PHC管樁在巖溶地區(qū)公路工程軟土地基處理中的應(yīng)用

黃 銳

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610041)

石灰?guī)r在我國(guó)廣泛分布，由于地表水和地下水的長(zhǎng)期作用，巖層產(chǎn)生溶蝕，形成溶洞、溶槽、溶溝、漏斗、暗河、石芽、土洞等巖溶現(xiàn)象。巖溶地帶被其后來(lái)次生的風(fēng)化或沖積物所填充和覆蓋，深埋于地下，在溝谷的開(kāi)闊地帶、河流兩側(cè)、河漫灘等地段，細(xì)顆粒物質(zhì)常沉積于此，形成淤泥、淤泥質(zhì)土、軟塑狀粉質(zhì)黏土等軟弱土層。該類(lèi)土層承載力低、壓縮變形大，在巖溶地區(qū)軟土地基上修筑高速公路，易產(chǎn)生沉降及穩(wěn)定問(wèn)題，需進(jìn)行地基處治。預(yù)應(yīng)力管樁作為一種空心細(xì)長(zhǎng)混凝土預(yù)制構(gòu)件，具有單樁承載力高、對(duì)樁端持力層起伏變化大的地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快、工效高、工期短、抗彎性好、成樁質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于處理高等級(jí)公路軟土地基處治。本文以某高速公路巖溶地段軟基處理為基礎(chǔ)，從勘察、設(shè)計(jì)方面對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基處治巖溶地區(qū)軟土地基進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)介紹了PHC管樁復(fù)合地基的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明，運(yùn)用PHC管樁復(fù)合地基進(jìn)行軟土地基處理能取得良好的加固效果，可為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

某項(xiàng)目場(chǎng)地屬北江二級(jí)階地地貌，地層主要由第四系填土層、沖積層、泥盆系灰?guī)r組成。根據(jù)鉆探資料，地層自上而下依次為：

①第四系人工堆積層：厚度1.00～1.5 m。

②第四系沖洪積層粉質(zhì)黏土：灰褐色，軟塑，中壓縮性，低強(qiáng)度，厚度5.0～5.5 m。

③第四系更新統(tǒng)沖洪積層黏土：灰色，軟塑～可塑，高壓縮性，低強(qiáng)度，厚度5.5～5.7 m。

④粉質(zhì)黏土：黃色、黃褐色，軟塑～可塑，高壓縮性，低強(qiáng)度，層厚大于6.0～6.5 m。

⑤礫砂：灰褐色，稍密，飽和，主要為石英質(zhì)砂，含少量卵石，厚度6.4～7.0 m。

⑥泥盆系天子嶺組微風(fēng)化灰?guī)r：灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體較完整，局部巖溶發(fā)育。

其中第②、③、④層為主要壓縮層，主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 PHC管樁試驗(yàn)段主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 巖溶地區(qū)軟土地質(zhì)勘察

巖溶地區(qū)軟土工程地質(zhì)勘察，應(yīng)采用物探、鉆探、靜力觸探、室內(nèi)試驗(yàn)等手段，著重查明軟土性質(zhì)、軟土厚度、持力層性質(zhì)、持力層厚度、巖土交界面巖溶(土洞)發(fā)育情況、基巖埋深等。

物探能有效查明巖溶的分布范圍、埋藏深度和發(fā)育情況。鉆探是工程地質(zhì)勘察最直接的勘探手段，精確度高，能直接、準(zhǔn)確獲取土層的信息，獲取土樣，用作物理力學(xué)試驗(yàn)，獲取參數(shù)。根據(jù)物探、鉆探資料，有針對(duì)性的布置靜力觸探孔，可確定軟土、黏性土和砂類(lèi)土的承載力。對(duì)于覆蓋型巖溶，還可查明第四系覆蓋層中有無(wú)隱蔽土洞存在、土洞的規(guī)模及埋藏位置。

對(duì)于一般地區(qū)軟土工程，規(guī)范規(guī)定按200 m間距布置鉆孔。對(duì)于覆蓋型巖溶地質(zhì)，規(guī)范未作特殊規(guī)定，建議詳勘鉆孔間距宜不大于100 m。本場(chǎng)地在管樁在大面積施工前，在管樁試樁時(shí)，發(fā)現(xiàn)詳勘鉆孔入巖深度和實(shí)際試樁深度存在較大差異，通過(guò)分析詳勘資料及試樁資料，得知由于巖面起伏較大所致。施工階段有針對(duì)性的進(jìn)行施工補(bǔ)充鉆探，施工勘察鉆探間距調(diào)整為100 m，并按30 m間距補(bǔ)充了大量靜力觸探孔，為管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)提供了有效的基礎(chǔ)資料。

