旋噴樁復(fù)合地基加固技術(shù)應(yīng)用研究

江健宏 張宏博 李莉莉

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250031; 2.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)達(dá)，路基或堤壩工程下穿既有橋梁的現(xiàn)象越來越多，對(duì)公路或水利壩體的設(shè)計(jì)提出了諸多難題。其中，由于堆載產(chǎn)生的負(fù)摩阻力及側(cè)向土壓力會(huì)對(duì)既有橋梁樁基穩(wěn)定性及沉降產(chǎn)生較大的影響，有必要對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)地基進(jìn)行加固處理，以保護(hù)橋梁安全。然而，在地基處理技術(shù)的選擇中，由于存在施工凈空受限，以及振動(dòng)沉樁方式對(duì)樁基穩(wěn)定會(huì)造成較大影響等問題，諸如PHC管樁、振動(dòng)沉管樁、攪拌樁等樁型的采用會(huì)受到很大限制而難以應(yīng)用。經(jīng)方案比選，高壓旋噴技術(shù)可在較大程度上克服上述技術(shù)難題。該技術(shù)是將帶特殊噴嘴的注漿管通過鉆孔至土層預(yù)定位置后，采用高壓設(shè)備使?jié){液或水成穩(wěn)高壓流沖切壞土體，并在噴射漿液的同時(shí)以一定的速度旋轉(zhuǎn)和提升，形成水泥土柱體，并與樁周土體形成旋噴樁復(fù)合地基共同承載，從而提高地基承載力，減少地基沉降[1]。

因此，本論文依托京杭運(yùn)河萬年復(fù)線船閘的新建大堤下穿某大型橋梁工程，采用了高壓旋噴技術(shù)對(duì)地基進(jìn)行加固，對(duì)旋噴樁處治地基的布樁設(shè)計(jì)及參數(shù)進(jìn)行了介紹，并通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定了旋噴樁身強(qiáng)度、模量及地基承載力。在此基礎(chǔ)上，對(duì)處理前后樁周土體的沉降變形進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。本論文可為類似工程案例提供良好的借鑒意義。

1 工程概況

京杭運(yùn)河萬年復(fù)線船閘的新建大堤在某大橋33號(hào)、34號(hào)橋墩中間穿過，如圖1所示，堤壩頂標(biāo)高36 m，橋下凈空約7 m，堤壩高度5.45 m，堤壩坡度1∶3，堤壩下的地基土自上而下共分為7層：①粘土，灰色，可塑，干強(qiáng)度中等，刀切面光滑，含少量有機(jī)質(zhì)，層厚2.3 m；②淤泥質(zhì)粘土，黃褐色，軟塑，見錳鐵氧化物及灰藍(lán)條紋,層厚6.1 m；③粘土，黃褐色，硬塑，粘性較好，干強(qiáng)度中等，粘粒含量高，偶見姜石，層厚5.1 m；④粘土，褐黃色，硬塑，粘性較好，見灰藍(lán)條紋及錳鐵氧化物，混少量砂粒,層厚3.8 m；⑤中砂，黃褐色，飽和，中密，砂質(zhì)不純，含粘土團(tuán)塊，顆粒不勻，級(jí)配較好,層厚2.3 m；⑥全風(fēng)化頁巖，灰色，風(fēng)化強(qiáng)烈，原巖質(zhì)結(jié)構(gòu)基本破壞，呈土塊狀，手掰易碎，層厚4.5 m；⑦強(qiáng)風(fēng)化頁巖，灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，取芯呈碎塊狀，錘擊易碎。層厚10 m。地下水位4.8 m。

堤壩的堆載會(huì)引起土體產(chǎn)生新的固結(jié)沉降，而樁周土體的沉降會(huì)對(duì)樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力[2-4]，導(dǎo)致樁基容許承載力下降，同時(shí)土體的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致樁周土體的側(cè)向變形，從而引發(fā)樁基的側(cè)向撓曲變形[5]，有可能造成樁基或者橋墩的結(jié)構(gòu)破壞，基礎(chǔ)的沉降將對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。本工程采用高壓旋噴樁加固地基，用于提高堤壩地基承載力，并減少地基土沉降。

2 單樁承載力和復(fù)合地基承載力的確定

本工程中旋噴樁設(shè)計(jì)樁徑為0.6 m，樁間距為1.6 m，樁長(zhǎng)18.5 m，三角形布樁。

2.1 單樁豎向承載力特征值

根據(jù)JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，高壓旋噴樁單樁承載力特征值根據(jù)樁周和樁端土提供的抗力及樁身材料強(qiáng)度，分別按式(1),式(2)計(jì)算，取兩式計(jì)算結(jié)果的較小值。

(1)

Ra≤ηfcuAp

(2)

其中，fcu為樁身材料立方體抗壓強(qiáng)度;η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù);up為樁的周長(zhǎng);n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);qsi為樁周土第i層土的側(cè)阻力特征值;li為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度;qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值;α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)。經(jīng)計(jì)算得單樁豎向承載力特征值為397.4 kN。

2.2 復(fù)合地基承載力特征值

高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值采用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

其中，Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數(shù)，根據(jù)上文中旋噴樁的布樁形式，計(jì)算得到面積置換率:

m=d2/(1.05s)2=0.127。

經(jīng)計(jì)算得復(fù)合地基承載力特征值為247.4 kPa。

3 荷載試驗(yàn)

