素混凝土鉆孔樁在松軟地基處理中的應用

王金艷

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

素混凝土樁是在碎石樁中加入適量的中砂、水泥和水將其攪拌，形成一種黏結(jié)度較高的剛性樁體。素混凝土樁與CFG樁在受力和變形特性方面非常相似:具有一定的強度，為剛性樁，工作性狀于散體材料樁有很大不同，不需要周圍土體的約束作用就可以將豎向荷載傳遞到深部土層或者持力層上。素混凝土剛性樁復合地基提高承載力幅度大(一般能使地基承載力提高50% ～100%)，變形模量高。根據(jù)不同的配比，素混凝土樁樁身混凝土強度可任意調(diào)節(jié)，通過改變樁長、樁徑、樁距、樁身強度、墊層厚度等設計參數(shù)，滿足地基處理加固要求。素混凝土鉆孔樁相對于CFG樁施工工藝鉆孔成樁方式要多，更能適應場地的選擇。

2 設計理論

2.1 復合地基承載力設計計算

(1)計算公式

復合地基承載力

式中 m——樁土面積置換率;

Ap——樁的面積/m2;

α——樁間土強度提高系數(shù)，本次設計可取值1;

β——樁間土強度發(fā)揮系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取值，如無經(jīng)驗時可取0.75～0.95，本線在設計中取值0.85;

Ra——單樁豎向承載力特征值(kN)可按下式計算

式中 up——樁周長/m;

n——樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);ιi——第 i層土的厚度/m;

qsi、qp——樁周第 i層土的側(cè)摩阻力、樁端阻力特征值/kPa。

2.2 復合地基變形計算

在荷載作用下，復合地基的總沉降量s包含兩部分(褥墊層的變形很小，可以忽略不計):加固區(qū)壓縮量s1+下臥層壓縮量s2。下臥層的壓縮量s2用分層總和法計算，具體計算根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進行計算;加固區(qū)壓縮量s1存在以下幾種計算方法。

(1)計算方法的選取

應力修正法:根據(jù)復合地基樁間土分擔的荷載，按照樁間土壓縮模量，采用分層總和法計算樁間土的壓縮量，將計算得到的樁間土的壓縮量視為加固區(qū)土層的壓縮量，該法稱為計算復合地基加固區(qū)壓縮量的應力修正法。公式中采用的樁土應力比與樁土相對剛度、荷載大小及施壓方式、置換率、褥墊層及下臥層物理力學性質(zhì)等因素有關(guān)。

樁身壓縮量法:假定樁體不發(fā)生上下刺入而通過樁身的壓縮量來計算加固區(qū)的變形，一般適用于柔性樁或下臥層剛度比較大的情況，顯然素混凝土樁復合地基處理深厚軟土地基采用這種方法不合適。

復合模量法:CFG樁復合地基在行業(yè)規(guī)范(《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79))中規(guī)定的設計方法。該方法在理論上還存在較大的缺陷，最大的問題是在樁土協(xié)同變形前提下加固區(qū)沉降如何發(fā)生。該方法采用了較多的經(jīng)驗系數(shù)，嚴格意義上說，只是一個經(jīng)驗公式，可能在總沉降的計算上具有一定的可靠度，很難做到將各地層沉降去分別分析研究。從這個意義上講，其沉降發(fā)生機理研究還是一件值得做和需要做的事情。

(2)素混凝土樁理論計算

首先確定前提條件:壓縮層厚度根據(jù)附加應力/自重應力不大于0.1;路堤成形后靜置沉落期按6～12個月考慮;路堤本體壓密沉降不計入工后沉降;復合土層的壓縮模量。

復合模量法考慮樁土協(xié)同承載，計算時復合土層分層與天然地基相同，復合土層的模量等于該層天然地基模量的ζ倍，ζ值可按下式確定

式中 fak——天然地基承載力特征值/kPa;

fspk——復合地基承載力特征值/kPa。

復合地基主固結(jié)沉降計算可按下式進行

式中 n1——加固區(qū)范圍內(nèi)土層分層數(shù);

n2——沉降計算深度范圍內(nèi)土層總的分層數(shù);

p0——線路中心處的附加應力，kPa;