3 巖溶地區(qū)軟基處治設(shè)計(jì)

3.1 方案選擇

高等級(jí)公路軟基處治要考慮多方面的因素，包括施工工期、工程造價(jià)、處治效果、施工技術(shù)可靠度、資源消耗、機(jī)具條件、對(duì)環(huán)境的影響等。

本場(chǎng)地由于本項(xiàng)目工期緊張，故考慮采用CFG 樁或預(yù)應(yīng)力管樁等剛性樁進(jìn)行加固。而相比CFG 樁單樁承載力較PHC管樁低，單根樁處理面積僅為PHC管樁處理面積的1/3，且CFG樁易出現(xiàn)塌孔、縮孔等問(wèn)題，質(zhì)量難以保證。預(yù)應(yīng)力管樁一般為工廠(chǎng)預(yù)制，質(zhì)量可靠，對(duì)軟土地基加固也更加有效。因此，綜合考慮確定采用預(yù)應(yīng)力管樁對(duì)軟弱地基進(jìn)行加固。

3.2 基本參數(shù)的選擇

3.2.1 樁徑

管樁樁徑的選擇與上部荷載、樁間距、樁側(cè)、樁端阻力等力學(xué)參數(shù)有關(guān)。公路工程軟基處治中預(yù)制管樁直徑一般采用φ300 mm或φ400 mm。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，路堤填土較高時(shí)，φ300 mm管樁的斷樁率較高，易產(chǎn)生穩(wěn)定問(wèn)題；而管樁直徑較大，承載力得不到充分利用，易造成浪費(fèi)?？紤]本項(xiàng)目路堤填土荷載為7～11 m，上部荷載較大，故采用直徑φ400 mm管樁，正方形布置。

3.2.2 樁距

PHC管樁復(fù)合地基根據(jù)上部填土荷載、地基土性質(zhì)、單樁承載力等確定樁距。樁距越大，單樁承載力要求越高；樁距過(guò)小，管樁的擠土效應(yīng)比較明顯，不利于擠土導(dǎo)致的樁間土超孔隙水壓力消散，相鄰樁間中心距按不小于5d控制。本項(xiàng)目根據(jù)鉆探、靜力觸探資料、填土高度，根據(jù)上部荷載和地基承載力分段、分區(qū)調(diào)整間距，樁間距為2.0～2.6 m。

3.2.3 樁長(zhǎng)

PHC管樁樁長(zhǎng)宜根據(jù)靜力觸探提供的各土層側(cè)阻力參數(shù)及樁端持力層端阻力參數(shù)按JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算確定。巖溶地區(qū)灰?guī)r以微風(fēng)化為主，PHC管樁很難入巖，故樁長(zhǎng)按摩擦樁計(jì)算[1]。

Quk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式中：qsik、qpk為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周處；li為樁周土第i層土的厚度；Ap為樁端面積。

3.2.4 樁帽

樁頂在上部荷載、負(fù)摩阻作用下，若樁接近破壞狀態(tài)、樁頂沉降增大時(shí)，樁土應(yīng)力比減小、樁間土荷載增大，不利于路堤穩(wěn)定和沉降控制。為充分利用PHC管樁的承載力，增大樁土應(yīng)力比，樁頂應(yīng)設(shè)置樁帽。較大覆蓋率的樁帽可以有效提高樁荷載率，減少對(duì)土工合成材料的依賴(lài)，因此樁帽覆蓋率應(yīng)盡量大，樁帽示意圖見(jiàn)圖1。樁帽可按式(2)～式(4)進(jìn)行抗彎、抗沖切計(jì)算[2]。

M=0.125ζ(H-H1)γf(b-a)2b

(2)

F1≤0.14fc(a+h0)h0

(3)

F1=Pp[1-(a+2h0)2/b2]

(4)

圖1 樁帽示意

式中：M為樁邊緣處截面的彎矩(kN·m)；ζ為修正系數(shù)，H1為樁帽頂面以下填土厚度(m)；a為方樁邊長(zhǎng)，圓樁時(shí)a=0.886d(d為樁直徑)。

3.3 墊層設(shè)計(jì)

墊層設(shè)計(jì)包括墊層構(gòu)造形式、加筋材料的選用以及墊層受力計(jì)算(圖2)。

圖2 墊層設(shè)計(jì)示意

3.3.1 加筋材料

路堤邊坡土體向外側(cè)滑移時(shí)，樁頂會(huì)產(chǎn)生向外水平力，為減小水平力，樁頂應(yīng)設(shè)置加筋材料。設(shè)計(jì)時(shí)水平土壓力全部由加筋材料承擔(dān)為原則。為減少加筋層數(shù)，采用高強(qiáng)度土工格柵、雙向鋪設(shè)的單向土工格柵。土工合成材料置于土體中，可以擴(kuò)散土體的應(yīng)力，傳遞拉應(yīng)力，增加土體與筋材之間的摩阻力，限制土體的側(cè)向位移，提高土體穩(wěn)定性。加筋設(shè)計(jì)采用碎石墊層頂部和底部各鋪設(shè)一層雙向土工格柵。

