微型鋼管注漿樁在棧橋工程上的應(yīng)用

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的建設(shè)項(xiàng)目需要在空間狹小、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場(chǎng)地進(jìn)行。這些項(xiàng)目的基礎(chǔ)施工往往會(huì)面臨一個(gè)兩難的局面，采用大直徑樁難以滿足狹窄的施工條件，采用小直徑樁又難以滿足上部構(gòu)筑物的承載力要求。這種情況下，微型鋼管注漿樁作為一種小徑高強(qiáng)的樁型，在施工工藝和承載力兩方面得到了較好的平衡。

微型鋼管注漿樁一般是指樁徑≯300 mm的鋼管樁，與普通鋼筋混凝土灌注樁類(lèi)似，采用小型鉆機(jī)成孔，用鋼管代替普通鋼筋籠并在鋼管內(nèi)進(jìn)行壓力注漿，最終達(dá)到水泥砂漿完全包裹住鋼管的效果。目前在全世界范圍內(nèi)，微型鋼管注漿樁應(yīng)用的案例并不多，尚處于實(shí)踐引導(dǎo)理論發(fā)展的階段，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有出臺(tái)專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范[1]；但是由于這種樁具有樁徑小、穿透力強(qiáng)、橫截面單位面積承載能力高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在施工場(chǎng)地狹窄、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程中，往往成為唯一的選擇。

微型鋼管注漿樁在橋梁基礎(chǔ)上的應(yīng)用，已有一些相關(guān)的案例[2～4]。本文以廣東省某河邊景觀棧橋工程為背景，介紹了微型鋼管注漿樁在廣東粵北地區(qū)的應(yīng)用情況，重點(diǎn)是在介紹設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)在河道中施工的技術(shù)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)進(jìn)行分析歸納，旨在為今后類(lèi)似工程提供參考和借鑒，促進(jìn)這種樁基型式在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用。

1 工程概況

廣東省粵北某市江邊北岸的明代古城墻是歷史文化遺產(chǎn)。本工程是在古城墻的外側(cè)做一條長(zhǎng)約300 m、寬3～5 m的棧橋，建成后可以作為人行通道和景觀觀賞平臺(tái)。

2 工程難點(diǎn)

古城墻的外側(cè)有一條與其平行走向的污水箱涵，距離2 m左右，這就導(dǎo)致大型施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)操作，而且考慮到大直徑樁基在鉆孔時(shí)可能會(huì)對(duì)古城墻造成擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起古城墻的坍塌。經(jīng)比選，棧橋基礎(chǔ)采用了微型鋼管注漿樁，直徑為220 mm，長(zhǎng)約7 m。見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 棧橋斷面

工程場(chǎng)地地質(zhì)情況簡(jiǎn)單，勘探孔揭露地層為第四系人工填土（沖填）層（Qml）及白堊系砂巖（K）。地下水分為上層滯水和基巖裂隙水，江水對(duì)鋼筋混凝土均有微腐蝕性。見(jiàn)表1。

表1 土層主要力學(xué)參數(shù)

3 微型鋼管注漿樁的設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

微型鋼管注漿樁主要由鋼管和鋼管內(nèi)外的水泥砂漿組成，兩者共同作用，相輔相成。一方面，在荷載作用下，鋼管發(fā)揮雙重作用，縱向受壓，鋼管能夠約束管內(nèi)的砂漿樁體，在側(cè)向約束和縱向壓力下，樁體三向受壓，極大提高了砂漿樁體的抗壓強(qiáng)度，樁身承載力也相應(yīng)提高；另一方面，水泥砂漿能夠保護(hù)鋼管免受周?chē)h(huán)境腐蝕，延長(zhǎng)鋼管壽命，同時(shí)可以提高樁身摩阻力，增加豎向承載力。兩者形成合力，提高了樁身的抗彎剛度，減少了樁身細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)致縱向彎曲失穩(wěn)的可能性。

微型鋼管注漿樁的承載力由兩部分組成，分別是樁周土的摩阻力和樁端承載力。樁周摩阻力由鋼管外側(cè)的砂漿凝固體與土體摩擦產(chǎn)生，由于砂漿凝固體與鋼管之間存在界面粘結(jié)力，所以這部分力最終會(huì)傳遞給鋼管和鋼管內(nèi)的砂漿；樁端承載力一般是由樁端的基巖提供，由于基巖抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于樁周土的摩阻力，所以微型鋼管注漿樁的承載力主要由樁端力提供。