Esi——地面下第i層土的壓縮模量，MPa;

Zi、Zi－1——地面至第 i層土、第 i－ 1 層土底面的距離/m;

ψ——沉降計算修正系數(shù)，可按表1取值。

表1 修正系數(shù)的取值

表中ˉEs為變形計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當量值，應按下式計算

式中 Ai——第i層土附加應力沿土層厚度積分值;

Esi——第i層土壓縮模量值/MPa，樁長范圍內(nèi)按復合土層的壓縮模量取值。

3 工程實踐

3.1 工程概況

本工程位于站場內(nèi)，線路以填方通過，地形較平坦開闊。路堤中心填高7.2 m，邊坡最大高度7.5 m。

地層:粉質(zhì)黏土，黃褐色，軟塑，局部硬塑，含大量鐵質(zhì)氧化物，土質(zhì)均勻，其中0～0.3 m為耕植土，3.8～4.7 m為褐灰色，厚約5.8，承載力140 kPa;中砂，褐灰色，稍密，5.8～6.1 m為潮濕，6.1～8.1 m為飽和，土質(zhì)不均勻，黏粒含量較高，含少量云母碎片，厚約1.45 m，承載力190 kPa;細砂，褐黃色，稍密，飽和，主要成份為長石、石英，含少量云母碎片，厚約4.9 m，承載力140 kPa;粗砂，灰黃色，中密，飽和，主要成份為長石、石英，含10% ～15%的圓礫，其中16.8～17 m為粉質(zhì)黏土夾層，厚約5.3 m，承載力140 kPa;中砂，淺灰色，中密，飽和，主要成份為長石、石英，承載力300 kPa。

原設計地基加固采用CFG樁，樁長28～28.4 m。線路在某處與220 kV高壓電線相交，與線路大里程方向交角為80°2'46″，交叉范圍內(nèi)距原地面最小距離為11 m，高壓線設計改移方式為抬高。因高壓線改移施工工期尚不確定，CFG樁施工設備較高，無法在現(xiàn)狀下施工，需改變加固措施，進行變更設計。

3.2 地基處理要求和方案比選

根據(jù)本段地質(zhì)勘察資料和線路軌道設計標準，為滿足穩(wěn)定和沉降等要求，需進行地基處理。無碴軌道工后沉降一般不應超過扣件允許的沉降調(diào)高量15 mm;沉降比較均勻、長度大于20 m的路基，允許的最大工后沉降量為30 mm。路基的穩(wěn)定安全系數(shù)考慮列車荷載作用時不小于1.25。

地基處理的方法很多，為選出最優(yōu)的地基處理設計方案，從經(jīng)濟、技術(shù)、施工、處理后的復合地基承載力等方面進行簡單的對比(如表2所示)。

表2 地基處理方案比選

綜上所述，素混凝土樁能夠節(jié)約大量鋼材，加固后的地基承載力大幅度提高，施工機械能滿足要求，初步?jīng)Q定采用素混凝土樁進行地基加固處理。

3．3 素混凝土樁地基加固設計

(1)設計參數(shù)

素混凝土樁徑采用500 mm，首選砂層為樁端持力層，樁長28 m。采用矩形布置，間距1.5 m。樁身混凝土采用C20強度等級(如表3所示)。

表3 路基系數(shù)

(2)結(jié)論

根據(jù)公式，選取地質(zhì)參數(shù)地質(zhì)剖面中柱狀圖計算，計算單樁承載力最小值600 kN，但考慮到地層有一定的起伏及其不良地質(zhì)影響，實際取用單樁承載力特征值為600 kN。

