高速鐵路路基山前沖洪積復(fù)雜地層螺桿樁加固設(shè)計

孫宏偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

?

高速鐵路路基山前沖洪積復(fù)雜地層螺桿樁加固設(shè)計

孫宏偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

提出針對山前沖洪積復(fù)雜地質(zhì)情況路基加固及進一步控制工后沉降變形的系統(tǒng)性措施，介紹了路基沉降尤其是工后沉降的計算方法，重點介紹螺桿樁單樁承載力計算方法與要求，闡述了螺桿樁施工要點及質(zhì)量控制要求建議。

無砟軌道 工后沉降 螺桿樁 計算分析方法

1 概述

高速鐵路無砟軌道路基工后沉降控制要求十分嚴格。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB10621—2014J1942—2014)無砟軌道路基工后沉降應(yīng)符合線路平順性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和扣件調(diào)整能力的要求，工后沉降不宜超過15 mm， 路基與橋梁、隧道或橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后沉降差不應(yīng)大于5 mm。近年來，我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅猛，設(shè)計中遇到的各種復(fù)雜地質(zhì)情況也愈來愈多，無砟軌道路基工程措施對地質(zhì)條件尤為敏感。螺桿樁作為近年來新興的地基加固技術(shù)，具有地層適應(yīng)性強、強度高、工期短、抗震小、少取土、不排漿、少污染等優(yōu)勢，在鐵路工程中逐步得到應(yīng)用。某高鐵路基工程為山前沖洪積地層，密實程度變化較大，性質(zhì)極不均勻，沉降控制措施如何選擇以滿足高速鐵路工后沉降要求，是設(shè)計、建設(shè)單位人員普遍關(guān)心的問題，也是高速鐵路路基地基處理工程中需要解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)過方案比選，采取螺桿樁進行加固，效果顯著，沉降變形可控，為無砟軌道按時鋪設(shè)創(chuàng)造了有利條件。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某鐵路客運專線為無砟軌道，設(shè)計時速350 km。其中0.75 km路基位于山區(qū)隧道出口，線路主要以低填淺挖方式通過，地形起伏較大，植被稀疏。

地層巖性(自上而下，如圖1所示)：黏質(zhì)新黃土，軟塑—硬塑，成分以黏土為主，σ0=140 kPa，厚6.00～15.1 m；粗角礫土，中密，σ0=400 kPa，厚0.00～9.60 m；碎石土，中密，σ0=550 kPa，厚0～4.20 m；粗角礫土，密實，σ0=500 kPa，厚0.00～5.6 m；粉質(zhì)黏土，軟塑—硬塑，σ0=170 kPa，厚0.00～19.40 m；安山巖，全風化,σ0=300 kPa，厚0.00～1.00 m；安山巖，強風化，成分以斜長石、輝長石為主，σ0=800 kPa，厚0.00～6.42 m；安山巖，弱風化，塊狀構(gòu)造，σ0=1 500 kPa，厚>10 m。地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，地下水對鐵路混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。地震動峰值加速度為0.10 g，土壤最大凍結(jié)深度0.55 m。

2.2 地基加固設(shè)計方案比選

設(shè)計工點位于山前沖洪積地層，松軟新黃土、粉質(zhì)黏土層中夾雜厚度不均勻的角粒土，碎石土夾層。結(jié)合地基沉降檢算成果，地基應(yīng)采取一定措施進行加固，原則上應(yīng)穿透各夾層進入穩(wěn)定持力層。本段工程采用三種方案作為比選。方案一：采用CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行地基加固，樁徑0.5 m，樁間距2.0 m，平均設(shè)計樁長17.0 m，樁端進入下部角礫土層，樁頂設(shè)鋼筋混凝土樁帽；方案二：采用鉆孔灌注樁結(jié)合筏板結(jié)構(gòu)進行地基加固，樁徑0.8 m，樁間距6.0 m，平均設(shè)計樁長20.0 m，樁端進入下部基巖，樁頂設(shè)鋼筋混凝土筏板，板厚0.8 m；方案三：采用螺桿樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行地基加固，樁徑0.5 m，樁間距2.2 m，平均設(shè)計樁長17.0 m，樁端進入下部角礫土層，樁頂設(shè)鋼筋混凝土樁帽。

圖1 典型地質(zhì)縱斷面

方案一采用CFG樁加固，須穿過碎石土、角礫土夾層，目前CFG裝設(shè)備對于這種地層尤其是含碎石、塊石夾層鉆入難度較大，極易引起樁長不足問題，為避免后期樁長不到位的風險，不推薦采用本方案；方案二采用鉆孔灌注樁加固，須穿過碎石土、角礫土夾層進入下部基巖，施工設(shè)備能夠穿過硬夾層，但總費用過高；方案三采用螺桿樁加固，穿過碎石土、角礫土硬夾層。螺桿樁是一種“上部為圓柱形、下部為螺絲形”中等直徑、組合式部分擠土灌注樁，適用于黃土、黏土，卵礫石層、碎石層、全—中風化巖層等各種土層，且不受地下水位的限制，施工設(shè)備能夠達到要求，工程造價最優(yōu)。根據(jù)方案比選結(jié)果，本段路基選用螺桿樁方案進行地基加固(如表1)。

