現(xiàn)澆薄壁筒樁在深厚層軟基處理中的應(yīng)用

周 坤,葉春林

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁又稱現(xiàn)澆薄壁筒樁,是一種新型剛性復(fù)合地基處理技術(shù),具有擠土少、深成樁、高承載力、樁徑不受限制、無泥漿污染等優(yōu)點。近年來在沿海高等級公路、市政、水利及航運碼頭等軟基加固和基坑支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用,取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1 現(xiàn)澆薄壁筒樁加固臺州站深厚層軟基方案由來

1.1 臺州站原設(shè)計情況

1.1.1 場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

臺州站地處浙江省臺中市黃巖區(qū)林附近,地形平坦開闊,辟為農(nóng)田、村舍,屬海積平原。表層為第四系全新統(tǒng)黏土,褐黃色,軟塑,厚約 2～3m;下為淤泥,灰色,流塑,有機(jī)質(zhì)含量較高,層厚 10～25m;淤泥質(zhì)黏土 ,灰色 ,流塑,層厚 5 ～ 10m;下為粉質(zhì)黏土 ,黃色,硬塑,厚 2～5m;細(xì)圓礫土,淺黃色,中密,飽和,層厚 10 m,礫石約占 50%,直徑為 0.2～2 cm;黏土,灰黃色,軟塑,厚 4～10 m;底部為中密狀砂類土或凝灰?guī)r風(fēng)化層。

第四系孔隙潛水較發(fā)育,水位埋深較淺,為 0.5～2.0m,地下水對混凝土無侵蝕性。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB19306)及《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006),本場地抗震設(shè)防烈度小于 6度,地震動峰值加速度≤0.05g。

1.1.2 原設(shè)計加固措施

甬臺溫鐵路北起浙江省寧波市,南至溫州,線路全長 282.393 km,為設(shè)計時速 200 km客貨共線鐵路,是沿海通道的重要組成部分。軟土地基路堤工后沉降控制值:正線為 ΔS≤15 cm,沉降速率 ＜4 cm/年;橋路過渡段 ΔS≤8 cm。采用復(fù)合模量計算工后沉降。

臺州站路堤填高 5～6m,正線及站線主要依據(jù)軟土厚度和工后沉降的大小分別采用了攪拌樁、CFG樁和預(yù)應(yīng)力管樁加固,樁頂設(shè)置 0.5m厚碎石墊層,并夾鋪一層 10 cm厚的高強(qiáng)土工格室。攪拌樁加固深度 8～20 m,樁徑 0.5m,間距 1.3m,三角形布置;CFG樁加固深度 20～28m,樁徑 0.5m,間距 1.8m,正方形布置;預(yù)應(yīng)力管樁加固深度 28～45m,樁徑 0.5m,間距 2.4m,正方形布置。共設(shè)計攪拌樁 85 367m/6 313根,CFG樁 173 775m/7 482根,預(yù)應(yīng)力管樁563 625m/14 358根。CFG樁加固地段代表性設(shè)計橫斷面見圖1。

圖1 臺州站 CFG樁軟基加固代表性橫斷面(單位:m)

1.2 調(diào)整地基加固方案的原因

施工單位于 2006年 9月在 DK147+110附近進(jìn)行了 3根試樁,設(shè)計單樁承載力檢測合格。2006年 10月進(jìn)行大面積施工,累計成樁 3 034根。同年 12月對4根 CFG樁進(jìn)行了單樁載荷試驗,發(fā)現(xiàn)單樁承載力都只能達(dá)到 300 kN左右,沉降量過大,不滿足設(shè)計要求,后經(jīng)小應(yīng)變無損檢測發(fā)現(xiàn)每根樁都存在斷樁現(xiàn)象。2007年 4月進(jìn)行 5根 CFG樁的鉆探取芯驗證,發(fā)現(xiàn)每根樁在 5m左右發(fā)生錯斷,且錯位方向基本一致,即與打樁前進(jìn)的方向相反。

由于臺州站 CFG樁的施工工藝基本一致,初步判定已施工的 3 034根 CFG樁都發(fā)生了斷樁現(xiàn)象,不能滿足設(shè)計要求,對 CFG樁已施工地段必須進(jìn)行地基補(bǔ)強(qiáng)加固,而對 CFG樁未施工地段必須進(jìn)行加固方案的調(diào)整。

