小直徑鉆孔樁在軟基處理中的應(yīng)用

■劉文剛

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

1 工程概況

寧德市某城市主干路，全長(zhǎng)2.153km，道路在K1+081～K1+115段下穿沈海高速橋。該段現(xiàn)狀地面標(biāo)高約3.2m～4.4m，路面設(shè)計(jì)標(biāo)高約5.5m～5.7m，路基填方高度為2.5m。該段沈海高速橋梁底標(biāo)高14.7m，凈空約9m。

本項(xiàng)目場(chǎng)地屬于近海相沖海積平原地貌，場(chǎng)地上覆素填土(厚度1.5m～2m)，較松散，其力學(xué)性能較差，厚度較??；其下淤泥層厚度總體較大(16m～20m)，淤泥呈軟塑狀，天然含水率73.4%，強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度大，其工程性能差；下伏全風(fēng)化凝灰熔巖。

由于道路鄰近沈海高速橋，路基填筑后在其荷載作用下會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降及路基失穩(wěn)，進(jìn)而影響高速公路橋的穩(wěn)定。因此，軟基需進(jìn)行特殊處理。

2 軟基處理設(shè)計(jì)方案

2.1 方案比選

軟基處理的方法較多，應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件、道路條件、施工條件和工期要求等，選擇合適的處理措施[1]。

對(duì)于深厚軟土，目前條件比較成熟且常見(jiàn)的處治措施有：采用塑料排水板、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、CFG樁、管樁、小直徑鉆孔樁等。

本項(xiàng)目的特點(diǎn)是下穿已建高速公路橋，由于凈空限制，高大型機(jī)械無(wú)法施工。由于塑料排水板、水泥攪拌樁、CFG樁、管樁的施工機(jī)械高度均較高(超過(guò)9m)，所以無(wú)法采用以上方案。結(jié)合本項(xiàng)目情況，選用高壓旋噴樁及小直徑鉆孔樁進(jìn)行方案比選(如表1所示)。

高壓旋噴樁是利用鉆機(jī)等設(shè)備，通過(guò)鉆桿的旋轉(zhuǎn)、提升，高壓水泥漿由水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流，以此切割土體并與土拌合形成水泥土豎向增強(qiáng)體，與周圍土共同承受荷載。

小直徑鉆孔樁是采用不同的鉆孔方法，在地層中形成一定尺寸的孔洞，然后將鋼筋籠吊入孔洞，澆筑混凝土形成樁體來(lái)承載的一種樁體。

根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域的軟土特征、軟土厚度、施工條件及周邊構(gòu)筑物情況等綜合考慮，本項(xiàng)目采用小直徑鉆孔樁處理方案。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)CJJ194-2013城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，本項(xiàng)目的容許工后變形≤0.1m。為保證橋梁的安全穩(wěn)定，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，軟基處理后鄰近橋樁的水平位移≤6mm。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，軟基處理設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

表1 軟基處理方案比選

表2 軟基處理設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 處理方案

本道路路基寬度53m，由中分帶、機(jī)動(dòng)車道、綠化帶、非機(jī)動(dòng)車道及人行道組成，沈海高速2#、3#橋樁位于本道路綠化帶內(nèi)。根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)及地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)采用小直徑鉆孔樁復(fù)合地基處理。樁在平面上呈正方形布置，處理至路基坡腳處。軟基處理設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

圖1 軟基處理設(shè)計(jì)圖

小直徑鉆孔樁徑采用50cm，樁長(zhǎng)20m，樁體穿透軟土層進(jìn)入下部硬土層不小于1m，樁端持力層為粉質(zhì)粘土或全風(fēng)化凝灰熔巖，樁間距為2m，樁身混凝土采用C25強(qiáng)度等級(jí)，配置6根Φ16縱筋和Φ8@25螺旋箍筋，采用回旋鉆成孔、泥漿護(hù)壁施工工藝。單樁設(shè)計(jì)承載力為400kN，樁頂設(shè)置30cm厚邊長(zhǎng)為1m的正方形C30砼樁帽。為避免軟基施工對(duì)橋樁造成不利影響，小直徑鉆孔樁與橋樁凈距為3m，且靠近橋樁周邊兩排樁頂設(shè)置連系梁。為確保土拱的形成，充分發(fā)揮樁間土作用，避免樁土頂面的差異沉降反射到路面，樁頂填土高度不小于2.5m，且樁頂鋪設(shè)50cm級(jí)配碎石砂墊層。加固后復(fù)合地基承載力不小于120kPa。