為驗(yàn)證復(fù)合地基承載力計(jì)算值的可靠性，在復(fù)合地基施工結(jié)束后進(jìn)行了單樁荷載試驗(yàn)和單樁復(fù)合地基試驗(yàn)，其中單樁荷載試驗(yàn)、單樁復(fù)合地基試驗(yàn)各3組。試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)GJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[7]進(jìn)行。在荷載試驗(yàn)進(jìn)行前，對(duì)旋噴樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明各樁身基本完整，同時(shí)對(duì)樁身取樣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量分別為6.5 MPa和1.1 GPa。

單樁荷載試驗(yàn)采用直徑為0.6 mm的圓形承壓板，樁長(zhǎng)18.5 m，3組荷載試驗(yàn)Q—S曲線見圖2。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的單樁軸向承載力特征值Ra及單樁復(fù)合地基承載力特征值fspk(s/b=0.006)，如表1,表2所示。

表1 單樁承載力特征值Ra kN

表2 單樁復(fù)合地基承載力特征值fspk kPa

單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)承壓板尺寸為1.6 m×1.6 m，試驗(yàn)時(shí)樁、承壓板和千斤頂?shù)闹行脑谕恢本€上，承壓板下鋪150 mm厚砂石褥墊層，樁長(zhǎng)為18.5 m，面積置換率為0.127，試驗(yàn)最大荷載為500 kN。4組P—S曲線如圖3所示。

從圖2，圖3可以看出，高壓旋噴樁及其單樁復(fù)合地基在豎向荷載作用下具有類似的變形模式，極限荷載不明顯，在豎向荷載作用下，旋噴樁復(fù)合地基相繼出現(xiàn)壓密，局部剪切破壞。

表1結(jié)果表明，旋噴樁單樁承載力實(shí)測(cè)值比計(jì)算值要大，這主要是由于旋噴樁施工采用高壓噴射和土層差異導(dǎo)致樁周摩阻力增大，而計(jì)算值采用的是平均直徑。

表2結(jié)果表明,經(jīng)處理后的復(fù)合地基承載力特征值大于247.4 kPa，滿足要求。

4 地基沉降量

4.1 處理前的地基沉降量

堤壩填土荷載引起原地基的固結(jié)沉降，在地基未進(jìn)行高壓旋噴樁處理前，采取布西奈斯克原理和分層總和法確定地基的壓縮層厚度和沉降量[8-10]。

由于堤壩長(zhǎng)寬比較大，因此在計(jì)算樁基位置附加應(yīng)力過程中可視為半無限彈性體表面作用無限長(zhǎng)條形分布荷載，作為平面應(yīng)變問題進(jìn)行計(jì)算分析。

在土體表面作用均布條形荷載P，其分布寬度為b，計(jì)算土中任意一點(diǎn)的豎向應(yīng)力σz如式(4)所示。

(4)

其中，m=z/b;n=x/b。

在土體表面作用三角形條形分布荷載，其最大值為P，計(jì)算土中任意一點(diǎn)的豎向應(yīng)力如式(5)所示。

(5)

其中，m=z/b;n=x/b。

由于對(duì)于三角形分布荷載與矩形分布荷載作用于半無限空間體附加應(yīng)力存在理論解，因此把堤壩荷載劃分為三角形荷載與矩形荷載7部分，如圖4所示。則堤壩荷載對(duì)O點(diǎn)處的附加應(yīng)力：

σz=σz(hbo)+σz(ehi)-σz(eaf)+σz(eji)-σz(edf)+
σz(jgc)+σz(hjgo)

(6)

地基土中深度Z處的豎向自重應(yīng)力為：

σCZ=∑γihi

(7)

當(dāng)土層位于地下水位以下時(shí)：

(8)

根據(jù)地基土的試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算出各層的附加應(yīng)力和自重應(yīng)力，根據(jù)0.2應(yīng)力比法確定地基壓縮層厚度為20.9 m。

沉降計(jì)算依據(jù)分層總和法，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

(9)

表3 沉降計(jì)算表

4.2 處理后的地基沉降量

對(duì)地基進(jìn)行加樁處理后的地基沉降量，通過復(fù)合模量法計(jì)算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，復(fù)合模量采用式(10)進(jìn)行計(jì)算:

Esp=mEp+(1-m)Es

(10)

地基沉降計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 旋噴樁復(fù)合地基沉降預(yù)測(cè)值

通過計(jì)算比較可以看出，旋噴樁處理后的復(fù)合地基沉降量大幅度減少。

5 結(jié)論

1)既有樁基周圍土體在堆載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，引起樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，從而導(dǎo)致樁基外荷載增大，承載能力降低。

2)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及承載力試驗(yàn)表明，由于高壓旋噴施工過程中的漿液擴(kuò)散，高壓旋噴樁實(shí)際直徑大于設(shè)計(jì)直徑，處治地基后的承載力高于設(shè)計(jì)值，能夠滿足工程需求。

3)地基采用旋噴樁處理后，經(jīng)計(jì)算工后沉降明顯減少，基本消除了堆載對(duì)樁身產(chǎn)生的負(fù)摩阻力，可滿足設(shè)計(jì)要求。