- 收藏
- 加入书签
先插法钢管立柱桩施工工艺及质量检测的应用研究
打开文本图片集
摘要：通过研究某项目先插法钢管立柱桩施工工艺和施工质量的检测数据分析，发现控制其成孔质量，控制钢管的垂直度以及混凝土浇筑可以大大提高钢管立柱桩的施工效果，不仅满足其桩身完整性的良好，还可以保证混凝土强度等级满足设计要求，另外还发现在施工过程中可以通过手段继续提高其垂直度的控制，为后续的大面积施工提供了技术支撑。
关键词：钢管立柱桩；成孔质量；垂直度；超声波检测；混凝土强度
0引言
钢管混凝土立柱桩是指在原有的钻孔灌注桩中插入钢管，并在钢管中填充混凝土而成的结构构件，在外荷载作用下，钢管及其核心混凝土能够共同受力，这样在外荷载相同的情况下减小了钢管混凝立柱桩的截面尺寸，具有较好的抗震性能和承载能力[1]；另一方面，由于在混凝土浇筑时无需支模，从而大大提高了施工效率，减少了环境污染。近几年来钢管混凝立柱桩是作为一种常用的结构形式，在工程实践尤其是基坑支护体系中应用的越来越普及，受到诸多设计院和学术界以及工程技术人员的广泛关注。
1先插法钢管混凝土立柱桩的施工工艺
先插法钢管混凝土立柱桩采用灌注桩内插钢管混凝土柱的形式[2]，主要的施工工艺包括：
具体的施工工艺如下图1：
2先插法钢管混凝土立柱桩的检测要求
由于先插法钢管混凝土立柱桩的施工特点和使用要求，因此其施工质量的要求很高，同样对于施工过程中和施工后的检测同样有较高的要求，参考国家相应的施工规范和检测规范，主要的检测项有：（1）施工过程中桩位的控制和成孔垂直度的检测，（2）桩基础和钢管立柱内水下混凝土灌注质量以及桩身的完整性，关键的检测要求是：桩身的超声波无损检测以及桩身的钻孔取芯及抗压强度试验。
3结合某上海项目研究先插法钢管立柱桩施工工艺及质量检测的应用
3.1工程概况
拟建项目位于上海市浦东新区浦东机场附近，总占地面积约162.8万m2、总建筑面积约220万m2、基坑面积约51万m2。建筑主要为地上4层，地下3层，地下空间主要为综合交通枢纽。
该项目所在地的工程地质情况按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异，依据上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》（DGJ08-37-2012）相关条款，可划分为7个主要层次，其中第③、⑦层均分别可划分为2个亚层，第①、②层分别可划分为3个亚层，第⑤层可划分为4个亚层，第⑦层可划分为2个亚层，而第⑦2层又可划分出两个次亚层。拟建场地缺失上海市统编地层第⑥层暗绿色硬土层和第⑧层粘性土层。
3.2设计概况
本工程轨交区栈桥区域立柱桩采用灌注桩内插钢管混凝土柱的形式。立柱桩分为增打立柱桩和利用主体结构工程桩的立柱桩两种类型：
3.2.1增打立柱桩采用?1000mm钻孔灌注桩，桩长36.35m。立柱桩桩身混凝土保护层厚度50mm，桩身混凝土强度等级为水下C35（水下混凝土根据相关规定提高满足水下养护达到C35设计强度）。
3.2.2兼作立柱桩的主体结构工程桩桩身混凝土强度等级、配筋及保护层厚度等相关设计参数和施工要求同相关结构施工图。栈桥区域钢立柱采用?550*16的钢管柱，增打立柱桩内的钢管内浇水下C35自密实无收缩混凝土，利用主体结构工程桩的立柱桩内的钢管内浇水下C40（混凝土强度等级同主体结构工程桩）自密实无收缩混凝土。
3.3施工过程中的质量控制
本项目为了后续大面积立柱桩施工提供施工技术支撑，按照设计要求进行2根竖向支承桩柱的试充填试验。设计参数详见表1：
3.3.1钻孔灌注桩成孔质量的控制[3]
（1）成孔选用配套高强度、大扭矩钻杆的钻头，钻头上方设置配重块，配重块上方设置导正圈，从而满足成孔垂直度要求，同时钻头直径应不小于设计桩径。
（2）钻进过程中根据不同的地层参数、特点，合理控制钻进参数（钻速、钻压），在进入砂质土等易坍地层时，使用优质泥浆，放慢成孔速度，以确保泥皮的形成，使之具有良好的护壁功能；
（3）成孔至设计要求深度后，清孔应分二次进行。第一次清孔在成孔完毕后立即进行，第二次清孔在钢筋笼和导管安放完毕后进行，采用泵吸反循环清孔工艺。
3.3.2先插法钢管立桩安放与垂直度控制
先插法钢管立桩安放与垂直度控制主要采用调直装备和校准设备来控制。
（1）调直设备采用自行定制加工的调节螺栓调直架，先将调直架中心与桩位轴线校正一致，再用φ20钢膨胀螺栓将校正架底部固定在钢筋混凝土地坪上。利用调直架上的校正螺栓来调整格构柱的中心线和垂直度，通过格构柱的自重和调直架校正传力来达到较为精确控制格构柱安装精度目的。并利用手拉葫芦倒链将格构柱固定在调直架上，插入导管后进行混凝土的浇筑。