3.2 計(jì)算內(nèi)容

在樁基的設(shè)計(jì)中，所有樁基均需要進(jìn)行承載力和樁身強(qiáng)度計(jì)算。由于目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有針對(duì)微型鋼管注漿樁專(zhuān)用的規(guī)范，文獻(xiàn)[1，5]中對(duì)這種樁型也沒(méi)有提及，所以樁基的計(jì)算內(nèi)容均參考混凝土灌注樁和鋼管樁來(lái)進(jìn)行。

1）樁身承載力計(jì)算

式中：Rk——樁身承載力；

φ——樁身穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)樁身屈曲計(jì)算長(zhǎng)度lc和直徑d確定，計(jì)算樁身屈曲長(zhǎng)度時(shí)需要考慮樁頂約束情況、樁身露出地面的自由長(zhǎng)度lo、樁身入土長(zhǎng)度h、樁側(cè)和樁底的地質(zhì)條件等因素；

φc——成樁工藝系數(shù)，參考文獻(xiàn)[1]中關(guān)于擠土灌注樁的規(guī)定，建議取0.6；

A——鋼管截面積；

Ac——鋼管內(nèi)的混凝土截面積。

2）單樁豎向承載力特征值計(jì)算

式中：Ra——單樁豎向承載力特征值；

K——安全系數(shù)，取2；

Qsk——單樁總側(cè)阻力特征值；

Qpk——單樁總端阻力特征值；

μ——樁身周長(zhǎng)；

qsik——樁第i層土的側(cè)阻力特征值；

li——土層厚度；

qpk——極限端阻力特征值；

Ap——樁端面積。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)平面布置，本工程共需要216根微型鋼管樁，樁頂需要能承受≮170 kN的荷載。由于采用了?168 mm×8 mm的無(wú)縫鋼管，樁身填充材料采用水泥漿高壓灌注，水泥漿強(qiáng)度等級(jí)為M25，樁身承載力Rk達(dá)到了420 kN。工程地質(zhì)情況良好，地面以下3 m左右即為巖石地基，所以該處樁基按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁身進(jìn)入中風(fēng)化砂巖＞4 m。經(jīng)驗(yàn)算，單樁豎向承載力也滿足要求。

4 微型鋼管注漿樁的施工

首先采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，孔底一般需要進(jìn)入中風(fēng)化或微風(fēng)化基巖內(nèi)一定深度，然后在孔內(nèi)安裝鋼管，最好采用壁厚≮8 mm的無(wú)縫鋼管，再用注漿管從樁基底部壓注水泥砂漿，使水泥漿從鋼管的內(nèi)外返上來(lái)，最終形成鋼管水泥漿樁體。

4.1 施工準(zhǔn)備

1）測(cè)量放線及鉆機(jī)就位。

2）鋼管的加工制作。

3）壓力灌漿系統(tǒng)的布設(shè)。

4.2 施工步驟

1）成孔。成孔是微型鋼管注漿樁施工中難度較大的工序。在施工中可能遇到一些特殊地層，如堅(jiān)石層、拋石層、砂層等，除需要根據(jù)地層情況采用不同的鉆頭外，往往還需要采用一些特殊的技術(shù)措施。

2）鋼管安裝。需要先對(duì)樁孔進(jìn)行清理，然后分段吊裝鋼管。鋼管長(zhǎng)度由現(xiàn)場(chǎng)吊裝能力和施工空間確定，一般為2～3 m一節(jié)，鋼管之間的連接方式有螺紋對(duì)接和套管焊接兩種。在樁孔口把鋼管接駁好后，逐段放入樁孔內(nèi)，直至觸底。

3）壓力注漿。進(jìn)行水泥砂漿的配制，水灰比0.4～0.45，水泥漿強(qiáng)度在20 MPa以上；在樁孔中插入注漿管，一般采用金屬管，下入深度控制在導(dǎo)管下端口與孔底的距離≯50 cm并需配備壓力表；最后進(jìn)行壓力注漿，注漿壓力宜為0.3～0.5 MPa。注漿過(guò)程中應(yīng)保持注漿管不動(dòng)，直到水泥漿從鋼管內(nèi)外均返上來(lái)為止；把注漿管從樁孔中抽出，用鋼板密封鋼管口，加壓數(shù)分鐘，直至水泥漿從鋼管外再次溢出，這樣可以確保砂漿充滿鋼管的內(nèi)外側(cè)。

