小型鋼管樁由于其直徑較小,施工所需機械設備較簡單,便于對已有建(構)筑物地基的加固處理.鋼管本身具有較大的剛度和抗剪強度,如果管內再充填砂漿或水泥結石體,則能承受較大的豎向壓力及抗彎性能.本文以柳州鋼鐵廠轉爐水塔為例,說明小型鋼管樁在水塔地基加固中的應用.
1、工程概況
柳鋼轉爐水塔高68m,其基礎為圓板結構形式,斷面為Φ910m,圓板基礎下有5m厚C10毛石砼.由于水塔西側于1998年10月進行人工挖孔樁施工,大量抽排地下水,使地基產生不均勻沉降.根據現場觀測,水塔向西南方傾斜,最大值為50mm.場地地基土自上而下為:
①雜填土:灰黑色粘土混雜生活垃圾,磚石塊等組成,結構松散,厚4.0m.
②粘土:棕紅)淺黃色,呈飽和、硬-可塑狀,厚4.0m.
③粉砂:灰白色,松散狀,厚0.5m.
④基巖:為灰白色白云質灰巖,厚層狀,中-微風化.
2、加固原理及方案
2.1加固原理
假定C10毛石砼為一剛性體,水塔(裝滿水)及其基礎荷載(P0)全部傳至C10毛石砼上,鋼管樁與C10毛石砼的側阻力(錨固力)為Qm(圖1),要使水塔不繼續下沉,則只要滿足:
Qm>P0,
Quk>P0.
2.2加固方案
根據工程地質條件和原水塔設計圖紙,為確保水塔不繼續傾斜,對水塔基礎下部采用鋼管灌注水泥漿支承加固.即在原水塔大放腳范圍內布置30根鋼管樁(圖2),樁的上端與水塔毛石砼基礎部分錨固,下端嵌入微風化灰巖中(圖3).樁孔直徑采用130mm,樁身采用直徑108mm的鋼管,壁厚4.5mm,鋼管兩頭用鋼板封閉,管內外灌注水泥漿.
3、安全驗算
根據水塔設計圖紙估算水塔(裝滿水)重量為P0≈7000kN,本施工方案設想水塔基礎加固鋼管樁共30根,樁徑130mm.由于目前水塔偏斜尚小,因此不考慮水平作用力.
3.1樁與水塔基礎錨固力安全驗算
①單樁樁側與水塔C10毛石砼側阻力(錨固力)計算:
式中:Qm-單樁樁側與水塔C10毛石砼側阻力(錨固力)(kN);
λs-側阻擠土效應系數,閉合鋼管樁Ks=1;
u-樁身周長(m),此處u=3.14×0.13;
qs-樁側與水塔C10毛石砼側阻力(錨固力)標準值(kPa)取經驗值qs=140kPa;
l-鋼管樁錨固段長度(m),此處取l=5;
②樁側與水塔C10毛石砼側阻力(錨固力)總計
∑Qm=30Qm=30×285=8550kN.
③安全系數
K1=∑Qm/P0=8550/7000=1.22.
3.2樁豎向承載力安全驗算
①單樁豎向承載力計算
由(2)式得
Quk=1×3.14×0.13(45×4.5+160×2.5)+0.8×1×5000×3.14×0.0652=299kN,
式中:Quk,Qsk,Qpk分別為單樁豎向極限承載力標準值、單樁總極限側阻力標準值、單樁總極限端阻力標準值;
λs-側阻擠土效應系數,閉合鋼管樁Ks=1;
u-樁身周長(m)此處u=3.14×0.13;
qsik-樁側第i層土的極限側阻力(摩阻力)標準值(kPa),此處土層綜合取45,巖石取160;
qpk-極限端阻力標準值(kPa),此處qpk=5000;
li-樁穿越第i層土的厚度(m),此處土層為4.5,巖石為2.5;
Ap-樁端面積(m2);
hb-樁端進入持力層深度(m),此處取2.5;
ds-鋼管樁外徑(m),此處為0.13.
②鋼管樁豎向承載力總計
∑Quk=30Quk=30×299=8970kN
③安全系數
k2=∑Quk/P0=8970/7000=1.28.
3.3樁身強度驗算
在水塔重力作用下,單樁理論豎向作用力為Pa=7000/30≈233kN,單位截面載荷1733kPa,對于525#水泥漿形成的樁身而言,其強度等級一般可達到C20,顯然能滿足水塔重力作用而產生的抗壓要求,同時鋼管樁采用Φ108mm、45號炭結鋼管,壁厚為4.5mm,足以滿足其抗剪強度要求.
3.4樁身穩定性評價
水塔基礎下部主要為硬塑粘土,且樁身實際只有4.5m左右埋于土層,屬短樁類,夾制性強,再加上樁身的注漿擴散效應及鋼管樁作用,根據有關設計規范,不作彎矩驗算.
以上驗算表明,本施工方案安全可靠.
4、鋼管樁施工
鋼管樁采用XU-1000型鉆機,合金鉆頭清水鉆進成孔.孔深鉆進至微風化灰巖(約入巖2.5m),平均樁長14.3m.成孔后下入鋼管,鋼管底部鉆一些直徑5mm花眼,以便進行灌注封堵鋼管內外空隙.施工流程為:鉆機就位→鉆孔→沖孔→安放鋼管→下灌漿器→壓力灌漿→孔口回填.
成樁時分2序次對稱進行施工,灌漿采用全孔孔口封閉式灌漿法.漿液材料采用魚峰牌525#普通硅酸鹽水泥,按灰水比1:1,0.8:1,0.5:1三個等級,遵循由稀到濃的原則.漿液中摻入2%水玻璃(按水泥重量計),以加快漿液凝固.灌漿壓力為0.5~1.0MPa,穩壓30min即結束.
5、水塔地基加固效果
觀測資料表明,在水塔地基加固處理期間(32d內),累計沉降量為15mm,塔身最大傾斜為11mm;在加固處理完11d,累計沉降量為2mm,塔身最大傾斜為3mm;11d后未發生沉降和傾斜.在水塔加固處理完35d后,西側挖孔樁重新開挖,水塔也未發生沉降和傾斜.說明此種方法水塔加固是成功的.