計算地基變形需要預估算路基在施工期間和預壓鋪軌期間的地基變形值，以便預留有關(guān)部分的凈空，選擇連接方法和施工順序。一般路基在施工期間完成的沉降量，對于砂土可認為其最終沉降量已完成80%以上，對于其他低壓縮性土可認為已完成最終沉降量的50%～80%，對于中壓縮性土可認為已完成20% ～50%，對于高壓縮性土可認為已完成5% ～20%。本工程經(jīng)計算得出總沉降為32 mm，按照鋪軌運營之前完成60%，滿足規(guī)范要求。

3．4 影響沉降計算精度的因素

鑒于無砟軌道路基沉降控制標準已經(jīng)到了毫米級的精度，對于沉降計算精度提出了更高的要求，但是土質(zhì)地基畢竟不是精密儀器，土力學理論發(fā)展到今天，變形計算誤差尚無法保證控制在厘米范圍。下列因素直接導致了地基變形計算很難提升精度:

①鉆孔取樣難以避免的擾動，試件存放，化驗過程中儀器、操作人員水平的差異將直接導致誤差發(fā)生。

②從設計計算方法可以看出，有很多經(jīng)驗系數(shù)，其取值范圍往往相差很大，其峰值與谷值的差別遠遠超出了計算精度要求。

③CFG樁及預制管樁雖然在我國目前采用的設計方法中并不相同，但是對于路基荷載而言，其作用方式并無很大區(qū)別。兩種方法在形式及設計思路上存在較大差異。本工程素混凝土樁采用的計算理論同CFG樁，因復合地基理論本身具有一定假定條件，對于路基荷載而言，其作用方式與其假定也較大差異，是否合理有待進一步試驗、研究確定。

④壓縮層厚度的確定也存在較大差異，不同的確定標準直接導致的沉降差異已經(jīng)遠遠超過了無砟軌道變形控制標準。法國以路堤底寬的3倍來確定壓縮層厚度;德國采用按附加應力等于0.1倍自重應力確定。

⑤樁體復合地基上基礎剛度大小、是否鋪設墊層、墊層厚度等都對復合地基受力性狀有較大影響，在樁體復合地基承載力和沉降計算中都要考慮這些因素影響。

復合地基技術(shù)正在發(fā)展，不少新的復合地基形式得到應用，應該說復合地基的計算理論還很不成熟，需要加以研究、發(fā)展、提高。

4 結(jié)束語

從路基填筑、堆載和試運營期的沉降觀測結(jié)果來看，按照現(xiàn)今的地基加固技術(shù)能夠滿足無砟軌道工后沉降的要求;從運營后沉降觀測結(jié)果來看，工后沉降也在設計控制范圍內(nèi)，說明了素混凝土樁地基加固措施是合理的。

采用素混凝土樁加固地基可較大幅度提高復合地基承載力。由于設置了褥墊層，樁間土的承載力得到了充分發(fā)揮，很好地解決路基地基變形問題，滿足沉降量要求。素混凝土灌注樁適用于受電力線下等低矮空間影響的段落，造價低，工期相對較短，具有較好的經(jīng)濟性和適用性，應用前景十分廣闊。

［1］ 龔曉南．復合地基理論及工程應用［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007

［2］ 劉成宇．土力學［M］．北京:中國鐵道出版社，2000

［3］ 孟非，熊巨華，楊敏．素混凝土樁復合地基的工程實踐［J］．四川建筑科學研究，2004(2)

［4］ 池躍君，宋二祥，金淮，等．素混凝土樁復合地基荷載傳遞機理的試驗研究［J］．工業(yè)建筑，2001，31(4):39-42

［5］ JGJ79—2002 建筑地基處理規(guī)范［S］

［6］ GB 50007—2002 建筑地基基礎設計規(guī)范［S］

［7］ 閻明禮．地基處理技術(shù)［M］．北京:中國環(huán)境科學出版社，1996

［8］ JGJ79—2002 建筑地基處理規(guī)范［S］

［9］ 崔維孝．深厚壓縮層地基條件下樁筏基礎路基沉降特性研究［J］．鐵道工程學報，2009(4):9-25