3.3.2 墊層設(shè)計(jì)

墊層能夠保證樁、土共同承擔(dān)荷載，它是PHC管樁形成復(fù)合地基的重要條件。通過(guò)改變墊層厚度，可調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比。墊層的設(shè)置，可以使樁間土承載力充分發(fā)揮，作用在樁間土表面的荷載在樁側(cè)的土單元體產(chǎn)生豎向和水平向附加應(yīng)力，水平附加應(yīng)力作用在樁表面具有增大側(cè)阻的作用，在樁端產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力對(duì)提高單樁承載力是有益的。墊層宜選擇級(jí)配良好的碎石、砂礫、石屑等，墊層的厚度不宜小于0.3 m 。

3.4 單樁承載力的確定

3.4.1 按規(guī)范的計(jì)算公式確定

JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，按式(1)確定。

用靜力觸探確定樁側(cè)阻力和樁端阻力，方便迅速，精度也較高。本文采用雙橋靜力觸探資料確定混凝土預(yù)制單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，按式(5)計(jì)算[1]。

Quk=u∑liβifsi+αqcAp

(5)

式中：βi為第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.55；砂土：βi=5.05(fsi)-0.45。fsi為第i層土的探頭平均側(cè)阻力(kPa)；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d(d為樁的直徑或邊長(zhǎng))范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值(kPa)；然后再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力進(jìn)行平均；α為樁端阻力修正系數(shù)，對(duì)于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2。

預(yù)制樁還應(yīng)按式(6)驗(yàn)算樁身強(qiáng)度。

Quk≤φψcfcAp

(6)

式中：φ為受壓穩(wěn)定系數(shù)；ψc為基樁成樁工藝系數(shù)；fc為樁身立方抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；AP為樁身截面面積。

3.4.2 按單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)確定

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)是最可靠的確定單樁承載力的方法，它不僅可確定樁的極限承載力，還可以通過(guò)埋設(shè)各類(lèi)測(cè)試元件，獲得荷載傳遞、樁側(cè)阻力、樁端阻力、荷載—沉降關(guān)系等諸多資料。由于靜載試驗(yàn)耗用的費(fèi)用、時(shí)間、資源等較大，只能對(duì)對(duì)有代表性的少量樁進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4.3 按高應(yīng)變檢測(cè)確定

高應(yīng)變檢測(cè)的基本原理：用重錘沖擊樁頂，往樁頂軸向施加一個(gè)沖擊力，使樁土產(chǎn)生足夠的相對(duì)位移，以充分激發(fā)樁周土阻力和樁端支承力。通過(guò)安裝在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器接收樁的應(yīng)力波信號(hào)，應(yīng)用應(yīng)力波理論分析處理力和速度時(shí)程曲線(xiàn)，從而判定樁的承載力和評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量完整性。

3.4.4 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

試驗(yàn)表明，利用靜力觸探取得樁側(cè)阻力和樁端阻力等計(jì)算參數(shù)，結(jié)合規(guī)范公式，得到的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算值和靜載試驗(yàn)最大試驗(yàn)荷載基本吻合。而高應(yīng)變?cè)囼?yàn)最大試驗(yàn)荷載與極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算值相比則較為離散，但承載力和樁長(zhǎng)呈正相關(guān)。工程實(shí)踐表明，采用靜載試驗(yàn)確定單樁承載力特征值可靠性較高，確定收錘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)參考靜載試驗(yàn)確定的試驗(yàn)荷載(表2、表3)。

表2 靜載試驗(yàn)結(jié)果匯總

3.5 穩(wěn)定性分析

JTG/T D31-02-2013《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》規(guī)定，剛性樁復(fù)合地基的穩(wěn)定性可采用圓弧滑動(dòng)法驗(yàn)算，滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度采用樁土復(fù)合抗剪強(qiáng)度。復(fù)合地基內(nèi)滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度采用復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度τps、τps可按式(7)計(jì)算[3]。

τps=mτp+(1-m)τs

(7)

式中：τs為土體的抗剪強(qiáng)度，τp為樁體的抗剪強(qiáng)度，m為樁土面積置換率。

表3 高應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果匯總表

樁承路堤通常不需要進(jìn)行穩(wěn)定分析，但是土工合成材料鋪設(shè)時(shí)未拉緊的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，土工合成材料發(fā)揮作用時(shí)樁間土已經(jīng)承受不少荷載。為謹(jǐn)慎起見(jiàn)，有必要進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算?？紤]土工合成材料鋪設(shè)時(shí)張拉不緊、樁間軟黏土沉降緩慢等因素，路堤滑塌前土工合成材料發(fā)揮作用有限，穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)不考慮土工合成材料的作用[4]。

