復(fù)合樁基在處理橋基事故中的應(yīng)用

鐘林，彭振斌

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060； 2.中南大學，湖南長沙 410083)

復(fù)合樁基在處理橋基事故中的應(yīng)用

鐘林1?，彭振斌2

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060； 2.中南大學，湖南長沙 410083)

闡述了長短樁復(fù)合地基在處理樁基事故中的設(shè)計應(yīng)用，分析了長短樁復(fù)合地基承載力的計算方法，討論了長短樁復(fù)合地基的沉降變形計算，并簡單介紹了復(fù)合地基施工方法。

地基處理；長短樁復(fù)合地基；承載力；沉降

1 前 言

橋梁基礎(chǔ)常常采用深基礎(chǔ)，如樁基、沉箱基礎(chǔ)等，來滿足其承載力的要求。當采用樁基礎(chǔ)時，若出現(xiàn)工程事故導(dǎo)致樁基礎(chǔ)承載力不足，必須采用各種處理措施為上部結(jié)構(gòu)提供足夠的承載力。從工程安全、經(jīng)濟和工期三個方面綜合比較，采用復(fù)合樁基是較為合理有效的一種處理辦法。

近些年來，對復(fù)合地基理論有了更深入研究，也積累了更為豐富的實踐經(jīng)驗，長短樁復(fù)合地基處理技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展起來，并且在不少地方已經(jīng)取得到了成功的應(yīng)用。長短樁復(fù)合地基是指在荷載作用下，地基中的附加應(yīng)力會隨著深度的增加而減小，為了有效地發(fā)揮出復(fù)合地基中樁體的承載潛能，豎向增強體(樁體)復(fù)合地基中，可以采用不同長度的樁體以適應(yīng)附加應(yīng)力由上而下減小的特征。這種由不同長度的樁體組成的樁體復(fù)合地基稱為長短樁復(fù)合地基。

長短樁復(fù)合地基的形式很多，長樁和短樁可以是同一類型也可以是不同類型。在工程中，長樁一般采用剛性樁，如鋼筋混凝土樁、鋼管樁等，這樣可以將應(yīng)力傳到較深的土層。短樁常采用散體樁和柔性樁，如碎石樁、水泥土樁。沉降主要由長樁控制，長樁、短樁和樁間土共同承擔荷載。

2 工程實例

2.1 工程概況

湖南省益陽市某大橋，位于益陽市麻河口。大橋全長725.48 m，上部結(jié)構(gòu)形式為9 m×20 m空心板＋8 m× 45 m T梁＋9 m×20 m空心板，橋面寬12 m，按二級公路標準設(shè)計。其中15＃－1樁為15號橋墩左側(cè)樁基，以地面高程為±0.00標高。該樁基礎(chǔ)設(shè)計樁長為67 m，設(shè)計承載力為11 465 kN。鉆進完成孔后回轉(zhuǎn)至相對標高－60 m處直徑2.20 m鉆孔樁鉆頭被卡落，無法提起，樁長未能滿足設(shè)計要求。初步處理措施為，先將樁直徑擴孔至2.50 m，再于樁底進行了拋石壓漿處理，使得樁下形成碎石塊－混凝土砂漿的下臥層，樁尖共壓入21噸水泥，最終樁下地基壓力值達到3.5 MPa，壓漿效果較為理想。再從相對標高－60 m處高壓注漿后下鋼筋籠、灌漿至地面成樁。但是，經(jīng)載荷試驗，未能到達設(shè)計承載力要求，所以必須對此橋墩地基進行承載力補強處理。

