试桩双套管施工技术应用

发布日期：2014-09-23 查看次数：4399

摘 要     以武汉中心桩基项目为实例，介绍试桩双套管施工技术应用情况。为真实反应试验桩施工效果，试桩采用双套管隔离开挖面标高以上桩身与土体接触，以直接测试有效桩长范围内的桩基承载力。同时，为防止混凝土和桩侧注浆的浆液沿内、外套管空隙上泛，需对外套筒底进行封堵。

关键词    试桩 双套筒 返浆 封堵 载荷试验

    近年来，随着城市建设步伐的不断推进，城市地标式超高层建筑物愈来愈多，基础工程施工技术日新月异。试桩采用双套管施工技术，能够真实反应在桩身有效桩长部分的承载力状况，取代以往试桩通过减少空孔部分混凝土侧摩阻力的理论计算方法，并通过载荷试验的结果，准确模拟桩基础在结构理论荷载下的受力变形曲线。

1、工程概况

武汉中心项目位于武汉王家墩中央商务区核心区西南角，地块北面地下为104号路（下穿段），地上为开发用地，东接核心区广场，南临205号路，西接305号路，总建筑面积约为323000m²。项目主楼高为八十八层，建筑高度438m，巨型柱—核心筒—伸臂桁架结构体系，裙楼为三层，框架结构，地下室为四层，基础埋深为-18.30m～-27.50m，基础选型采用后压浆钻孔灌注桩。

主楼钻孔灌注桩直径为Ø1000mm，单桩竖向抗压承载力特征值为10500～13500KN，桩端持力层为（6-4）层泥岩微风化层，采用双控措施，以桩底标高为主，进入持力层深度控制为辅，Ø1000mm工程桩进入6-4层泥岩微风化层不小于1.0m，桩身混凝土设计等级为C50；

    裙楼Ø800mm钻孔灌注桩，单桩竖向抗压承载力特征值为3900KN，单桩抗拔承载力特征值为1200KN，桩端持力层为（5）层含圆砾中砂，采用双控措施，以桩底标高为主，进入持力层深度控制为辅，桩端进入持力层≥1200㎜，混凝土设计等级为C35。

2、试桩双套管设计要求

    根据设计单位要求，工程桩在开工前必须进行试桩载荷试验，Ø1000mm试桩共计五组，Ø800mm试桩共计两组，Ø650mm试桩共计六组。其中，Ø1000mm、Ø800mm为抗压试桩，其试桩采用双套管施工工艺（双套管设计参数见表1）。项目部根据前期试成孔施工经验，确定旋挖钻进方式为主塔楼工程桩主要施工工艺，回旋钻进方式为裙楼工程桩主要施工工艺。

    主楼Ø1000mm五组试桩将采用锚桩提加反力，每组试桩设一根抗压试桩和四根锚桩，最大加载值为27000kN；裙楼区域进行两组桩径Ø800mm桩，静载抗压试验最大加载值为7800kN，最大抗拔加载值为2400kN。项目部根据试桩双套管设计参数、试桩设计条件以及场区特定情况，对双套管施工大样进行设计，作为现场指导施工以及质量验收的依据。双套管施工大样见图1。

2、双套管制作加工过程

2.1 材质检验

因钢结构制作工艺精度要求高，双套管加工制作宜选用在专业厂家一次性制作成型后，根据工程需要集中运抵现场进行安装。双套管制作母材选型采用Q235型普通碳素结构钢，在对其厚度、规格尺寸、允许偏差、外观质量等要求进行确认后，同意采用半自动切割机及卷板方式对钢板进行加工制作。

2.2 下料

套管用钢板在使用前以管中径计算周长，下料时加2mm的横缝焊接收缩余量，长度方向按每道环缝加2mm的焊接收缩余量，并采用半自动切割机切割，严禁手工切割。根据双套管设计板材厚度，钢板均采用单坡口的形式，外坡口和内坡口两种形式均可，出于焊接方面的考虑，一般开外坡口，内部清根后焊接（如板材厚度大于16mm，可采用双坡口方式或根据设计要求开设坡口）。采用切割机将坡口切割完毕后，要检查板材的对角线误差值是否在规定的允许范围内，如偏差过大,则要求进行修补。坡口的允许偏差要求如下表2。

