深厚填土地基螺桿樁加固處理應(yīng)用研究

劉志明

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

深厚填土地基螺桿樁加固處理應(yīng)用研究

劉志明

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

對福建省三明南站深厚填土地段進(jìn)行螺桿樁設(shè)計施工，通過現(xiàn)場樁基檢測，工程實踐證明：加強施工管控，螺桿樁在深厚填土地基條件下具有很好的適用性，加固處理效果良好。

深厚填土;螺桿樁;地基加固;檢測驗證

近些年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入發(fā)展的快車道;建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，更要求我們應(yīng)不斷推陳出新，采用適應(yīng)性強、經(jīng)濟(jì)可行的方式來解決建設(shè)過程中產(chǎn)生的新問題，以推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化發(fā)展。螺桿樁工藝正是在這個大背景下推廣發(fā)展起來的?，F(xiàn)澆混凝土螺桿樁被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、建筑等各個領(lǐng)域，取得良好效果。

1 作用機理、應(yīng)用現(xiàn)狀

螺桿樁全稱半螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混凝土灌注樁，是一種“上部為圓柱型，下部為螺絲型”組合式灌注樁。螺桿樁分直桿段和螺桿段，其作業(yè)過程可分別采用正向同步技術(shù)和正向非同步技術(shù)實現(xiàn)，現(xiàn)場作業(yè)過程視地質(zhì)情況、設(shè)計要求選擇適合的工法組合[1]。螺桿樁主要為通過樁體側(cè)阻力發(fā)揮作用以實現(xiàn)其工程效用，即屬于摩擦型樁，而樁體側(cè)摩阻力的發(fā)揮與其受荷狀態(tài)下樁的位移變形有關(guān)[2]。普通樁基樁側(cè)阻力沿樁身的分布規(guī)律隨深度而衰減，而螺桿樁則通過螺紋區(qū)段改變其樁體受力形態(tài)。結(jié)合螺桿樁施工工藝，其屬于部分?jǐn)D土樁，在施工過程中對周圍軟弱土體進(jìn)行擠密加固，部分消除負(fù)摩阻力的影響。

根據(jù)1971年湯姆利遜(M.J.Tomlison)所提出的α理論：在相同條件下，樁的螺紋段在飽和黏性土中承載力是傳統(tǒng)直線型樁承載力的1～5倍。α理論的核心內(nèi)容表明：螺紋型樁樁周受力由摩擦力改變?yōu)榧羟辛Γㄟ^樁孔側(cè)壁土的抗剪強度體現(xiàn)。當(dāng)達(dá)到螺紋段極限狀態(tài)時，其破壞形態(tài)為：沿螺紋段螺牙外圍形成圓柱形剪切滑移面[3]。

在普通混凝土條件下，樁體截面積成為控制樁體承載力的首要條件[4]。螺桿樁正是結(jié)合樁體側(cè)阻力上大下小的分布規(guī)律、螺紋段樁體受力形態(tài)特征及普通地層條件下地層上軟下硬等條件，創(chuàng)新性予以應(yīng)用發(fā)明[5]。作為一種新型變截面樁，螺桿樁綜合了全螺紋樁及一般直線型樁的優(yōu)缺點，該樁具有承載力高、適用范圍廣、工程造價低、施工效率高等優(yōu)點。同時，與普通灌注樁相比，其不存在清底、護(hù)壁、塌孔等缺點，綜合以上優(yōu)點，近年得以在各個領(lǐng)域廣泛推廣使用。但將螺桿樁應(yīng)用于深厚填土地層，國內(nèi)暫無相關(guān)經(jīng)驗。

2 應(yīng)用工程概況

某鐵路位于福建省西部，設(shè)計時速200 km/h。該鐵路途徑區(qū)域沿線大部分為侵蝕構(gòu)造地形，屬于中低山地貌。受人多地狹影響，沿線城市多采用移挖作填形式開辟工業(yè)生活新區(qū)，勘測階段受地形影響，所選擇車站多位于城市邊緣開發(fā)區(qū)范圍，致使沿線多處車站站址范圍普遍存在深厚填土地層，尤以三明南站為甚。

