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柳州钢铁厂水塔地基加固应用小型注浆钢管桩探讨

时间:2017-02-21    点击量:2

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,说明小型钢管桩在水塔地基加固中的应用.
 
1工程概况
柳钢转炉水塔高68m,其基础为圆板结构形式,断面为Φ910m,圆板基础下有5m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50mm.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4.0m.
②粘土:棕红)浅黄色,呈饱和、硬-可塑状,厚4.0m.
③粉砂:灰白色,松散状,厚0.5m.
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130mm,桩身采用直径108mm的钢管,壁厚4.5mm,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≈7000kN,本施工方案设想水塔基础加固钢管桩共30根,桩径130mm.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:
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Ks=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=140kPa;
        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=8550kN.
③安全系数
K1=∑Qm/P0=8550/7000=1.22.
3.2桩竖向承载力安全验算
①单桩竖向承载力计算
 

       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Ks=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=5000;
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
∑Quk=30Quk=30×299=8970kN
③安全系数
k2=∑Quk/P0=8970/7000=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=7000/30≈233kN,单位截面载荷1733kPa,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Φ108mm、45号炭结钢管,壁厚为4.5mm,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4.5m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14.3m.成孔后下入钢管,钢管底部钻一些直径5mm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0.5~1.0MPa,稳压30min即结束.
 
5水塔地基加固效果
观测资料表明,在水塔地基加固处理期间(32d内),累计沉降量为15mm,塔身最大倾斜为11mm;在加固处理完11d,累计沉降量为2mm,塔身最大倾斜为3mm;11d后未发生沉降和倾斜.在水塔加固处理完35d后,西侧挖孔桩重新开挖,水塔也未发生沉降和倾斜.说明此种方法水塔加固是成功的.
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