3.6 沉降計(jì)算分析

PHC管樁樁復(fù)合地基沉降等于加固區(qū)沉降與下臥層沉降之和。由于PHC管樁剛度較大，樁身壓縮量很小，且在加載期快速完成，可不考慮樁間土壓縮變形對(duì)沉降的影響，采用分層總和法計(jì)算最終沉降[3]。

(8)

式中：Ss為樁基最終沉降，m為樁端平面以下壓縮層內(nèi)土層分層數(shù)目；Esj,i為樁端平面下第j層土第第i個(gè)分層在自重應(yīng)力至自重應(yīng)力附加應(yīng)力作用段的壓縮模量；nj為樁端平面下第i層土的計(jì)算分層數(shù)；Δhj,i為樁端平面下第j層第i個(gè)分層的厚度；σj,i為樁端平面下第j層第i個(gè)分層的豎向附加應(yīng)力；ψP為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

4 PHC管樁試樁

4.1 PHC管樁試樁目的

通過(guò)試樁復(fù)核地質(zhì)資料以及設(shè)備、工藝、施打順序是否適宜，確定錘重、落距值、收錘標(biāo)準(zhǔn)等施工參數(shù)，用于整個(gè)場(chǎng)地的預(yù)應(yīng)力管樁的施工。

4.2 靜載試驗(yàn)

PHC管樁試樁測(cè)試荷載由液壓千斤頂進(jìn)行逐級(jí)加荷，千斤頂所需的反力由沙袋堆重平臺(tái)承擔(dān)。測(cè)試加荷方式為快速維持荷載分級(jí)加載法，每級(jí)荷載加載量為最大試驗(yàn)荷載的1/10，在每一級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載。最大測(cè)試荷載加至2 000 kN。靜載試驗(yàn)壓重平臺(tái)堆載見(jiàn)圖3。

圖3 靜載試驗(yàn)壓重平臺(tái)堆載

4.3 收錘標(biāo)準(zhǔn)的確定

收錘標(biāo)準(zhǔn)即停止施打的控制條件與管樁的承載力之間的關(guān)系相當(dāng)密切，尤其是最后貫入度，常常被作為收錘時(shí)的重要條件。公路工程中管樁收錘標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以達(dá)到的樁端持力層和最后貫入度或最后三陣錘(每陣10錘)錘擊數(shù)作為主要的收錘控制指標(biāo)。最后貫入度控制值可參考Hilley打樁公式的計(jì)算結(jié)果，實(shí)際工程中通過(guò)試樁的靜載試驗(yàn)確定[5](表4)。

表4 收錘標(biāo)準(zhǔn)匯總

通過(guò)表4可知，對(duì)于本項(xiàng)目場(chǎng)地，采用最后三陣錘(每陣10錘)的貫入度小于40 cm，靜載最大試驗(yàn)荷載均大于2 000 kN，即采用最后三陣錘(每陣10錘)的貫入度小于40 cm，靜載最大試驗(yàn)荷載均小于2 000 kN。單樁設(shè)計(jì)承載力特征值的取值，取單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2的值。因此，單樁豎向承載力特征值均大于等于1 000 kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[6]。

為便于施工，同一場(chǎng)地宜統(tǒng)一單樁承載力特征值。不同填土高度，可通過(guò)調(diào)整樁間距實(shí)現(xiàn)單樁承載力特征值的統(tǒng)一。對(duì)于地質(zhì)差異較大的區(qū)域，應(yīng)分區(qū)試樁，分區(qū)確定收錘標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1) PHC管樁具有施工快速、質(zhì)量可靠等明顯優(yōu)勢(shì)，適用于巖溶地區(qū)軟土層底具有一定厚度持力層的軟土地基處理。

(2)巖溶地區(qū)軟土地基場(chǎng)地勘察應(yīng)采用綜合勘探手段，并適當(dāng)加密勘探孔；用于確定管樁樁長(zhǎng)的計(jì)算參數(shù)宜采用靜力觸探確定。

(3)單樁承載力應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)單樁靜載試驗(yàn)確定；靜力觸探力學(xué)參數(shù)可用于確定單樁承載力，且準(zhǔn)確度較高。

(4)同一場(chǎng)地宜統(tǒng)一單樁承載力特征值，地質(zhì)差異較大的區(qū)域，應(yīng)分區(qū)試樁，分區(qū)確定收錘標(biāo)準(zhǔn)。