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新型组合锚杆静压桩技术托换开挖施工工艺

发布者:admin 发布时间:2017-12-19

余浪,刘琼莲,胡玉华

(昆明市政工程设计科学研究院有限公司,昆明,6501100

  要:既有建筑独立基础地下空间的拓展施工需要对原有地基四周土体开挖并超过原有基础深度,因此需要托换既有建筑的基础,通过托换的桩基础将建筑基础向下延伸到拓展空间以下的持力层。本文首先简单总结了房屋基础托换技术并对桩式托换技术作了详细总结,然后以安徽中元化肥厂成品车间向下拓展地下室工程为依托探讨了新型组合锚杆静压桩技术对既有建筑独立基础进行托换和土方开挖的施工方法。

关键词::既有建筑独立基础;地下空间;型组合锚杆静压桩;托换和土方开挖

采用新型组合锚杆静压桩技术在既有建筑独立基础下增层的技术流程十分复杂。首先要对原建筑物独立基础进行结构加固,然后才能对其进行整体桩基托换,此外还包含锚杆静压桩的组合施工以及基坑支护等技术问题,目前很少有将这些技术结合使用的工程实例。

房屋基础托换技术一般主要应用于:(1)既有建筑物基础的加固与纠偏;(2)在原有建筑物附近新建工程以及在既有建筑物基础下新建地下室或者其他结构工程时,保证原有建筑物结构的安全[1]。房屋基础托换法可分为非桩式托换法和桩式托换法。当建筑物沉降较小时,一般采用非桩式托换法。原有建筑上部结构托换改造完成后,如果原有基础的承载能力不足,或者是基础沉降量较大时,一般采用通过在原基础部位设桩处理的桩基托换方法[2]

1.房屋基础托换方法分类

房屋基础托换技术一般主要应用于:(1)既有建筑物基础的加固与纠偏;(2)在原有建筑物附近新建工程以及在既有建筑物基础下新建地下室或者其他结构工程时,保证原有建筑物结构的安全[1]。房屋基础托换法可分为非桩式托换法和桩式托换法。当建筑物沉降较小时,一般采用非桩式托换法。原有建筑上部结构托换改造完成后,如果原有基础的承载能力不足,或者是基础沉降量较大时,一般采用通过在原基础部位设桩处理的桩基托换方法[2]

1.1非桩式托换法

1)基础扩大托换法

在既有建筑物上部结构托换改造完成后,当托换后基础的承载力不足或者是在基础底面产生裂缝时必须采取技术对其进行处理,一般首先考虑采用基础扩大托换法[2]。当上部荷载为中心荷载时,对条形基础可采用两面加宽处理,对独立基础可沿基底四面扩大和拓宽处理。当上部荷载为为偏心荷载时,可根据计算对基础单面进行加宽。

2)坑式托换法

当条形基础基底所在土层土质不良导致承载力不够并且沉降较大,而在离基础底部不远处有良好的持力层时,宜采用坑式托换法对原有基础进行托换[3]。在条形基础下设置一系列的混凝土墩,使建筑结构的上部荷载通过条形基础转换到混凝土墩,然后再由混凝土墩传到新的持力层。混凝土墩间隔设置时,必须考虑基础抗弯强度是否满足。

1.2桩式托换法

1)打入桩托换法

打入桩托换法须先在室内安装打桩设备,因此一般只用于净宽和净高达到要求的空旷的建筑物,还要确保建筑结构不会因为打桩时产生的振动和“挤土”效应而产生破坏,应优先选用排土较少的开口型钢管桩。打桩机选用和桩长确定需要满足室内净空高度。桩打设完毕待沉降完成后,然后在桩顶浇筑与原有基础上部承力柱相连接的新增承台。

2)树根桩托换法

树根桩托换法主要采用一种直径较小的钻孔灌注桩,其孔径范围一般在150-300之间[4]。采用树根桩进行托换时,树根桩穿过原建筑基础伸入土中与原基础一起承担上部建筑物荷载。树根桩为摩擦桩,其表面凹凸不平、截面形状不规则,桩侧摩阻力较大。树根桩与地基土由于压力灌浆而结合紧密,适用各种类型地基土且产生的附加应力较小。