該車站原地貌為沙溪河漫灘及河流階地，后辟為臺江開發(fā)區(qū)，其上為人工填土，填土物質(zhì)以開發(fā)區(qū)山體殘坡積土為主，其間含碎礫石和少量建筑垃圾，無任何分選性，且其中礫石含量高，質(zhì)地雜亂;填土地層層厚不均，無壓實、孔隙率大，平均層厚11～14 m，最厚約16 m;填土下伏原沙溪河漫灘沖洪積厚層砂卵石層，力學(xué)性能指標(biāo)較好。車站范圍毗鄰沙溪，地下水位較高，且水位變化大。根據(jù)設(shè)計情況，要求在該站場址填土地面基礎(chǔ)上填筑13～16 m,以達(dá)到站場控制標(biāo)高。該車站地基處理范圍較廣，且施工難度大，填土地層雜亂，設(shè)計階段分別考慮CFG樁、鉆孔灌注樁等常規(guī)加固方案，同時對比研究螺桿樁方案，認(rèn)為螺桿樁方案有以下優(yōu)點：

(1) 該車站地表深厚填土為新近填土且地層雜亂，礫石含量較高；結(jié)合以往經(jīng)驗及室內(nèi)檢算結(jié)果顯示,CFG樁施工設(shè)備普遍扭矩較小，該段地層塊礫石存在鉆進(jìn)困難，作業(yè)難度較大，成樁困難；鉆孔灌注樁處理成本較大，且施工期長。

(2) 采用螺桿樁處理填土地基正符合其功用“上軟下硬”特征，可有效發(fā)揮下伏天然地基的承載力。

(3) 螺桿樁鉆機扭矩較大，對填土地層中間硬塊進(jìn)行擠排作用，加固深度有保證，且螺桿樁鉆灌一體成樁速度快、功效高。

(4) 該車站站址范圍位于城市周邊，緊鄰沙溪河，螺桿樁施工具有噪聲小、排污低等優(yōu)點。

最終確定采用螺桿樁方案對該車站填土路基進(jìn)行加固處理，螺桿樁設(shè)計樁長4.0～20.5 m，樁底進(jìn)入下伏硬層≥1.0 m，樁頂鋪設(shè)0.5 m碎石+0.1 m中粗砂墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)單向土工格柵，直桿段長度控制約占1/3，螺桿段約占2/3，螺桿樁地基設(shè)計見圖1。

圖1 螺桿樁地基加固設(shè)計圖Fig.1 Design drawing of foundation reinforcement of screw pile

3 現(xiàn)場試樁檢測

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及地層地質(zhì)條件，在現(xiàn)場大面積施工前針對該站新近人工填土區(qū)開展工藝性試樁，試樁里程選擇三個具有代表性斷面，共計139根樁，試樁斷面情況見表1。

表1 試樁斷面

現(xiàn)場試樁檢測試驗主要包括：低應(yīng)變檢測、鉆芯試驗、靜載試驗三方面工作[6]。要求試驗基樁成樁7天后進(jìn)行低應(yīng)變動力試驗；試驗基樁成樁28天后對其鉆探取芯檢測樁身無側(cè)限抗壓強度,并開展單樁地基載荷試驗確定樁基加固效果。

3.1 低應(yīng)變檢測

低應(yīng)變檢測被用于檢測本次試樁范圍樁體樁身完整性，并判定樁身缺陷的程度及位置。本次試驗前期進(jìn)行10根檢測，檢測結(jié)果顯示：檢測螺桿樁樁基波速普遍達(dá)到3 800 m/s，但其中檢出3根Ⅱ類樁，占抽樣比例30%，比例偏高，未見Ⅲ、Ⅳ類樁。通過解譯應(yīng)變反射曲線顯示：Ⅱ類樁反射曲線異常部位出現(xiàn)在樁頂下方1.8～2.5 m范圍，因而排除變截面部位縮徑產(chǎn)生的影響，考慮到屬于樁體淺表范圍異常，現(xiàn)場確定采取挖探以查明樁體具體缺陷狀況，低應(yīng)變檢測Ⅱ類樁情況(圖2)。

通過挖探反映：Ⅱ類樁樁體淺表直桿段表面存在混凝土不密實、氣孔較多現(xiàn)象，后期及時調(diào)整，嚴(yán)格要求遵守作業(yè)流程，同時通過合理安排施工順序，降低車輛機械走行對灌注樁體的擾動影響，后期追加檢測結(jié)果較好。