3 軟基處理對(duì)鄰近橋樁的影響分析

橋下路基范圍分布有大面積軟土，由于軟土有很大的壓縮性，路基填筑時(shí)會(huì)引起土體側(cè)向變形，進(jìn)而會(huì)使橋樁產(chǎn)生變形甚至破壞。由于因土體移動(dòng)產(chǎn)生的樁側(cè)荷載難以確定，因此軟基處理對(duì)鄰近橋樁的影響分析較復(fù)雜[3]。

(1)有限元分析模型建立

本文采用有限元軟件PLAXIS8.5進(jìn)行分析，選用理想彈塑性模型[4]，土體材料采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型，橋樁、小直徑鉆孔樁采用板梁?jiǎn)卧M。模型邊界條件設(shè)置：底部為固定邊界，左右為水平固定邊界。計(jì)算所用的樁體力學(xué)參數(shù)：彈性模量為30GPa，密度為 2500kg/m3，泊松比為0.2。

圖2 有限元分析模型

根據(jù)場(chǎng)地尺寸、地基參數(shù)及邊界條件，有限元分析模型長(zhǎng)度方向經(jīng)試算取160m，深度方向取70m，有限元分析模型見(jiàn)圖2。模擬過(guò)程：初始地應(yīng)力平衡→設(shè)橋樁→打鉆孔灌注樁→堆填路基土。

(2)軟基處理對(duì)橋樁的影響分析

小直徑鉆孔樁及路基填土施工完畢，土體最大累計(jì)位移10.6mm，且最大值發(fā)生于小直徑鉆孔樁與路基填土周圍，橋樁周圍土體位移微小，由于道路左半幅存在一層粉質(zhì)粘土，地質(zhì)相對(duì)右半幅較差，因此左半幅位移相對(duì)較大，2#橋樁位于左半幅，施工完成后累積位移約3.5mm；3#橋樁位于右半幅，累積位移約3.2mm。

橋樁為摩擦樁，樁長(zhǎng)較大，土體位移引起的沉降較小，影響橋梁正常使用的主要是橋樁的側(cè)向位移。根據(jù)有限元分析結(jié)果：2#橋樁最大水平位移為2.3mm，3#橋樁最大水平位移為2.1mm。

軟基處理后橋樁位移較小，故認(rèn)為小直徑鉆孔樁施工及路基堆填對(duì)橋樁及周圍土體無(wú)明顯影響。道路范圍土體及橋樁整體位移詳見(jiàn)圖3。

4 軟基處理效果評(píng)價(jià)

(1)施工完成后，第三方檢測(cè)單位抽取了總樁數(shù)5%的樁進(jìn)行低應(yīng)變?cè)囼?yàn)，檢測(cè)結(jié)果顯示樁的完整性較好。

(2)隨機(jī)抽取了3根樁進(jìn)行復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，復(fù)合地基承載力fak≥120kPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(3)為保證道路及周邊構(gòu)筑物安全，本工程進(jìn)行了軟基監(jiān)測(cè)及周邊橋樁變形監(jiān)測(cè)。本道路于2017年10月投入使用，根據(jù)施工期間及運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè)結(jié)果，軟基沉降量為1.6cm，鄰近橋樁整體位移為2.9mm，且變形已趨于收斂。

根據(jù)道路檢測(cè)、監(jiān)測(cè)結(jié)果及運(yùn)營(yíng)情況，軟基處理后的變形在規(guī)范和設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，取得了較好效果。

圖3 模型整體位移(單位：mm)

5 結(jié)語(yǔ)

軟土路基是市政道路工程建設(shè)中的常見(jiàn)問(wèn)題，選擇合理的處理措施是保證路基穩(wěn)定的關(guān)鍵，需綜合考慮工程區(qū)域的地質(zhì)條件、場(chǎng)地條件及周邊環(huán)境。

在下穿高速橋軟基段，軟基處理施工凈空有限，且距離鄰近橋樁較近。由于小直徑鉆孔樁施工機(jī)械小、成樁工藝簡(jiǎn)單、場(chǎng)地適用性強(qiáng)、樁身強(qiáng)度高，通過(guò)在本工程中的成功應(yīng)用，表明該處理方式特別適用于此類工程。

在軟基路段填筑路基時(shí)會(huì)引起土體側(cè)向變形，進(jìn)而對(duì)周邊構(gòu)筑物造成一定影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，可采用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析。本工程監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果雖有一些出入，但誤差可控，可通過(guò)不斷積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)合理選擇參數(shù)，從而提高分析結(jié)果精度。