表1 設(shè)計方案綜合對照

2.3 螺桿樁樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺桿樁樁徑0.5 m，樁長應(yīng)檢算確定，原則上須穿透松軟土至硬層，螺紋段長度宜為總樁長的1/3～1/2。螺桿樁端部厚度宜為50 mm，根部厚度宜為100 mm，螺距與樁徑之比宜為0.6～1，如圖2所示。

H—設(shè)計樁長；h1—直桿段長度；D—樁直徑；d—芯管直徑；d1—螺牙根部厚100 mm；d2—螺牙端部厚50 mm；b—螺牙寬為100 mm；h—螺牙與螺牙之間的距離(300～350 mm)。

(2)設(shè)計樁長及樁間距

穿過新黃土、粉質(zhì)黏土等松軟土層，同時應(yīng)穿過夾雜的碎石土、角礫土夾層，進入穩(wěn)定的角礫土或碎石土層，工點范圍內(nèi)設(shè)計樁長15～20 m。樁間距一般為3～5倍樁徑，正方形布置，參考類似工程經(jīng)驗，樁間距確定為2.2 m。

(3)樁頂結(jié)構(gòu)設(shè)計

工點范圍內(nèi)地層復(fù)雜，軟硬不均且路基填方高度較低，為避免路基不均勻沉降變形對無砟軌道平順性的不利影響，于螺桿樁樁頂設(shè)0.1 m厚素混凝土+0.2 m厚碎石墊層，其上設(shè)0.5 m厚鋼筋混凝土筏板，以協(xié)調(diào)基底差異變形(如圖3所示)。

圖3 螺桿樁地基加固方案橫斷面示意(單位：m)

(4)控制工后沉降的其他措施

采用堆載預(yù)壓措施進一步控制沉降?；驳讓犹钪瓿珊蠡脖韺犹钪疤钪A(yù)壓土，預(yù)壓土高度3.0 m，預(yù)壓土卸載時間以沉降觀測數(shù)據(jù)評估滿足工后沉降要求為準。高速鐵路路基施工過程中應(yīng)進行系統(tǒng)的沉降觀測，在路基上鋪設(shè)軌道前，對路基變形做系統(tǒng)的評估，路基填筑完成或施加預(yù)壓荷載后應(yīng)有不少于6個月的觀測和調(diào)整期，觀測數(shù)據(jù)不足以評估或工后沉降不能符合要求時，應(yīng)繼續(xù)觀測或者采取必要的加速或控制沉降的措施。

2.4 地基加固沉降與承載力檢算

(1)地基沉降計算

原始及復(fù)合地基最終沉降計算可按分層總和法進行[2]

式中ψ——沉降計算修正系數(shù)，可按表2取值。

表2 沉降計算修正系數(shù)

表2中Esa為變形計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當量值，按下式計算

式中Ai——第i層土附加應(yīng)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(fù)合土層的壓縮模量取值。

復(fù)合土層分層與天然地基相同，復(fù)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[3]

式中fak——天然地基承載力特征值/kPa；

fspk——復(fù)合地基承載力特征值/kPa。

本線設(shè)計中采用經(jīng)驗法[2]進行工后沉降估算，施工期間完成的沉降量相對于總沉降量，對于壓縮層深度范圍內(nèi)砂類土、碎石類土可認為已完成總沉降的90%以上，其它低壓縮性土可認為已完成70%～80%，中壓縮性土可認為已完成50%～60%。根據(jù)地質(zhì)資料(如表3)進行沉降計算，設(shè)計范圍內(nèi)代表性鉆孔沉降計算結(jié)果見表4，加固后路基工后沉降值滿足規(guī)范要求。

(2)承載力計算

根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB10106—2010)、山東省工程建設(shè)標準DBJ14—091—2012《螺旋擠土灌注樁技術(shù)規(guī)程》，螺桿樁單樁承載力標準值按下式計算

Quk=Qsk1+Qsk2+Qpk=U∑qsikli+

式中Qsk1——單樁直桿段總極限側(cè)阻力標準值；

Qsk2——單樁螺紋段總極限側(cè)阻力標準值；

Qpk——單樁總極限端阻力標準值；

qsik——單樁第i層土的極限側(cè)阻力標準值；

qpk——單樁極限端阻力標準值；

u——樁身周長；

Ap——樁端面積；

li——樁周第i層土的厚度；

αsi——第i層土的樁側(cè)極限側(cè)阻力標準值的增大修正系數(shù)，αsi=1.2～1.5，取1.3。

表3 主要松軟土層物理力學(xué)指標統(tǒng)計

表4 工點范圍內(nèi)代表性鉆孔沉降計算匯總 mm

經(jīng)計算，本段路基單樁承載力特征值P=Quk/2≥1 000 kN，復(fù)合地基承載力fspk≥300 kPa，滿足設(shè)計要求。

螺桿樁為變截面樁，除計算樁身承載力之外，還應(yīng)對變截面處進行樁身強度驗算，變截面直徑按芯管直徑計算。變截面強度驗算按下式計算

N=320kN≤0.25πφcfcd2=910kN

(5)

