軟土地基中灌注樁和地下墻的新技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究

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課題"軟土地基中灌注樁和地下墻的新技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究"由上海市建設(shè)和管理委員會(huì)立項(xiàng)資助，包括三個(gè)子課題："上海軟土地區(qū)樁端后注漿灌注樁的研究與應(yīng)用"、"上海軟土地區(qū)擴(kuò)底抗拔灌注樁的研究與應(yīng)用"及"預(yù)制地下連續(xù)墻技術(shù)的應(yīng)用研究"。

一．上海軟土地區(qū)樁端后注漿灌注樁的研究與應(yīng)用

常規(guī)的泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量離散性較大、施工質(zhì)量得不到保證。"樁端后注漿灌注樁"子課題從承載機(jī)理與荷載傳遞規(guī)律、施工工藝、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、檢測(cè)方法、工程應(yīng)用等方面系統(tǒng)地研究了在上海地區(qū)采用后注漿技術(shù)減小常規(guī)灌注樁成樁質(zhì)量離散性、提高單樁豎向抗壓承載力和減小變形的課題。

本研究的主要成果包括:

1. 通過(guò)大量工程實(shí)踐，采用靜載荷、高低應(yīng)變、自平衡法等檢測(cè)手段，對(duì)樁端后注漿鉆孔灌注樁的承載與變形進(jìn)行試驗(yàn)，全面深入分析了上海軟土地區(qū)樁端后注漿鉆孔灌注樁加固作用機(jī)理，樁身承載特性與荷載傳遞規(guī)律；

2. 結(jié)合二十余項(xiàng)工程實(shí)踐，提出了物理意義明確、量綱匹配的樁端后注漿單樁合理注漿量的估算公式。建議了適合上海軟土地區(qū)樁端后注漿樁的單樁承載力估算方法，該方法有足夠的安全度保證，且計(jì)算參數(shù)人為影響小，可操作性好。

3. 通過(guò)施工施工技術(shù)研究和大量工程實(shí)踐，針對(duì)施工設(shè)備、工藝流程、控制參數(shù)及質(zhì)量控制等關(guān)鍵問(wèn)題，初步形成了一套在上海地區(qū)行之有效的解決方案。研究出適合上海軟土地區(qū)的新型樁端后注漿注漿器，大大提高注漿成功率；

4. 對(duì)后注漿灌注樁中承載力與變形測(cè)試、樁身側(cè)摩阻力及樁端阻力量測(cè)，樁身質(zhì)量及注漿效果檢測(cè)等測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行探討與總結(jié)。提出了上海地區(qū)樁端后注漿灌注樁檢測(cè)內(nèi)容要求與檢測(cè)方法。

5. 對(duì)上海地區(qū)樁端后注漿若干典型工程的設(shè)計(jì)、施工與檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行全面分析與介紹，給工程人員提供了詳盡的工程應(yīng)用實(shí)例。

6. 系統(tǒng)地提出上海地區(qū)樁端后注漿鉆孔灌注樁的作用機(jī)理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工工藝標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)建議。 課題組研發(fā)出適合上海軟土地區(qū)的注漿器，注漿成功率達(dá)97%以上，其以相同的材料可提高承載力20%以上，還可以相應(yīng)地減少基礎(chǔ)造價(jià)、減少工期、減少泥漿的用量利于環(huán)保。后注漿灌注樁技術(shù)已在30余項(xiàng)高層、超高層建筑工程中得到成功應(yīng)用，工程涉及高層住宅、商務(wù)辦公樓、商貿(mào)休閑中心、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)等，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

二．上海軟土地區(qū)擴(kuò)底抗拔灌注樁的研究與應(yīng)用

傳統(tǒng)的等截面抗拔樁，僅靠樁土間的側(cè)摩阻力提供抗拔阻力，抗拔能力較差，并非最為理想。擴(kuò)底樁通過(guò)改變樁身截面，以較小的樁身材料增加獲取顯著的承載力的提高，已成為樁基礎(chǔ)發(fā)展的有效途徑之一。課題組根據(jù)上海地區(qū)軟土地基中擴(kuò)底抗拔樁應(yīng)用中所具有的中長(zhǎng)樁、小擴(kuò)展角度等諸多特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段研究了擴(kuò)底樁的承載特性與機(jī)理，并通過(guò)工程實(shí)踐提出了相應(yīng)的施工工藝流程、設(shè)計(jì)計(jì)算理論與方法。

其主要?jiǎng)?chuàng)新成果包括：

1. 研發(fā)出適合軟土地區(qū)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的"傘形"機(jī)械式擴(kuò)孔鉆頭，該鉆頭工作原理明確、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，便于操作，造價(jià)低，利于推廣使用；