1.3 各種軟基加固方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選

目前,加固高標(biāo)準(zhǔn)鐵路(客運專線)深厚層軟土地基的措施不外乎 CFG樁、旋噴樁、預(yù)應(yīng)力管樁、碎石樁、碎石注漿樁、攪拌樁、鉆孔灌注樁等,而 CFG樁在本工點出現(xiàn)斷樁錯位現(xiàn)象。由于受到施工機(jī)械、場地條件、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等各種因素的影響,結(jié)合本工點的實際情況,每種方案都有各自的優(yōu)缺點,見表1。

表1 軟基加固方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較情況

從表1可以看出,在臺州站這個特定的地質(zhì)背景和工程背景前提下,采用現(xiàn)澆薄壁筒樁技術(shù)加固深厚層軟土具有明顯的綜合優(yōu)勢。

(1)場地空間條件完全滿足施工機(jī)械的走行和作業(yè)要求。

(2)現(xiàn)澆薄壁筒樁的有效加固深度完全滿足沉降控制要求,樁體完整性較好。

(3)可結(jié)合 CFG樁施工情況布置筒樁樁位,與CFG樁一道形成多元復(fù)合地基。

(4)筒樁間距較大,具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

2 現(xiàn)澆薄壁筒樁在臺州站現(xiàn)場試樁情況

2.1 試樁目的

雖然現(xiàn)澆薄壁筒樁已多次應(yīng)用于深厚層軟土地基加固和基坑支護(hù)工程,但在鐵路工程中尚屬首次,有必要進(jìn)行現(xiàn)澆薄壁筒樁的試樁試驗,目的是為了明確現(xiàn)澆薄壁筒樁的各項施工工藝,檢驗樁各項設(shè)計技術(shù)參數(shù),檢測其單樁承載力和樁體完整性,以便指導(dǎo)和完善下步的設(shè)計和施工。

2.2 試樁地點及數(shù)量

在 CFG樁未施工的 DK147+049.68地段做 3根試樁,進(jìn)行成樁及檢測試驗,主要做單樁載荷試驗和無損檢測試驗;在 CFG樁已施工的 DK147+066.23處做3根試樁,進(jìn)行成樁及檢測試驗,主要做單樁多元復(fù)合地基承載力試驗和無損檢測試驗。

現(xiàn)澆薄壁筒樁樁長約 26 m,單樁承載力為 900 kN,復(fù)合地基承載力為 146.6 kPa。

2.3 試樁點的工程地質(zhì)概況

表層為第四系全新統(tǒng)黏土,褐黃色,軟塑,厚 2m;下為淤泥,灰色,流塑,有機(jī)質(zhì)含量較高,層厚 14.3m左右;淤泥質(zhì)黏土,灰色,流塑,層厚 7.2m;粉質(zhì)黏土,黃色,硬塑,厚 8.1m;下為第四系上更新統(tǒng)圓礫土,淺黃色,中密,飽和,礫石約占 50%,直徑約為 0.2～2 cm,層厚 10m。

2.4 試樁工藝流程

現(xiàn)澆薄壁筒樁的施工工藝流程如下:

放樣→樁尖埋設(shè)→樁機(jī)就位→振動沉管→澆筑并拔管→樁機(jī)移位→樁頭插筋振動搗密→保養(yǎng)→相關(guān)檢測。

2.5 質(zhì)量檢測

依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2003)和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—94)以及《鐵路工程基樁無損檢測規(guī)程》(TB10218—1999),對達(dá)到齡期的筒樁進(jìn)行相關(guān)檢測,各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

(1)低應(yīng)變動力檢測

采用中國武漢巖海公司生產(chǎn)的 RS-1616K(P)基樁檢測儀對 6根樁的樁身混凝土完整性進(jìn)行了檢測,結(jié)果表明 6根樁均為Ⅰ類樁。詳見低應(yīng)變檢測成果(表2)。

表2 低應(yīng)變無損檢測成果

(2)基樁靜載試驗

采用慢速分級堆載法對 1號和 6號試樁進(jìn)行了單樁靜載試驗。單樁承載力設(shè)計值為 900 kN,預(yù)計最大加載力 1 800 kN,實測加載為 2 340 kN,對應(yīng)沉降量分別為 37.2mm和 38.75mm(表3)。

采用慢速分級堆載法對 6號試樁進(jìn)行了單樁多元復(fù)合地基載荷試驗,荷載板尺寸為 3.6m×3.6m。設(shè)計復(fù)合地基承載力為 146.6 kPa,設(shè)計荷載為 1 900 kN,預(yù)計最大加載 3 800 kN,實測加載 3 800 kN,累計沉降量為 18.69mm。

