臨近既有線高壓旋噴樁復合地基承載特性分析

石旭東,張?zhí)?劉 斌,王定順

(蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

20世紀70年代末，我國引入高壓旋噴樁技術，在軟土地基的加固當中，該技術可以顯著地提高地基承載力.近年來，眾多學者對高壓旋噴樁復合地基承載力、樁土應力比及沉降開展了廣泛的研究.賈劍青[1]、宋興海[2]、何杰[3]等依托工程實際，結合理論設計和數(shù)值模擬研究了高壓旋噴樁復合地基的承載力.王向平等[4]通過現(xiàn)場試驗得出在不同荷載作用下樁頂應力、樁間土應力和樁土應力比的變化規(guī)律.李小杰[5]以具體工程為背景，對復合地基和旋噴樁單樁進行靜荷載試驗，繪制相應的P-S曲線，對比分析了高壓旋噴樁復合地基的承載力及沉降值的實測值和計算值的差異大小.潘華林等[6]采取一系列與高壓旋噴樁相關的現(xiàn)場載荷試驗，對所得試驗數(shù)據(jù)進行計算分析，研究了高壓旋噴復合地基的承載特性與強度.

本文以既有中川鐵路幫寬增建高速鐵路為背景，該段采用高壓旋噴樁進行地基處理，施工完成后需檢測高壓旋噴樁的成樁效果及單樁復合地基承載力，驗證施工參數(shù)的合理性，為類似工程提供施工參考依據(jù).

1 工程概況

新建中衛(wèi)至蘭州鐵路是我國“八縱八橫”鐵路網(wǎng)京呼銀蘭通道的重要組成部分，鐵路設計時速250 km，鐵路等級為客運專線，正線數(shù)目為雙線.本文選取了K47+986～K49+181工點為研究對象，長1 195 m，以填方形式通過，路基邊坡最大高度5.10 m，為既有鐵路路基幫寬增建高速鐵路路基工程.各地層土體工程地質(zhì)特征詳述見表1.

該段地基采用高壓旋噴樁加固技術，現(xiàn)場采用單管法施工.樁長11～16 m，樁徑0.5 m，樁間距1.4 m，樁平面采用正方形布置，路堤處理寬度內(nèi)側(cè)為距既有線坡腳2 m，外側(cè)處理至既有線樁基范圍邊緣.高壓旋噴樁布置如圖1所示.施工參數(shù)見表2.

2 鉆芯取樣試驗

鉆孔取芯檢測是利用高速液壓鉆機，在旋噴樁成樁28 d后鉆孔取芯，觀察芯樣的完整性、均勻性以及成樁效果，并對所取芯樣檢測其抗壓強度是否符合設計要求.

表1 地層工程地質(zhì)特征

圖1 高壓旋噴樁布置

表2 高壓旋噴樁施工參數(shù)

本工點對高壓旋噴樁進行鉆孔取芯檢測時，采用X-100型鉆機、微機控制電子萬能試驗機，在樁徑的1/4處進行鉆芯取樣，提鉆、下鉆慢速均勻.所取芯樣經(jīng)初步觀察、分析后及時送實驗室，對不同深度芯樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，在所有鉆芯試驗中選取10根樁，以表格形式描述每根樁最深處鉆孔取芯結果見表3，現(xiàn)場檢測如圖2所示.

表3 芯樣測試結果

圖2 現(xiàn)場檢測

樁身完整性描述：水泥土，灰色，芯樣連續(xù)，膠結均勻；主要呈長柱狀，部分柱狀～短柱狀；受機械作用破壞個別部位呈餅狀，局部破碎，樁身完整、均勻，鉆芯后的孔洞采用水泥砂漿灌注封閉.

檢測樁長均大于設計樁長，表明樁長滿足設計要求.高壓旋噴樁嚴格按照施工工藝施工時，樁的強度隨深度逐漸增大，且每一深度所測強度均大于設計要求的3 MPa，樁最深處無側(cè)限抗壓強度為7.3～11.5 MPa，符合設計要求.樁體有效直徑為500～530 mm，不小于設計值500 mm.

3 單樁復合地基靜荷載試驗

3.1 試驗設計

所選工點土層分布厚度同表1中地層工程地質(zhì)特征，在高壓旋噴樁成樁28 d齡期后，對樁頭進行切割處理，從而進行后續(xù)的高壓旋噴樁單樁復合地基靜荷載試驗.試驗采用壓重平臺反力慢速維持荷載法加載.試驗時采用的荷載板為方形厚鋼板，邊長為1.4 m，面積1.96 m2，壓板下鋪設0.02 m厚的粗砂墊層找平.所選樁的周圍布設4個土壓力盒并逐一編號，并讀取初始讀數(shù)f0，土壓力盒為JMZX-50XX系列智能弦式數(shù)碼壓力盒，布置圖如圖3所示.承壓板以樁為中心水平放置在鋪好的墊層上，千斤頂放置于樁的中心位置，安裝時要求混凝土試塊安裝水平，兩邊比重均衡，使用百分表測得加載時的沉降值，上部安裝在水平的橫梁上，底部與承載板接觸，試驗前將讀數(shù)調(diào)整為0，現(xiàn)場試驗如圖4所示.