2. 在上海軟土地區(qū)，首次采用足尺對(duì)比試驗(yàn)研究擴(kuò)底抗拔樁的承載與變形特性；

3. 基于直接約束處理的接觸算法、庫(kù)侖摩擦模型、拋物線型Mohr-Coulomb土體本構(gòu)模型對(duì)擴(kuò)底抗拔樁的上拔過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的非線性有限元模擬，并對(duì)土層參數(shù)、擴(kuò)底長(zhǎng)度、擴(kuò)展角度、擴(kuò)徑倍數(shù)等影響因素進(jìn)行敏感性分析。全面認(rèn)識(shí)了軟土地區(qū)擴(kuò)底抗拔樁的承載機(jī)理與破壞特性。

4. 提出了"圓柱剪切面法"、"擴(kuò)大系數(shù)法"、"旁壓法"等多種擴(kuò)底抗拔樁承載力計(jì)算方法供設(shè)計(jì)選用。

5. 首次建立了上海地區(qū)擴(kuò)底樁的擴(kuò)底型式，提出了相應(yīng)的施工工藝流程、設(shè)計(jì)計(jì)算理論與方法，為軟土地區(qū)提供了一種新的經(jīng)濟(jì)可靠的抗拔樁型。

6. 該擴(kuò)底抗拔樁型，以較小的材料增加獲取顯著的承載力的提高，并在市重點(diǎn)工程中得到成功應(yīng)用，表現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明擴(kuò)底抗拔樁以增加5%混凝土提高50%的承載力，表現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)性。其大大減小了樁基的工程量，可節(jié)約材料，施工速度更快，減小泥漿用量與處理費(fèi)用，更加環(huán)保，因此有著積極的社會(huì)效益。其已在瑞金醫(yī)院、市重點(diǎn)工程上海鐵路南站的地下車(chē)庫(kù)中得到成功應(yīng)用。隨著地下空間的開(kāi)發(fā)，當(dāng)前由我院設(shè)計(jì)的多項(xiàng)地下工程擬采用該項(xiàng)技術(shù)。

三．預(yù)制地下連續(xù)墻技術(shù)的應(yīng)用研究

與常規(guī)的現(xiàn)澆地下墻相比，預(yù)制地下墻具有節(jié)約材料、施工速度快、節(jié)省施工空間和工期的特點(diǎn)。"預(yù)制件地下連續(xù)墻"子課題旨在研發(fā)出在上海地區(qū)采用預(yù)制件地下墻的具體型式及相關(guān)的配套技術(shù)，為地下連續(xù)墻的應(yīng)用開(kāi)拓新的發(fā)展方向。

主要成果有：

1. 提出了在現(xiàn)有現(xiàn)澆地下墻采用常規(guī)泥漿成槽的基礎(chǔ)上，插入預(yù)制構(gòu)件形成預(yù)制地下墻的做法，并建立了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法；

2. 提出了預(yù)制地下墻的兩種形式：A.預(yù)制地下墻結(jié)合現(xiàn)澆接頭技術(shù)；B.現(xiàn)澆地下墻結(jié)合預(yù)制槽段接頭技術(shù)，并形成了一套相應(yīng)的施工工藝；

3. 開(kāi)發(fā)形成了充氣膠囊芯模技術(shù)、預(yù)制地下墻承載力恢復(fù)技術(shù)、預(yù)制地下墻段空心截面入槽后永久抗?jié)B處理技術(shù)、預(yù)制地下墻和預(yù)制接頭連接節(jié)點(diǎn)等一系列預(yù)制地下墻的關(guān)鍵技術(shù)，提出了相關(guān)的施工流程和要點(diǎn)。 已在上海達(dá)安城、銀冠大廈、泰興商廈和明珠線多個(gè)地鐵車(chē)站等工程得到應(yīng)用。

隨著高層建筑的開(kāi)發(fā)與地下空間的利用，預(yù)制件地下墻將會(huì)有進(jìn)一步的應(yīng)用范圍與推廣前景。本研究為上海地區(qū)地下墻的應(yīng)用開(kāi)拓了一個(gè)新的發(fā)展方向。 在上述三項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用中，本課題的研究成果可以以專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓、技術(shù)咨詢(xún)和完成單位繼續(xù)應(yīng)用等方式體現(xiàn)于工程建設(shè)中。本課題的成果還將為上述技術(shù)規(guī)程、規(guī)范的制定創(chuàng)造條件和打下基礎(chǔ)，以規(guī)程、規(guī)范的型式推動(dòng)這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。