细介绍了 超缓凝混凝土在杭州路延伸工程咬合桩施工过程中的 配制与应用。王亚强等【 91(2006)结合杭州地铁一号线试验段 秋涛路站的钻孔咬合桩工程,详细介绍缓凝时间可达到80h 的超缓凝混凝土在深钻孔咬合桩中的配合比设计及应用必 须注意的问题和如何进行质量控制。徐辉等 ̄(2006)针对钻 孔咬合桩的施工特点配制出缓凝时间可达60~80h的新型混 凝土超缓凝外加剂(HLC—NAF2),并将该外加剂成功应用于 南京地铁2号线深基坑围护工程钻孔咬合桩施工中。戴嘉明 等口- ̄(2009)基于实际工程例子,详细介绍缓凝时间为60h的 C15混凝土的配制与应用。徐亚玲等圈f2Ol1)详细介绍上海轨 道交通建设工程中,初凝时间为62h的超缓凝混凝土的配制 方法。 1.3咬合桩设计方法研究 咬合桩作为一种新型深基坑支护方式,在我国的应用及 其研究才刚起步不久。李文林 ̄1(2006)以上海地铁六号线某 咬合桩试验段为工程背景,将理论分析与室内模型试验相结 合,深入研究咬合桩的设计方法及受力性能。并给出四种咬 合桩墙与主体结构结合方式下对应的设计原则。研究表明: ①荤素搭配桩墙只用作临时结构时,通过咬合桩当作T形截 面梁计算来考虑素桩受力贡献并给出相应的计算方法,通过 计算可知,考虑素桩作用的咬合桩承载力比不考虑素桩作用 提高了将近80%。②在控制素桩不出现裂缝的情况下荤素搭 配桩墙是可以用作主体结构的一部分,荤素搭配桩墙则完全 可以用作主体结构外墙或其一部分,但不宜单独用作外墙。 伟轶ta1(2006)利用在受力变形上地下连续墙围护结构与钻 孔咬合桩围护结构的相似性,在总结地下连续墙设计方法的 基础上,提出在钻孔咬合桩围护结构的设计与计算过程中 “按照等刚度连续墙按刚度分配”的计算方法。 周学领 ̄(2007)结合上海地铁某咬合桩试验段工程,对 咬合桩复合结构的共同作用模式和与主体结构的结合方式、 咬合桩结构受力特点进行深入的研究:①提出了根据咬合面 的受力破坏特点和咬合桩成桩施工的垂直度合理咬合量的 计算方法;②给出了不同复合结构形式下咬合桩的设计原 则;③提出了将咬合桩的一个标准段等价成T形截面梁进行 的确定方法;对咬合桩围护结构进行内力分析计算,进而根 据咬合桩复杂结构特点提出采用“迭代法”进行合理的配筋; 在考虑咬合桩素桩荷载分担作用的情况下,提出了“等效刚 度截面法”内力分析理论。 2咬合桩发展过程中存在的问题及建议 (1)目前还没有统一的规范指导超缓凝混凝土的配制, 实际施工过程中超缓凝混凝土的掺量、配合比的设计、缓凝 剂的选择等方面没有参考的标准,只能通过试验或工程经验 配制出较为合理的超缓凝混凝土。同时,超缓凝混凝土的质 量没有统一的检验标准。因此,要尽快制订相应的国家规范 指导超缓凝混凝土的配制。 (2)目前在荤素搭配桩支护结构设计中,过于保守,没有 考虑素桩分担荷载的贡献,而在荤桩钢筋达到屈服前素桩受 压区发挥了较大的作用。因此,在设计过程中应适当考虑素 桩分担荷载的作用,并尽快制订相应的国家规范指导设计。 (3)荤素搭配桩和荤荤搭配桩可作为主体结构外墙或其 一部分使用,但需进一步研究温度应力和干燥收缩应力等对 主体结构的影响、超缓凝剂对混凝土耐久性的影响以及咬合 桩的防水性能。 (4)目前对钢筋混凝土桩和水泥粘土砂浆桩相互咬合的 咬合桩研究成果较少,而在基坑支护工程中这种咬合桩比荤 荤搭配桩和荤素搭配桩具有一定优越性,主要体现在以下几 个方面:①水泥粘土砂浆桩分担荷载的作用比素混凝土桩 小,或许可以忽略不计,避免设计偏于保守,造成经济浪费; ②水泥土砂浆桩可以就地取材,节约水泥比素混凝土桩经 济;③水泥粘土砂浆桩强度比素混凝土低,较易切割。可见, 水泥粘土砂浆桩具有很好的应用前景。 3咬合桩施工方法 咬合桩根据设备条件、设计桩径和桩长、水文地质条件 等选择成孔机械和浇筑工艺,常用几种施工方法简介如下: 根据施工机械的不同,咬合桩可以分为以下几种: (1)全套管钻孔咬合桩施工方法。先设置导墙。