各土層物理力學參數(shù) 表1

根據(jù)場地工程地質(zhì)勘察報告，該橋樁基位置鉆孔揭露土層分層及力學性質(zhì)如表1所示。

2.2 設(shè)計方案

利用已成樁的鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)為長樁，在其周圍布設(shè)4根高壓旋噴樁作為短樁，兩者與樁間土共同承擔上部荷載，變形主要有鋼筋混凝土樁控制。長短樁復(fù)合地基具有承載力高、應(yīng)力傳遞途徑簡捷、地基變形小等優(yōu)點、安全可靠，經(jīng)濟實用。高壓旋噴樁本身可以提供承載力，其次對樁間土進行局部改善，提高樁間土的各項參數(shù)，減小剛性樁的應(yīng)力集中，增大地基的豎向剛度，減小復(fù)合地基加固區(qū)的變形。沉降主要靠長樁來控制，所以旋噴樁對沉降的設(shè)計要求不是十分嚴格，主要是取決于長短樁復(fù)合地基的變形協(xié)調(diào)能力，對于短樁(旋噴樁)來說，最為關(guān)鍵的是在承載力上滿足設(shè)計要求就能達到工程預(yù)期的目標。

2.3 復(fù)合樁基承載力計算

設(shè)計意圖是在保證復(fù)合樁基容許承載力達到11 465 kN的前提下，控制高壓旋噴樁的樁長和數(shù)量，盡量發(fā)揮樁間土的承載力。

首先長短樁復(fù)合地基設(shè)計要確定5個參數(shù):樁長、樁徑、樁間距、樁體強度、褥墊層厚度及材料。承載力計算思路是:先計算出短樁復(fù)合地基承載力標準值，再計算出長短樁復(fù)合地基承載力特征值。

本工程長樁樁長已經(jīng)確定為60.0 m，樁直徑長樁取2.50 m，計算出短樁的臨界樁長lcr＝35 m，根據(jù)地層情況和施工工藝取短樁直徑為φ600高壓旋噴樁；樁間距設(shè)計應(yīng)由復(fù)合地基承載力和變形、土的物理力學性質(zhì)與施工方便等因素共同決定，最終，通過反復(fù)試算承載力和變形綜合確定，承臺下長短樁布置如圖1所示。

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94－2008)和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79－2002)中的相關(guān)的規(guī)范和規(guī)定計算如下:

短樁復(fù)合地基承載力特征值計算，如下式:

圖1 長短樁平面布置示意圖及1－1′剖面圖

式中:fsp.k1為短樁復(fù)合地基的承載力標準值；

A1＝32.49 m2為承臺地板面積；

α為樁間土強度提高系數(shù)，取1.0；

β為樁間土強度發(fā)揮度，一般0.5～1.0，取0.8；

fk為天然地基承載力標準值，取fk＝100 kPa；

Rk2為高壓旋噴樁單樁豎向承載力特征值(kN)。[1～4]

經(jīng)計算得出:

長短樁復(fù)合地基承載力特征值計算，如下式:

式中:fsp.k2為長短樁復(fù)合地基承載力標準值；

經(jīng)計算得出:

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79－2002)中第3.0.4條規(guī)定，地基承載力標準值進行修正時基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正取零，基礎(chǔ)深度的地基承載力修正也取1.0，則:

式中:fc.sp是經(jīng)修正后的長短樁復(fù)合地基承載力。[2]

驗算承載力安全系數(shù):長短樁復(fù)合地基所受豎向壓力:N＝11 465 kN

長短樁復(fù)合地基豎向荷載設(shè)計值R，R取N值進行計算。

式中:f為長短樁復(fù)合地基豎向荷載設(shè)計值；

A為長短樁復(fù)合地基加固區(qū)面積，A＝A1＝32.49 m2

f＝352.9 kPa≤fc.sp＝355.4 kPa可以滿足設(shè)計要求。

2.4 復(fù)合樁基沉降計算

在各類使用計算方法中，通常把復(fù)合地基沉降量分為兩部分—復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量和下臥層的壓縮量，如圖2所示。

圖2 復(fù)合地基加固示意圖

復(fù)合地基設(shè)置墊層，通常認為墊層壓縮量很小，可以忽略不計。

對于復(fù)合地基沉降計算，有幾種方法可以運用。對下臥層壓縮量S2大都采用分層總和法計算。對復(fù)合地基加固區(qū)壓縮量S1的計算需要根據(jù)實際情況做出調(diào)整。

