摘 要:柳钢转炉水塔因场地西侧进行人工挖孔桩施工,大量抽排地下水,导致水塔地基出现不均匀沉降,水塔向西南方向产生倾斜.在水塔圆板基础下布设30根直径130 mm钻孔,孔深入岩约2•5 m,孔内下直径108 mm,壁厚4•5 mm的钢管,钢管内外再灌注水泥浆,形成注浆钢管桩,进行加固处理,完工11 d后,水塔累计沉降量为2 mm,倾斜3 mm•后来挖孔桩重新施工排水过程中,该水塔未发生沉降和倾斜.
关键词:水塔;地基加固;注浆;钢管桩
小型钢管桩由于其直径较小,施工所需机械设备较简单,便于对已有建(构)筑物地基的加固处理.钢管本身具有较大的刚度和抗剪强度,如果管内再充填砂浆或水泥结石体,则能承受较大的竖向压力及抗弯性能.本文以柳州钢铁厂转炉水塔为例,说明小型钢管桩在地基加固中的应用.
1 工程概况
柳钢转炉水塔高68 m,其基础为圆板结构形式,断面为φ9•0 m,圆板基础下有5 m厚c10毛石砼.由于水塔西侧于1998年10月进行人工挖孔桩施工,大量抽排地下水,使地基产生不均匀沉降.根据现场观测,水塔向西南方倾斜,最大值为50 mm.场地地基土自上而下为:
①杂填土:灰黑色粘土混杂生活垃圾,砖石块等组成,结构松散,厚4•0 m.
②粘土:棕红—浅黄色,呈饱和、硬—可塑状,厚4•0 m.
③粉砂:灰白色,松散状,厚0•5 m.
④基岩:为灰白色白云质灰岩,厚层状,中—微风化.
2 加固原理及方案
2•1 加固原理
假定c10毛石砼为一刚性体,水塔(装满水)及其基础荷载(p0)全部传至c10毛石砼上,钢管桩与c10毛石砼的侧阻力(锚固力)为qm(图
1),要使水塔不继续下沉,则只要满足:
qm>p0,
quk>p0.
2•2 加固方案
根据工程地质条件和原水塔设计图纸,为确保水塔不继续倾斜,对水塔基础下部采用钢管灌注水泥浆支承加固.即在原水塔大放脚范围内布置30根钢管桩(图2),桩的上端与水塔毛石砼基础部分锚固,下端嵌入微风化灰岩中(图3).桩孔直径采用130 mm,桩身采用直径108 mm的钢管,壁厚4•5 mm,钢管两头用钢板封闭,管内外灌注水泥浆.
3 安全验算
根据水塔设计图纸估算水塔(装满水)重量为p0≈7 000 kn,本施工方案设想基础加固钢管桩共30根,桩径130 mm.由于目前水塔偏斜尚小,因此不考虑水平作用力.
3•1 桩与水塔基础锚固力安全验算
①单桩桩侧与水塔c10毛石砼侧阻力(锚固力)计算[1]qm=λsuqsl=1×3•14×0•13×140×5=285 kn, (1)式中: qm—单桩桩侧与水塔c10毛石砼侧阻力(锚固力) (kn);
λs—侧阻挤土效应系数,闭合钢管桩λs=1;
u—桩身周长(m),此处u=3•14×0•13;
qs—桩侧与水塔c10毛石砼侧阻力(锚固力)标准值(kpa)取经验值qs=140 kpa;
l—钢管桩锚固段长度(m),此处取l=5;
②桩侧与水塔c10毛石砼侧阻力(锚固力)总计
∑qm=30qm=30×285=8 550 kn.
③安全系数
k1=∑qm/p0=8 550/7 000=1•22.
3•2 桩竖向承载力安全验算
①单桩竖向承载力计算[1]quk= qsk+ qpk=λsu∑qsikli+λpqpkap,
(2)
当hb/ds<5时 λp=0•16hbλs/ds, (3)
当hb/ds≥5时 λp=0•8λs, (4)
由(2)式得
quk=1×3•14×0•13(45×4•5+160×2•5)
+0•8×1×5 000×3•14×0•0652=299 kn,
式中: quk, qsk, qpk分别为单桩竖向极限承载力标准值、单桩总极限侧阻力标准值、单桩总极限端阻力标准值;
λs—侧阻挤土效应系数,闭合钢管桩λs=1;
u—桩身周长(m)此处u=3•14×0•13;
qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力(摩阻力)标准值(kpa),此处土层综合取45,岩石取160;
qpk—极限端阻力标准值(kpa),此处qpk=
5 000;
li—桩穿越第i层土的厚度(m),此处土层
为4•5,岩石为2•5;
ap—桩端面积(m2);
hb—桩端进入持力层深度(m),此处取2•5;
ds—钢管桩外径(m),此处为0•13.
②钢管桩竖向承载力总计
σquk=30quk=30×299=8 970 kn
③安全系数
k2=∑quk/p0=8 970/7 000=1•28.
3•3 桩身强度验算
在水塔重力作用下,单桩理论竖向作用力为
pa=7 000/30≈233 kn,单位截面载荷1 733 kpa,
对于525#水泥浆形成的桩身而言,其强度等级一般可达到c20,显然能满足水塔重力作用而产生的抗压要求,同时钢管桩采用φ108 mm、45号炭结钢管,壁厚为4•5 mm,足以满足其抗剪强度要求.
3•4 桩身稳定性评价
水塔基础下部主要为硬塑粘土,且桩身实际只有4•5 m左右埋于土层,属短桩类,夹制性强,再加上桩身的注浆扩散效应及钢管桩作用,根据有关设计规范,不作弯矩验算.
以上验算表明,本施工方案安全可靠.
4 钢管桩施工
钢管桩采用xu—1000型钻机,合金钻头清水钻进成孔.孔深钻进至微风化灰岩(约入岩2•5m),平均桩长14•3 m.成孔后下入钢管,钢管底部钻一些直径5 mm花眼,以便进行灌注封堵钢管内外空隙.施工流程为:钻机就位→钻孔→冲孔→安放钢管→下灌浆器→压力灌浆→孔口回填.
成桩时分2序次对称进行施工,灌浆采用全孔孔口封闭式灌浆法.浆液材料采用鱼峰牌525#普通硅酸盐水泥,按灰水比1∶1, 0•8∶1, 0•5∶1三个等级,遵循由稀到浓的原则.浆液中掺入2%水玻璃(按水泥重量计),以加快浆液凝固.灌浆压力为0•5~1•0 mpa,稳压30 min即结束.
5 水塔地基加固效果
观测资料表明,在地基加固处理期间(32 d内),累计沉降量为15 mm,塔身最大倾斜为11
mm;在加固处理完11 d,累计沉降量为2 mm,塔身最大倾斜为3 mm; 11 d后未发生沉降和倾斜.在加固处理完35 d后,西侧挖孔桩重新开挖,水塔也未发生沉降和倾斜.说明此种方法加固是
成功的.
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