表3 單樁靜載試驗成果

(3)混凝土試塊強(qiáng)度

由于現(xiàn)澆薄壁筒樁是按照樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)或剛性樁復(fù)合地基理論加固深厚層軟土地基的,要求樁體混凝土強(qiáng)度等級不小于 C20。為此,按照 C20混凝土強(qiáng)度進(jìn)行配比,并現(xiàn)場采取部分樁頭混凝土制作了 6組混凝土試塊,其抗壓強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的 120%以上。

3 臺州站現(xiàn)澆薄壁筒樁的變更設(shè)計

(1)DK146+712.5～DK146+955.25和 DK147+011.35～DK 147+137.5 CFG樁未施工地段筒樁間距3.2m,正方形布置。

(2)DK 146+728.7 ～DK146+750.3、DK146+829.5～ DK146+849.3、DK146+863.7 ～ DK146+883.5、DK 146+930.3～DK146+941.1和 DK147+067.1～DK147+135.5CFG樁已施工地段筒樁間距3.6m,正方形布置,見圖2。

圖2 CFG樁已施工地段加固設(shè)計橫斷面(單位:m)

(3)筒樁直徑 1.0m,壁厚 0.12m,樁長 21.2～28.5 m,樁底伸入持力層不小于 2m。筒樁單樁承載力不小于 1 142 kN,單樁多元復(fù)合地基承載力不小于146.6kPa。

(4)間距 3.6m的筒樁筒內(nèi)換填 30 cm C15混凝土;間距 3.2m的筒樁樁頂設(shè) C30鋼筋混凝土蓋板,正方形,邊長 1.8m,厚 0.35m,蓋板與樁體采用螺紋鋼筋連接。

(5)樁頂鋪設(shè) 0.6 m厚碎石墊層,夾鋪二層土工格柵(T≥110 kN/m)。

4 加固效果

4.1 基樁檢測

根據(jù)施工單位自檢和第三方檢測的報告顯示,筒樁混凝土試塊強(qiáng)度及單樁承載力或復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計要求,所檢測基樁均為Ⅰ類樁。

4.2 路基填筑

自 2007年 2月筒樁施工完并經(jīng)檢測合格后,立即開展了路堤填筑工作,歷時 6個多月完成路基土石方約 25萬 m3,中心沉降觀測成果詳見圖3。

圖3 DK 146+800路基中心沉降-時間 -荷載曲線

由圖3可見,該段路基采用薄壁筒樁加固后施工期的中心沉降約 40mm。根據(jù)雙曲線法預(yù)測該段路基工后沉降量約 15mm,滿足沿海鐵路客運專線有砟軌道路基工后沉降標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)澆薄壁筒樁是在預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)上研發(fā)而成的一種新型軟基加固技術(shù),已成功地應(yīng)用于沿海客運專線鐵路甬臺溫線臺州站的深厚層軟土地基加固和補(bǔ)強(qiáng)工程,與預(yù)應(yīng)力管樁方案相比,節(jié)約投資約 40%,取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益,具有較高的推廣應(yīng)用價值。

(2)現(xiàn)澆薄壁筒樁的樁徑一般 0.8～1.5m,壁厚12～18 cm,加固深度可達(dá) 32m,適應(yīng)于非夾層和持力層較好的深厚層軟土地基加固;具有一次成樁、自動排土、施工速度快、節(jié)約資源、無污染、承載力高、施工質(zhì)量易于控制等突出優(yōu)點。

(3)由于其樁體剛度較大,新建地段宜按剛性樁復(fù)合地基或樁基原理進(jìn)行軟土地基加固設(shè)計。

(4)因為現(xiàn)澆薄壁筒樁是一種新型軟基加固技術(shù),在使用時應(yīng)選擇具有施工經(jīng)驗的施工單位,根據(jù)地層情況進(jìn)行必要的工藝性成樁試驗。

[1] 葉書麟.地基處理工程實例應(yīng)用手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998:147-178,369-418.

[2] 葛 軍.現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁在客運專線中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(7):23- 25.

[2] 蘇 JG/T017—2004,現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 謝慶道.現(xiàn)澆薄壁筒樁專利技術(shù)[P].中國:ZL01244439,2002.

[4] 浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)工程公司.現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁的應(yīng)用研究報告[R].杭州:2004.