项 目	允许误差
钝边	±2mm
角度	±0.5。
间隙	±2mm
坡口面沟槽	≤1mm

注：坡口的加工方法可以采用磁力切割机沿管壁切割，采用半自动切割机在钢板上切割,采用坡口机切割钢板坡口。

2.3卷管

由于双套管成形尺寸较长，内、外套管必须分批、分段的通过用CDW11HNC-50×2500型卷板机进行预弯和卷管。根据工程实际情况，分段卷管长度为1.5m，卷好后再进行焊接。由于需要多次往复卷制，则采用靠模反复进行检验，以达到卷管的精度。卷制成型后，进行点焊，点焊区域必须清除掉氧化铁等杂质，点焊高度不准超过坡口的2/3深度。点焊长度应为80～100mm。点焊的材料必须与正式焊接时用的焊接材料相一致。卷板接口处的错边量必须小于板厚的10%，且不大于2mm.如大于2mm，则要求进行再次卷制处理.在卷制的过程中要严格控制错边量，以防止最后成型时出现错边量超差的现象。在上述过程结束后，方可从卷板机上卸下卷制成形的钢管。
2.4焊接

焊接方法采用二氧化碳气体保护焊，焊接前，根据板材的厚度、施焊的位置以及效率选择焊丝，类似本工程双套管板厚，其焊丝直径可选用1.6mm左右的焊接，其焊接电流控制在200A以下，焊接送丝的速度、焊接电流值大小以及电弧电压控制必须经过有效计算后，通过熟练焊工进行操作，以确保焊接质量及效果。

焊丝在使用前应清除油污，铁锈，保护气体的纯度应符合焊接工艺评定的要求。焊前必须按施工图和工艺文件检查坡口尺寸，根部间隙，同时必须清除焊接区的有害物。焊接时，焊工应遵守焊接工艺规程，不得自由施焊，不得在焊道外的母材上引弧。当焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，应查出原因，制定出修补工艺后方可处理。焊缝同一部位的返修次数，不宜超过两次，当超过两次时，应按专门制定的返修工艺进行返修。

2.5探伤检验

单节钢管卷制及焊接完成后要进行探伤检验。焊缝质量等级及缺陷分级应符合《钢结构工程施工质量验收规范》的规定要求。同时要求局部探伤的焊缝有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加探伤长度，增加的长度不应小于该焊缝长度的10%，且不应小于200mm；当仍有不允许的缺陷时，应对该焊缝100%探伤检查。

2.6矫圆

由于焊接过程中可能会造成局部失圆，故焊接完毕后要进行圆度检验，不合格者要讲行矫圆。矫圆方法是将需矫圆者放入卷板机内重新矫圆，或采用矫圆器进行矫圆。矫圆器可以根据实际管径自制，采用丝杆顶弯。

3、双套管组装及环缝处理
3.1环缝处理

双套管每节加工完毕后，应根据构件要求的长度进行组装，先将两节组装一大节，焊接环缝。环缝采用焊接中心来进行，卷好的钢管必须放置在焊接滚轮架上进行，滚轮架采用无级变速，以适应不同的板厚、坡口，管径所需的焊接速度。组装必须保证接口的错边量。一般情况下，组装安排在滚轮架上进行，以调节接口的错边量，接口的间隙控制在2～3mm，然后点焊。环缝焊接时一般先焊接内坡口，在外部清根，如采用自动焊接时，在外部用一段曲率等同外径的槽钢来容纳焊剂，以便形成焊剂垫。

3.2套管组装

    首先将钢套管分节加工，再根据施工图要求进行组装。内层管分节长度7.5m,外层管分节长度6m。

本工程采用在内管外壁上焊接钢板，钢板长度80mm，宽度为30mm，纵向间距为3m，肋上再加支撑钢垫，沿支撑肋均匀分布6个。根据设计要求，内外套管间净间隙为43mm，支撑勒与外套管的间隙为3mm，经计算支撑肋的高度为35 mm。

4、双套管安装及固定

 支垫垫焊接完毕后，用桁车将内套管整体送入外套管内。送入后，在内外套管上每隔5m钻进φ22的固定孔，每一截面沿圆周分布3个，再用100mm长φ25的螺栓锚定。内外套管固定后，再在外套管每隔5m焊接起吊环。

5、双套管间隙封堵

   双套管间隙封堵是最关键的环节之一，封堵材料必须强度低，在加载过程开始时，能够轻松脱落，重要的是有防水作用，经多方斟酌，项目部决定采用聚苯乙烯泡沫胶。由于混凝土灌注后从套管顶部返浆，浆体从孔口流入泥浆池循环时，势必会从双套管顶部之间的缝隙流入，故必须对管顶端与管底端都采用封堵手段，即双套管顶、底端1m范围均进行封堵。另外，考虑到混凝土顶升压力，以及封堵强度无任何强度，孔内返浆势必会渗入或穿透封堵材料，故要求封堵材料由原来设计的50cm增加至100cm，并且在内套管距离顶、底端100cm处设置一道环形的钢卡环，与内套管焊接，钢卡环与外套筒之间的缝隙距离不得大于3mm，确保钢卡环能够将随返浆压力而移动的泡沫胶进行阻隔，且可保证泡沫胶进一步密实，避免其移动后破坏，造成大面积渗漏，返浆进行套筒缝隙，双套筒失效。