微型鋼管注漿樁的施工關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)，一個(gè)是砂漿配合比，另一個(gè)是注漿工藝。將漿液從鋼管內(nèi)壓進(jìn)后，再經(jīng)樁孔反壓上來(lái)，難度很大，所以砂漿配合比的成功設(shè)計(jì)是微樁施工的關(guān)鍵；另一方面，灌注工藝也需要控制好，假如灌漿速度太快，樁孔內(nèi)的水和灰漿無(wú)法排出，就會(huì)形成斷樁；同時(shí)由于水泥砂漿直接沖刷孔壁，會(huì)導(dǎo)致孔壁土體塌落，形成樁身夾泥現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成堵管，這種情況在砂質(zhì)地層尤其容易發(fā)生。所以一定要控制好注漿的壓力和速度，拔管要有序，注漿要連續(xù)。

4.3 質(zhì)量控制

1）樁位。施工中嚴(yán)格控制孔位的偏差在3.5 cm之內(nèi)，垂直度偏差應(yīng)控制在1%以內(nèi)。同時(shí)應(yīng)注意鋼管的垂度，在下放鋼管時(shí)要采取相應(yīng)措施；每段鋼管的自然彎曲偏差＜l/1 500。

2）采取措施保證成樁孔徑，應(yīng)比設(shè)計(jì)樁徑略大。應(yīng)保證護(hù)壁泥漿質(zhì)量，避免造成縮徑、塌孔等情況。

3）嚴(yán)格控制樁長(zhǎng)。樁長(zhǎng)需要滿足地勘報(bào)告和設(shè)計(jì)圖紙的要求，在鉆孔過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)地質(zhì)狀況與地勘報(bào)告不符，應(yīng)停機(jī)并通知設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)處理，以保證足夠的入巖深度。

4）由于鋼管比較重且堤岸地層中往往存在容易沉淀的砂層，所以鋼管安裝時(shí)必須在安全的前提下控制安裝速度，切忌鋼管擺動(dòng)碰撞孔壁。

5）保證注漿質(zhì)量。水泥宜采用不低于42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥；壓注水泥漿的金屬管下端與樁底距離≯50 cm；水灰比應(yīng)按設(shè)計(jì)要求配制并且需要通過(guò)壓漿試驗(yàn)來(lái)證明其可靠性，注漿壓力宜控制在0.3～0.5 MPa，待水泥漿從鋼管內(nèi)外流出后，應(yīng)保持?jǐn)?shù)分鐘穩(wěn)壓，以確保漿體的密實(shí)度；水泥灌漿應(yīng)快速、連續(xù)進(jìn)行，必須保證水泥漿在初凝前0.5 h填滿樁孔，完成整個(gè)灌漿過(guò)程。

6）樁頭維護(hù)。蓄水養(yǎng)護(hù)樁頭時(shí)間不得少于7 d。水泥漿達(dá)到強(qiáng)度后，進(jìn)行承臺(tái)施工。樁過(guò)長(zhǎng)時(shí)，要用氣體切割，不得使用電焊切割。

7）樁基施工完成并待樁身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，按文獻(xiàn)[5]規(guī)定對(duì)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，檢驗(yàn)樁數(shù)不少于總樁數(shù)的1%并不少于3根。見(jiàn)圖3。

圖3 樁基靜載試驗(yàn)

5 結(jié)果

樁基施工過(guò)程順利，沒(méi)有發(fā)生質(zhì)量事故。靜載試驗(yàn)表明微型樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

6 建議

1）微型鋼管注漿樁作為一種新型的地基處理方法，雖然在多個(gè)工程中采用，但是理論研究較少，尚未列入國(guó)家規(guī)范。它在橋梁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)加固、基礎(chǔ)托換，基坑工程的支護(hù)與事故處理，邊坡及公路、鐵路路基工程以及灌注樁事故處理等方面均可以發(fā)揮特定的作用，所以應(yīng)結(jié)合工程實(shí)例多做研究，盡早列入國(guó)家規(guī)范的范圍。

2）由于微型鋼管注漿樁常常位于復(fù)雜的地下或水下環(huán)境中，若樁身水泥砂漿灌注質(zhì)量不好，就會(huì)讓鋼管受到土壤內(nèi)硫酸鹽和水中的硫酸根離子的腐蝕，所以需要特別注意鋼管的防腐問(wèn)題。如果對(duì)鋼管的防腐處理不當(dāng)，會(huì)直接降低微型鋼管注漿樁的使用壽命。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外一些工程案例的研究，這里建議樁身內(nèi)的鋼管壁厚宜≮8 mm并在鋼管的外表面涂刷兩層防銹漆，同時(shí)適當(dāng)增加鋼管外側(cè)的水泥砂漿保護(hù)層厚度。