3)钢管压入桩托换法

钢管压入桩在基础托换中使用较多[5][6]。首先在被托换基础四周开挖导坑,然后在被托换基础底部土体挖出一个可以安放千斤顶和压入桩的缺口。将钢管桩放入缺口内,在桩顶安装好钢垫板,利用钢垫板上的千斤顶将钢管逐段压入土中直到所有节段都压入,对称抽出千斤顶,并向桩管内注入混凝土。然后再在原有基础底部支模浇筑混凝土加厚基础并将钢管桩和基础连接。

4)锚杆静压桩托换法

锚杆静压桩托换法是将钢筋混凝土预制桩(一般为300X300mm)压入地基土体至设计高程的托换方法。锚杆静压桩托换工艺把建筑物原有基础改换为桩基础,大大提高了承载力,可以有效地控制建筑物沉降[7][8]。锚杆静压桩托换技术施工具有对周围环境影响小、设备操作简单、施工成本低,施工速度快、入桩的损耗率较低等优点。同时也具有加固时须开孔破坏原基础、桩体难以穿入的地基中较硬土层等缺点。

2.现场工程地质条件

本次研究将结合安徽中元化肥厂成品车间向下拓展地下室工程实例,安徽中元化肥厂位于安徽宿州经济技术开发区,地貌属淮北平原区浅丘状平原次级地貌单元区。地层分布如下:

1)人工填土层(主要为粘性土),比较疏松,层厚0.72.1m。承载力特征值110,混凝土预制桩侧摩阻力特征值15

2)粉质粘土层,可塑硬塑。层厚1.25.6m,承载力特征值170,混凝土预制桩侧摩阻力特征值32。强度较高,厚度较大,天然地基良好持力层。

3)粉细砂层,饱和。层厚2.94.7m,承载力特征值为190,混凝土预制桩侧摩阻力特征值35。强度较高,厚度较大,是天然地基良好下卧层。

4)粉质粘土层,可塑硬塑。层厚0.95.5m。承载力特征值210,混凝土预制桩侧摩阻力特征值45。强度较高,厚度较大,是良好下卧层。

5)粉细砂层,饱和。层厚0.36.1m。承载力特征值为180,混凝土预制桩侧摩阻力特征值46。强度较高,厚度较大,是良好下卧层。

6)粉质粘土层,可塑硬塑。该层未揭穿,最大揭露厚度38.60m。承载力特征值为220,混凝土预制桩侧摩阻力特征值48。强度较高,厚度较大,埋藏深度适中,是比较良好的桩端持力层。

为满足新的工艺需求,现公司在厂房成品车间新增地下室。厂房原基础为独立柱基框架结构,改造完成后地下室地面标高为-4.500m。由于该厂房车间的周围建筑还在正常使用,且距离较近,无法使用大型施工设备施工。根据工程地质资料可知,现场土层工程性质良好,能够提供较高的侧摩阻力,适合采用摩擦桩施工。综合考虑空间限制、工期长短、成本投入等其他条件,决定优先使用锚杆静压桩托换技术对原有柱基托换,然后进行土方开挖修建地下室。由于是在地面以下进行土方的开挖,必须严格地控制设计和施工中的各项要素。同时,施工过程必须进行严格监测,以确保挖土过程中桩基础与原有结构的安全。

3.独立柱基下地下空间拓展施工过程

厂房独立柱基下进行地下空间的拓展首先要对原有的独立基础进行托换。托换完成后顺次向下施工其他地下结构部分。一般施工工艺是先对独立基础进行拓宽加固形成刚性基础,然后对独立基础进行进行整体桩基托换,待所有基础托换完毕后采用放坡或在边桩中间施工地下连续墙形成挡土围护结构,再分层开挖土体直到开挖深度达到地下室底板设计标高,然后浇筑地下室主体部分并加固围护结构,最后由下往上施工地下加层的其他组成部分,地下地下空间拓展施工完成。