式中φc——成樁工藝系數(shù)，一般取0.8；

fc——混凝土抗壓強度設(shè)計值/kPa；

d——螺紋段芯管直徑/m；

N——荷載效應(yīng)基本組合下變截面的軸向壓力設(shè)計值/kN。

變截面強度滿足要求。

2.5 施工及質(zhì)量控制要點

加強螺桿樁成樁工藝管控，監(jiān)控成樁過程中的同步與不同步技術(shù)流程，確保按設(shè)計要求形成螺紋并施打到位。為減少變更和截樁，螺桿樁施工前應(yīng)首先進行試樁，試樁應(yīng)沿路基中心縱向整列及一定間隔橫向分段落試樁，試樁區(qū)分不同地段、不同地層取樣檢測，檢測合格才能用于大面積施工。

2.6 質(zhì)量驗收標準探討

目前螺桿樁地基處理技術(shù)已有了多個地方規(guī)范、標準，這些標準中均對螺桿樁的設(shè)計、施工和質(zhì)量檢驗及驗收給出了具體規(guī)定。在鐵路工程尤其是高速鐵路工程中尚無通用行業(yè)標準，鑒于工程需要，本工程設(shè)計中結(jié)合具體情況給出了質(zhì)量驗收要求，用來指導(dǎo)和配合現(xiàn)場螺桿樁地基處理施工。主要內(nèi)容參考了現(xiàn)有行業(yè)驗收標準中關(guān)于CFG樁、素混凝土樁的有關(guān)要求，具體有螺桿樁樁體材料品種、規(guī)格及質(zhì)量要求，混合料坍落度、強度要求，螺桿樁的數(shù)量、樁長及布樁形式要求，螺桿樁的樁身完整性，單樁或復(fù)合地基承載力檢驗要求等。對于螺紋段成樁質(zhì)量的檢驗，建議在工程樁范圍以外分段打設(shè)若干試樁(檢驗樁)，后期通過機械開挖方式直觀檢驗螺紋段成樁質(zhì)量。

3 結(jié)論

本段螺桿樁地基加固工程實施后，經(jīng)現(xiàn)場實測，螺桿樁單樁承載力較設(shè)計承載力仍有一定提高；現(xiàn)場實測路基沉降變形數(shù)據(jù)短時間趨于穩(wěn)定，路基沉降變形可控，為后期按時鋪設(shè)無砟軌道創(chuàng)造了有利條件。綜上，得出以下主要結(jié)論：

(1)螺桿樁屬于部分擠土樁，對卵礫石層、碎石層及全—中風化巖層等各種土層具有較強的適應(yīng)性，對于密實程度變化較大、性質(zhì)極不均勻的山前沖洪積地層中采用該種加固措施控制無砟軌道路基沉降是合適的。

(2)螺桿樁將常識中“螺絲釘比釘子牢固”的道理運用在樁與樁施工中，單樁承載力較傳統(tǒng)直桿形樁提高顯著。

(3)螺桿樁具有工期短、功效高、抗震小、少取土、不排漿、少污染等施工優(yōu)勢。

(4)螺桿樁對于大塊徑卵石、碎石地層適應(yīng)性及施工工藝有待進一步研究探討，設(shè)計前宜首先進行試樁驗證，方案可行后方可采用。

[1] TB10106—2010鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程[S]

[2] GB50007—2011高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S]

[3] JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]

[4] DBJ14—091—2012螺旋擠土灌注樁技術(shù)規(guī)程[S]

[5] 于慶福.新型螺桿樁在深厚松軟土地區(qū)高速鐵路施工中的應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2014(5)：83-84

[6] 王驍哲.螺桿樁螺紋段承載力計算方法與直線段作用的探討[J].地基處理，2009，20(2)：3-8

[7] 彭桂皎，虞鋒，石慶華，等.螺桿樁新技術(shù)及其應(yīng)用[J].地基處理，2005，16(4)：25-31

[8] 閉歷平，方崇，張信貴.新型螺桿灌注樁的施工工藝與質(zhì)量控制措施[J].西部探礦工程，2006(12)：15-16

[9] 李波揚，吳 敏.一種新型的全螺旋灌注樁—螺紋樁[J].建筑結(jié)構(gòu)，2004，34(8)：55-57

[10]錢德玲.變截面樁與土的相互作用機理[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2003

Design of Reinforcement by Half-screw Pile in Complex Geological Conditions of Alluvial-proluvial Strata before Themountain for Subgrade in High Speed Railway

SUN Hongwei

2016-10-19

孫宏偉(1984—)，男，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0053-04

U238； U213.1+5

A