（2）校准设备主要采用测斜仪+调垂架对中，在校准过程中确保倾角仪的激光束与钢管母线平行；立柱安装后通过铅垂激光束与钢管母线夹角反映调垂结果。通过激光发射器的光束找出倾斜仪在钢格构柱柱管上的安装面，在钢格构柱柱管竖起后即可利用倾斜仪的输出实时监测钢格构柱柱管的倾斜状态。通过程序设计，倾斜仪可以直接与配套的显示仪表连接，直观的反映出被测物的垂直度，倾斜角度和偏移尺寸。
钢管柱安放的控制过程分为二个步骤进行。
①立柱对中
立柱下放至设计标高后，即开始立柱对中。根据调直架对中后测得的十字钢筋中心点距调节螺栓支座的距离，计算出钢管外壁距支座的距离，并用底层四只调节螺栓把钢管固定。
②立柱调直
立柱对中完成后，检测方根据互成90度的经纬仪观测，根据观测结果反算出实际的垂直度值，直至满足设计要求为止。
3.3.3先插法水下混凝土灌注控制
由于钢管柱桩施工，因此在下放钢管立桩的平台上面焊设钢管护栏后，利用此平台采用汽车吊吊设灌浆斗、采用泵送混凝土的方式进行灌注混凝土。
混凝土施工时应进行坍落度测定，采用导管法水下浇灌要求每节导管平直，导管应始终在混凝土中，严禁将导管提出混凝土面，并有专人负责测定混凝土面上升情况，
灌注时需经常对钢管柱管内混凝土面和钢管柱外回填面进行测量，指导砼灌注，严格根据回填速度控制混凝土灌注速度。
3.4施工结束后质量的检测及数据分析
在施工完成后，为了检测施工的质量，主要采用超声波法和钻孔取芯法来检测桩身完整性和桩身混凝土的质量。
3.4.1在工程现场利用超声波透射法对2根钢管混凝土柱进行桩身完整性检测
通过在被测桩内预埋竖向相互平行的声测管作为检测通道，管中注满清水作为耦合剂。由发射换能器发射超声脉冲，穿过待测的桩体混凝土，由接收换能器接收，判读出超声脉冲穿越被测混凝土的声时、声速、波幅等参数。随着两探头沿桩的纵轴方向同步升降，使超声脉冲扫过桩的整个纵剖面，从而得到各项参数沿桩纵剖面的变化数据[3]。
超声脉冲信号在混凝土的传播过程中因发生绕射、折射、多次反射及不同的吸收衰减，使接收信号在混凝土中传播的声时、声速、波幅等发生变化。使用分析软件对接收信号的各种声参数进行综合分析，即可了解某一剖面的混凝土完整性，测试所有剖面即可了解整个桩的完整性状况。
在测试深度范围内，每根桩的检测结果汇总见表2，声速-深度曲线、波幅-深度曲线、PSD-深度曲线见图2。
从检测的数据和曲线进行分析，主要包括声时、声速、波幅和PSD综合判断，两根桩的完整性良好，按照规范判断为一类桩。
3.4.2在工程现场对2根钢管混凝土柱试验桩进行钻孔取芯检测
检测孔位布置在距桩中心100mm处，钻进采用直径108mm钻头。用芯样管回转钻进方法，严格控制回次进尺。芯样取出后，依次摆放整齐，并立即对原状芯样进行芯样描述。钻芯结束后，对所取芯样进行拍照。芯样送至室内试验室后，在（20±5）℃的清水中浸泡48h，从水中取出后立即进行抗压强度试验[3]。
本工程两根钢管混凝土柱试验桩芯样抗压试验检测结果见表3、4，芯样照片见图6、7。
结合现场取芯实际情况可以发现两根钢管混凝土柱试验桩进行了钻孔取芯。其中D7-13345实际取芯长度为18m，D7-13366实际取芯长度为12m，两根钢管混凝土柱均未钻进至柱底。现场混凝土芯样连续完整、表面光滑、胶结好、骨料分布均匀、呈长柱状、断口吻合。
4结论
结合上海浦东新区某具体的工程实践，对先插法钢管立柱桩施工工艺的要求及质量控制以及后续的验证检测方面进行了初步的应用研究。结论如下：
4.1在施工过程中在成孔质量和桩身混凝土浇筑过程中控制得当，没有出现夹泥，分层离析等完整性较差的情况出现。最终通过混凝土超声波检测验证了这一点，对后续的大面积立柱桩的施工提供了经验；
4.2结合钻孔取芯的现场检测以及室内试验的结果分析，两根桩并未完全钻至桩底，说明桩身的垂直度与取芯时垂直度不能完全匹配，从另一角度说明桩本身的垂直度并不良好，另外从室内试验的数据可以发现所取的芯样段的混凝土试块的抗压强度均超过设计要求的40Mpa。说明混凝土的浇筑和后期的养护控制较好；
4.3通过本次研究可以总结对于整个施工过程中钢管垂直度与钻孔灌注桩本身的垂直度还存在着误差，除了需要在钢管安放过程中严格控制本身的垂直度外，还应该结合钻孔灌注桩成孔曲线中垂直度，尤其是水平偏移的方向，使其方向尽量保持一致，该项也是后续此类问题主要的研究方向。
参考文献：
[1]孙焱焱、徐菁.钢管混凝土柱在桥梁工程设计中的应用分析[J].隧道与桥梁工程，2023，77
[2]郭宏斌.软土地基中一柱一桩先插法施工关键技术[J].建筑施工，2014，36（12）：1319-1321.
[3]张凤莉.浅埋地下快速通道逆作法一桩一柱高精度调垂关键技术研究与应用[J].《城市道桥与防洪》-2020-06-15
[4]上海市工程建设规范《建筑地基与基桩检测技术规程》，2018，11-12章节
京公网安备 11011302003690号