3.1原有独立基础加固

在进行现场施工之前,需要对原有建筑结构进行全方面的检测与评估,对结构的质量和承载性能进行可靠性论证。在可靠性满足要求的前提下方可进行后续施工。

对施工现场进行场地清理和围护处理,破除原有地坪,进行第一次土方开挖并开挖至独立基础底面标高,目的是为锚杆静压桩施工做准备。检查各个独立基础的完好性并对有损伤的基础进行局部加固,然后对原有台阶状独立基础进行拓宽加厚处理如图3-1。待其强度达到要求后方可进行桩位放样。

3-1 原有独立柱基加固图

3.2锚杆静压桩施工

锚杆静压桩将锚杆技术和静力压桩技术相结合,施工时采用千斤顶将预制的混凝土桩采用分段压入的方式压入既有建筑基础中,施工前应该将预制锚杆静压桩节段提前运至施工现场并合理堆放。具体施工流程如下:

1)桩位及锚杆位置开孔:鉴于原有基础位置对开孔位置和整个压桩过程的影响,实际施工中可对开孔位置作适当调整,然后经抗剪切、抗冲切以及抗弯等复核满足要求后方可进行开孔,施工现场开孔并埋置锚杆图见图3-2

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3-2 现场开孔图               3-3 压桩架架设图

2)在压桩孔周围埋设锚杆,安装压桩反力架如图3-3

3)压桩:用千斤顶利用桩架反力将预制桩逐节压入土中,节与节之间采用焊接或硫磺胶泥连接。压桩时务必保持压桩架和桩段垂直,桩段轴线和千斤顶处于同一垂线,并且不得进行偏压。

压桩尽量做到一次到位,中途不能停顿,若不得不停顿时,则桩尖宜停在软弱土层且停顿时间不宜过长,以避免重塑土强度在停歇时间内得到恢复,从而增加了压桩的难度。桩节段之间要垂直对接,采用焊接时须确保焊接质量满足要求。压桩时要控制好压桩速度和压桩位置的选择,最大限度减小挤土效应和减小对原有地基的扰动。

4)封桩:本次锚杆静压桩在基础以下埋入深度设计为15m,最后一节桩压入设计标高后将多余的部分截去,然后采用C30早强微膨胀性混凝土对其进行封桩并与基础连接为一体。

3.3二次土方开挖形成新型组合锚杆静压桩

所有锚杆静压桩压桩施工完成后,需要等土体超孔隙水压力消散完全后方可进行土方的二次开挖,同时需要需对地基沉降进行严格观测。二次土方开挖时,上部加载将全部由锚杆静压桩来承担,并通过锚杆静压桩向更深的持力层传递。

二次土方开挖前土体基本处于稳定状态[9],由于土体的侧压力影响,土方开挖施工时采用分层对称平衡开挖法,在桩的两侧同时进行挖土并且采用相同的挖土速度。为了避免对独立基础及其毗邻地基产生过大扰动,在距离独立基础1m外采用小型机械开挖,在距离独立基础1m以内的范围内采用人工开挖的方式进行。土方开挖施工阶段是结构内力发生转化的阶段,挖土时要保证结构安全和施工安全。尽量减小施工过程对地下水电管线和地表沉降的影响,挖土施工时严禁扰动独立基础下土方体(内圈核心土),为防止锚杆静压桩发生破坏或失稳,施工时严禁挖土器械触碰。

3-4 挖土过程图

每层土方开挖深度为1.5m,横向挖至锚杆静压桩的最外围,如图3-4。锚杆静压桩外围土方开挖后,为了对裸露出来的锚杆静压桩四周进行实时约束保护,应该及时用钢筋将所有锚杆静压桩及内部核心土箍起来,如图3-4。并在外围浇筑300mm厚的混凝土外壁,以提高抗压强度和整体稳定性。外圈混凝土壁浇筑完毕后形成的组合体见图3-5,将此时形成组合体称为新型组合锚杆静压桩,新型组合锚杆静压桩的上部结构是由内圈核心土、外圈混凝土壁以及中间包裹的四根锚杆静压桩上部桩段组合而成,将这个组合体称为新型组合锚杆静压桩的上部组合体(以下简称上部组合体),将埋入土中部分的下部锚杆静压桩称为新型组合锚杆静压桩的桩脚(以下简称组合桩桩脚)。