    封堵是双套管制作完毕后最后一道工序，采用喷枪方式注入缝隙之中，拟在距外套端部1m范围内在外套管侧壁开孔，再进行反复充填，充填完毕后，再用钢板焊接封口。

6、试桩双套管施工

    试桩施工前必须准确计算空孔深度,即确保双套管埋设深度及开孔钻进深度，在施工过程中，我部对旋挖钻机开孔钻头进行精确度量，采用Ø1400mm、Ø1200mm钻头分别对Ø1000mm、Ø800mm试桩进行钻进，钻进深度较理论计算深度深约50cm。钻孔完毕后，取出开孔钻护筒，采用吊车对双套管进行起吊。由于双套管设计长度较长，对于起吊点设计、起吊方式选择以及起吊设备的要求必须进行相应计算复核。对于起吊吊点，项目部在进行双套管制作时便通过计算复核将吊点焊接于外套管外壁，吊装时采用两台25T吊车同步起吊，一台起吊顶部吊点，另一台托住底部吊点，同步指挥，同步起吊，整个起吊过程在专业吊装工的指挥下进行。

    考虑到孔口返浆工序，双套管必须在顶部进行割口，割口处缝隙必须采用油毡类材料进行填实，避免浆液渗入。

7、试桩双套管载荷试验检测

    试桩双套管安装完毕后，项目部立即进行相应的桩基施工工作，在试桩施工完毕后，进行桩帽施工，桩帽采用钢制护筒制作成型，采用手工电弧焊将桩帽端部与内套管焊接，在试桩、桩帽混凝土强度满足载荷试验条件后，检测单位对五组Ø1000mm试桩、两组Ø800mm试桩进行载荷试验工作。载荷试验时，将制作时用于固定的100mm长φ25的螺栓取出，将内外套管的束缚消除。试桩的沉降变形通过对称布置于桩头的四块百分表进行测量，百分表架设于桩帽上，与内套管相连，所有百分表均用磁性表座固定于基础梁上，同时确保基础梁具备一定刚度，外套管用水准仪测定原始标高数据，在试桩载荷受力之后，用于观测外套管沉降数据，以确信内外套管是否有效分离，达到设计所要求的目标。

         经最终检测，五组Ø1000mm试桩、两组Ø800mm试桩载荷试验满足设计要求，桩顶最大沉降量为29.68mm，最小沉降量为20.54mm，同时，经水准仪器观测，外套管顶标高沉降与初期测试值几乎无差别，表明内外套管已成功分离，在除去空孔部分钢筋混凝土自重的情况下，该数据已真实模拟出基桩在设计桩顶标高处实际受力情况。

8、主要结论

        （1）试桩双套管的成功运用，主要取决于各个环节的衔接配合，在原材料加工阶段必须严格按照设计尺寸进行下料、加工、整合，制作质量必须符合《钢结构工程施工质量验收规范》的规定要求，对于最为关键的双套管之间的间隙封堵环节必须充分考虑，认真组织实施，在安装阶段必须经过精密的复核计算及风险评估，以确保一次性安装成型。

        （2）结合目前武汉市建委的要求，试桩载荷试验时的桩顶标高必须与工程桩桩顶标高一致，即多数试桩静载试验必须在坑底以下完成，会造成时间过长，成本代价过大。通过试桩双套管的运用，可以真实模拟出基桩在设计桩顶标高阶段的实际受力情况，同样可达到试验的根本目的，同时能够在一定程度上节约时间、降低风险、节约成本。

   （3）在现行桩基础设计实际操作中，通常要求试桩的承载力检测结果达到工程桩所需承载力的1.1倍，以此确定工程桩的承载力，这种方式略微保守，通过试桩双套管的运用，可直接按照设计要求的承载力进行载荷试验。

       （4）由于双套管的作用是消除自然地面至工程桩桩顶标高之间桩身与土体之间的桩侧摩阻力对试桩承载力的影响，在进行设计试桩时，采用试桩双套管工艺，能够真实模拟出至桩顶标高后的工程桩实际受力情况，对于设计单位考虑桩身极限承载力取值，桩长、桩数的布设等均能更为接近真实情况，减少取值保守，资源浪费的风险，在确保结构安全的前提下，可进一步降低工程造价，节约成本，合理利用资源。