圖2 低應(yīng)變檢測Ⅱ類樁情況Fig.2 Low strain dynamic testing of class Ⅱ pile

3.2 鉆芯試驗

本次試樁階段共進(jìn)行3次鉆芯試驗，鉆芯情況見照片1。鉆芯完成后，分別截取芯樣試件進(jìn)行混凝土抗壓試驗，共截取10組巖芯進(jìn)行試驗(表2)。

鉆芯試驗結(jié)果顯示：巖芯連續(xù)、完整，成樁質(zhì)量較好，巖芯表面僅見少量氣孔，樁身混凝土強度達(dá)到設(shè)計預(yù)期。

照片1 鉆芯取樣Photo 1 Core boring sampling

表2 鉆芯取樣混凝土抗壓試驗(MPa)

Table 2 Compression test of core boring sampling of concrete

試樣最大值最小值平均值標(biāo)準(zhǔn)值1～1032．631．031．931．6

3.3 靜載試驗

本次試樁階段共進(jìn)行3次單樁豎向靜載試驗，試驗加載方式為慢速維持荷載法，樁的每級荷載增量均為最大試驗荷載的1/10，試驗過程中為便于對比分析，針對本次試樁載荷采用統(tǒng)一試驗荷載，即三個試樁斷面中最大試驗荷載2 540 kN，具體試驗結(jié)果見表3、圖3。

表3 靜載試驗結(jié)果

圖3 載荷試驗曲線Fig.3 Curve of loading test

現(xiàn)場載荷試驗顯示：試樁在最大試驗荷載條件下未出現(xiàn)異常情況及明顯沉降現(xiàn)象，樁基滿足設(shè)計承載力要求，達(dá)到預(yù)期加固效果。

4 結(jié)論

(1) 各項現(xiàn)場測試結(jié)果反應(yīng)：通過加強施工管控，螺桿樁作為一種大扭矩樁型，其應(yīng)用在碎石、礫石、塊石含量較高的填土地基具有通過能力強、適應(yīng)性好的特點，且處理效果良好。

(2) 直桿段承受上部較大樁身軸力，而其施工質(zhì)量易受外部干擾及灌注過程影響，應(yīng)加強施工組織及作業(yè)管控，并加強現(xiàn)場試樁。

(3) 螺桿段工程性狀主要靠樁基的螺牙與土體的機械咬合實現(xiàn)，而其與螺牙質(zhì)量密切相關(guān)，現(xiàn)場施工過程應(yīng)協(xié)調(diào)鉆進(jìn)、提鉆速率及泵送壓力，確保螺桿段施工質(zhì)量。

(4) 下一步應(yīng)深入研究針對不同填土環(huán)境螺牙間距、螺牙寬度及變截面深度等螺桿樁控制因素的適用性。

[1] DBJ46-026-20B,螺桿灌注樁技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 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.

[3] 彭桂皎,虞鋒，石慶華，等.螺桿樁新技術(shù)設(shè)計及其應(yīng)用[J].地基處理,2006(2):43-47.

[4] 王曉哲.螺桿樁螺紋段承載力計算方法與直桿段作用的探討[J].地基處理,2009(2):3-8.

[5] 方崇,張信貴,彭雅皎,等.對新型螺桿灌注樁的受力特征與破壞性狀的探討[J].巖土工程技術(shù),2006(6):316-319.

[6] JGJ106—2014,建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Application Research of Screw Pile in Deep Fill Foundation Reinforcement

LIU Zhiming

(ChinaRailwaySiyuanEngineeringGroupCo.Ltd,Wuhan,Hubei430063)

Through the design and construction of the screw pile in deep fill lots in a Fujian Province Sanming railway station,and by way of the field tests of the screw pile,the engineering practice has proved:by strengthening the construction management,the screw pile in deep soil foundation has good applicability,good reinforcement effect.

deep fill; screw pile; foundation reinforcement; verification

2015-03-13;改回日期:2015-04-15

劉志明(1982-)，男，工程師，碩士,道路與鐵道工程專業(yè)，從事路基勘察工作。E-mail:81543944@qq.com

U213.1; TU753.3

A

1671-1211(2015)03-0323-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503018

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150506.1608.001.html 數(shù)字出版日期:2015-05-06 16:08