后采用超 前钢套管护壁,抓斗挖孔,到达设计标高后,采用导管法灌注 混凝土,钢套管随混凝土灌注逐段上拔,直至成桩。该方法全 程采用超前钢套管护壁,抓斗挖孔,近于干法,成孔质量高, ・13・ ●综合论述 翘 建.前 2015卑 无泥浆,无塌孔,无冲击,无振动,噪音小,安全性好,混凝土 强度高,且能有效地防止咬合桩灌注混凝土时出现管涌。 (2)旋挖—搅拌咬合桩施工方法。先施工搅拌桩,再施工 旋挖桩,旋挖桩与搅拌桩共同形成止水帷幕,由于工程造价 低、搅拌桩成桩质量好,这种止水帷幕要优于排桩—旋喷桩 止水帷幕。技术要点:因搅拌桩水泥土强度一般仅为1— 2MPa,旋桩机可轻松切割且不会造成水泥土破坏,故排桩一 定要用旋挖工艺,如果冲孔或钻孔,则易偏桩倾斜,搭接效果 较难保证。 (3)冲孔水泥土咬合桩施工方法。可用冲孔桩两两相互 切割形成咬合桩,相邻桩分为素桩与钢筋混凝土桩,两素一 筋或一素一筋,现场搅拌的水泥土灌注素桩,终凝并达到一 定强度后再施工相邻桩,如果仅作为帷幕可均为素桩,为保 证桩位准确及开孔的垂直度,地面宜设置导墙,由于索桩为 水泥土桩,相割桩冲击成孔时不会造成水泥土破坏,如采用 混凝土,则容易受到破坏且容易造成相割桩倾斜。该方法能 很好地处理填石层中的止水问题。 (4)双回旋全套管螺旋钻孔水泥粘土砂浆咬合桩施工方 法。利用双回旋全套管螺旋钻机将护壁套管和螺旋钻具同步 钻入土层中,土体通过螺旋钻叶片上升由套管管口自动排 土,至孔底后提钻,当套管已封闭地下水时,直接向管内泵送 流态水泥粘土砂浆,再通过电机旋转提升套管后成桩,当套 管未封闭地下水时,采用导管法浇注流态水泥粘土砂浆,并 交替提升套管后成桩。 (5)泥浆护壁旋挖钻孔水泥粘土砂浆咬合桩施工方法。 利用泥浆护壁,旋挖钻取土,直至孔底,通过泥浆循环清孔 后,采用导管法浇注流态水泥粘土砂浆成桩,当水泥粘土砂 浆咬合桩需要配置钢筋笼,或与混凝土桩咬合使用时,应采 用隔孔法施工,并根据间隔时间确定缓凝剂品种、掺量和缓 凝时间。 4结论 咬合桩作为一种新工艺、新工法,在基坑支护工程中逐 渐体现出极大的优越性,特别是水泥粘土砂浆桩具有很好的 应用前景。但其在我国的应用才刚刚起步,其施工方法并不 是很成熟。 参考文献 【1]沈保汉,刘富华.第二讲软土地基常用的挡土围护结构【『】. 施工技术,2006,35(6):103-105 f21 Lindsey Sebastian Bryson,”Pefrormance of a sitf excavation an adjacent building”A dissertation submitted to the graduate school in Partial fulfillment of the requirements for the degree doctor of PhilosoPhy field of civil engineering,Evanston,Illinois.Deeember2002. ・14・ 【3】Ande ̄on,Thomas.C.Sceant piles suppo ̄aceess shafts for tunnel crossing indilf ̄eult geologic conditions.Geoteehnieal Speeial Pubheation, n124, Geosupport 2004一Drilled Shafts,MicroPiling,Deep Mixing,Remedial Methods,and Specilaty Foundation systems,Proceedings of Sessions of hte GeoSuppo ̄Conferenee:Innovation and Cooperation in Geo,2004,P299—308. 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