圖3 土壓力盒現(xiàn)場布置

圖4 單樁復合地基靜荷載試驗

試驗采用慢速維持荷載法，分7級施加荷載，第一級施加荷載為50 MPa，隨后每一級增加50 MPa，每加一級荷載均應讀取承壓板沉降量1次及土壓力盒讀數(shù)，以后每0.5 h讀記1次，當1 h內(nèi)沉降量小于0.1 mm時，即可施加下一級荷載，最終施加的荷載大小為310 MPa.

3.2 樁土應力比

在單樁復合地基靜荷載試驗中選取3根樁進行剛性加載板下的樁頂應力、樁間土應力及樁土應力比測試與分析，所選樁的樁號為k47+480.5-5#、k47+458.1-3#、k47+886.9-2#，以下分別簡稱為1、2、3號樁，樁長分別為11.7、14.3、15.0 m.加載時土壓力盒讀取的頻率值為fi，通過fi、f0以及標定系數(shù)計算出4個位置相應的樁間土應力，運用靜力平衡計算出樁頂應力，最終得出樁土應力比.

高壓旋噴樁樁頂應力、樁間土應力、樁土應力比隨荷載變化曲線如圖5～7所示.

圖5 樁頂豎向應力曲線

圖6 樁間土豎向應力曲線

圖7 樁土應力比曲線

由圖5～7可以看出：樁頂應力和樁間土應力隨荷載的增大逐漸增大，樁頂應力的變化更為明顯.隨著荷載的增大，樁頂應力不斷增大，且增長速率較快，樁間土應力增長速率相對較小.樁土應力比在50～200 kPa荷載作用下增長達66.01%；250～310 kPa荷載作用下增長較為緩慢，為12.57%.因所選工點天然地基含水率較大，高壓旋噴樁承受荷載遠大于樁間土所承受荷載，故而樁土應力比較大，3根樁最終樁土應力比分別為27.49、27.16、25.42.

3.3 試驗結果分析

現(xiàn)場試驗測試所得復合地基荷載-沉降曲線如圖8所示.

圖8 單樁復合地基荷載-沉降曲線

由圖8可知，所加荷載為310 kPa時，所選樁的沉降量達到21.94～24.88 mm，荷載-沉降曲線變化較緩，比例界限和極限荷載不明顯，復合地基承載力未達到極限狀態(tài).根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79—2012)規(guī)定[7]，結合現(xiàn)場試驗所得數(shù)據(jù)計算繪制的荷載-沉降曲線，本次試驗承載力特征值確定方法為：取s/d=0.008(d=1.4 m；s為試驗測得的沉降量)，即單樁復合地基承載力特征值為s=0.008d=11.2 mm時對應的荷載值.結果如表4所示.

表4 單樁復合地基承載力特征值

由表4可知:通過現(xiàn)場試驗所得的單樁復合地基承載力特征值為170.34～191.95 kPa，在進行現(xiàn)場試驗時，加載至310 kPa仍未達到極限狀態(tài)，因而根據(jù)規(guī)范確定單樁復合地基承載力為155 kPa，滿足工點施工設計要求的高壓旋噴樁處理段復合地基承載力不小于155 kPa.

《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79—2012)中高壓旋噴樁復合地基承載力特征值fspk計算式為

(1)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，本文取λ=1；m為面積置換率；β為樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù)，本文取β=0.4；Ap為樁的截面積；Ra為單樁復合地基的豎向承載力特征值，可按式(2)計算.

(2)

式中：up為樁的周長；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，按照《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94—2008)中表5.3.5-1的取值，3層土的取值分別為20、21、21 kPa；lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取αp=0.4；qp為樁端端阻力的特征值，本文取qp=120 kPa.

通過式(1)和式(2)計算可得高壓旋噴樁單樁復合地基承載力特征值為260.2 kPa，其值明顯大于現(xiàn)場試驗所得的承載力特征值.其原因在于設計要求高壓旋噴樁復合地基承載力特征值大于155 kPa，在現(xiàn)場試驗過程中施加荷載最大值為310 kPa，并未達到極限荷載，從而現(xiàn)場試驗所得復合地基承載力特征值小于理論計算值.

4 結論

通過對新建中衛(wèi)至蘭州鐵路接入中川城際鐵路區(qū)段既有路基幫寬填筑工點高壓旋噴樁復合地基的研究，驗證了施工參數(shù)的合理性，為高壓旋噴樁的施工提供了參考依據(jù)，并得出以下結論：

1) 所選工點地基采用高壓旋噴樁處理，通過鉆孔取芯試驗得出高壓旋噴樁樁身完整、均勻；檢測樁長均大于設計樁長，樁徑均大于50 cm，無側(cè)限抗壓強度均滿足設計要求的3 MPa.

2) 隨著荷載的增大，樁頂應力和樁間土應力逐漸增大，荷載施加至310 kPa時樁土應力比為25.42～27.49.

3) 荷載-沉降曲線是平緩的光滑曲線，荷載施加至310 kPa時樁的沉降量為21.94～24.88 mm，所得單樁復合地基承載力特征值為170.34～191.95 kPa，滿足設計要求.

4) 理論計算所得高壓旋噴樁單樁復合地基承載力特征值為260.2 kPa，大于現(xiàn)場試驗所得數(shù)值，其原因在于現(xiàn)場試驗條件限制，所施加的荷載未能使復合地基充分發(fā)揮承載力作用.