加固區(qū)土層壓縮量S1采用復(fù)合模量法(Ecs法)計算，將復(fù)合地基加固區(qū)中增強體和基體兩部分視為一復(fù)合土體，采用復(fù)合壓縮模量Ecs來評價復(fù)合土體的壓縮性，并采用分層總和法計算加固區(qū)土層壓縮量S1。在復(fù)合模量法中，將加固區(qū)土層分成n層，每層復(fù)合土體的復(fù)合壓縮模量Ecsi，加固區(qū)土層壓縮量S1的表達式為:

式中:S1為加固區(qū)土層壓縮量；

△pi為第i層復(fù)合地基上附加應(yīng)力增量；

Ecsi為第i層復(fù)合地基復(fù)合壓縮模量，Ecsi＝mEps＋(1－m)Essi；

Hi為第i層復(fù)合土層的厚度；

Eps為樁體壓縮模量；

m為復(fù)合地基置換率；

Essi為第i層復(fù)合地基樁間土壓縮模量。[2，3]

對下臥層壓縮量S2根據(jù)各層土體的壓縮模量，采用分層總和法計算。

經(jīng)計算得出:S＝S1＋S2＝15.4 mm，變形滿足設(shè)計要求。

2.5 復(fù)合樁基施工

本工程施工工藝較為簡單，采用三管高壓旋噴噴射灌漿工藝進行施工，利用高壓水泥漿噴射切割地層，隨著噴頭的提升，形成固結(jié)體呈圓柱形(即高壓旋噴樁)。高壓噴射流在地基中，把土體切削破壞。其加固范圍內(nèi)就是噴射距離加上滲透部分或壓縮部分的長度為半徑的圓柱體。人工清除保護土層，剔除保護樁長。高壓旋噴樁施工完畢后迅速插入鋼筋籠，再鋪設(shè)褥墊層，該工程褥墊層厚度設(shè)計為300 mm，褥墊層材料采用粒徑為3 mm～10 mm的砂礫石。

施工結(jié)束28天后，在現(xiàn)場分別進行了樁間土檢測試驗、復(fù)合地基載荷試驗、單樁承載力載荷試驗，以檢驗加固效果和施工質(zhì)量。

對復(fù)合樁基礎(chǔ)、復(fù)合地基進行沉降觀測，最終沉降量為13.5 mm。

該大橋于2008年建成投入使用，情況良好，橋墩位置地基處理取得了滿意效果。

3 結(jié) 語

長短樁復(fù)合地基在處理橋樁事故時，可以充分發(fā)揮地基土的承載力，減少成本，加快工期。另外，根據(jù)土質(zhì)情況、地基特點及施工等諸多因素采用長短樁相結(jié)合的復(fù)合地基方案并選擇合理的施工工藝是一種有效的地基處理方法，值得進一步研究和推廣。當然，復(fù)合地基設(shè)計不僅是根據(jù)承載力和變形來確定設(shè)計參數(shù)，而且在設(shè)計時必須綜合考慮建筑物對變形的適應(yīng)能力，采用復(fù)合地基基礎(chǔ)時必須適當增加荷載試驗和沉降觀測次數(shù)，以盡力減少出現(xiàn)安全事故。

[1]JGJ79－2002.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范.

[2]JGJ98－2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)程.

[3]龔曉南編著.復(fù)合地基設(shè)計和施工指南[M].北京:人民交通出版社，2003

[4]葉書麟等編著.地基處理[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004[5]盧敦華，何忠明，胡慶國.復(fù)合樁基處理橋位溶洞頂板復(fù)雜地層[J].施工技術(shù)，2006(7):38～39

Using Composite Pile to Treating Accidents in Bridge Foundations

Zhong Lin1，Peng ZhenBin2
(1.Guangzhou Urban Planning and Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.Central South University，Changsha 410083，China)

In this article，the design idea of long－short－pile composite foundation to treat accidents in brige foundations is pounded.The calculating methods of bearing capactity are analyzed.The calculating methods of settlement are also intruduced.Authors show the design and construction of the composite pile foundation.

ground treatment；long－short－pile composite foundation；bearing capacity；settlement

1672－8262(2010)03－163－03

TU473

B

2010—01—08

鐘林(1983—)，男，助理工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計技術(shù)工作。