3-5 新型组合锚杆静压桩剖面图

待混凝土强度达到设计强度要求之后,再采用同样的施工方法进行下一层土体的开挖并进行下一阶段组合体的浇筑,直到地下室底部设计标高。

为了保证原有建筑在施工过程的稳定性和以及施工时的安全,以及土方开挖过程是否会造成上部结构的倾斜开裂或者其他过大的变形,需要对地基的沉降和以及上部结构的位移进行实时观测。

3.4浇筑地下室混凝土

在土体分层开挖至地下室设计标高后,受基坑工程的空间和时间效应的影响,必须按要求立即对地下室进行底板浇筑,先浇筑混凝土垫层,然后再施工底板防水层,最后浇筑地下室底板混凝土,同时,对新型组合锚杆静压桩与地基土体相接触部分周围进行嵌固处理。地下室底板浇筑后效果图见图3-6,其中的桩体即为组合桩上部组合体部分。底板混凝土浇筑完成后,再浇筑地下室其他构件以及连续墙体。

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3-6 地下室底板浇筑完成后效果图

4.组合桩上部组合体组合模量和组合重度的计算

4.1等代法计算组合桩上部组合体组合模量

4-1 组合桩上部组合体结构图(单位:mm

如图4-1所示,土方开挖后所形成的新型组合锚杆静压桩桩体上部上部组合体由外围混凝土壁(厚度为300mm)、四根锚杆静压桩桩体以及内圈核心土三部分组成,属于非均质体。为了简化计算和方便建立模型,将其视为均质体[11],并提出了与原非均质体等价的均质体的模量(以下称为组合模量EZP)。组合模量的大小由外围混凝土模量、原锚杆静压桩桩体混凝土模量和核[10]心土模量按照一定的比例组合而成,其表达式为:

                                                        2-1

                                                                                                    2-2

                                                                                                   2-3

式中:——组合模量,Pa/m2

——外壁混凝土弹性模量,Pa/m2

——锚杆静压桩桩体混凝土弹性模量,Pa/m2

——内圈核心土模量,Pa/m2

——外壁混凝土截面积与组合体面积比;

——锚杆静压桩总截面积与组合体面积比;

——外壁混凝土截面积,m2

——锚杆静压桩总截面积,m2

——组合体面积,m2

4.2等代法计算组合桩上部组合体组合重度

同理,组合体组合密度的表达式如下:

                                              2-4

式中:——组合密度,kN/m3

——外壁混凝土密度,kN/m3

——锚杆静压桩桩体混凝土密度,kN/m3

——内圈核心土密度,kN/m3

外壁混凝土模量密度25.0kN/m3,锚杆静压桩桩体密度27.0kN/m3,核心土的密度18.5kN/m3。此处核心土的模量取核心土的压缩模量。计算得到的大小为21.18kN/m3

5.结语

本文首先对房屋基础托换技术进行简单总结并详细介绍了桩式托换技术的分类和相关施工技术特点。本章研究基于安徽中元成品车间地下室增设工程,现场土层工程性质良好,能够提供较高的侧摩阻力,适合采用摩擦桩施工。综合考虑空间限制、工期长短、成本投入等其他条件,决定使用新型组合锚杆静压桩托换技术对原有柱基进行托换,然后进行土方开挖修建地下室。

然后本章详细介绍了使用新型组合锚杆静压桩进行厂房地下室增层施工的具体施工工艺:破除厂房原有地坪,进行第一次土方开挖并直接开挖至独立基础底面标高;对独立基础进行加固处理;采用锚杆静压桩进行托换;再进行第二次土方开挖,挖土深度为1.5m,已开挖部分锚杆静压桩外围浇筑混凝土形成新型组合锚杆静压桩的上部组合体部分。再顺次分层进行下方土体开挖,土体开挖至设计标高后浇筑地下室底板及其他部位混凝土,托换施工完毕。最后采用等代法计算出了组合桩上部组合体的组合模量和组合重度。

参考文献

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