擠擴(kuò)支盤樁在高速公路橋頭軟土地基處理中的應(yīng)用

吳曉龍，孫克強(qiáng)，林澤航

(廣東潮汕環(huán)線高速公路有限公司，廣東 汕頭 515000)

0 引言

軟土是一種高含水率、高壓縮性、低承載力和抗剪強(qiáng)度的呈軟塑或流塑狀態(tài)的黏性土，廣泛分布于我國廣東、浙江、上海等沿海地區(qū)[1-4]。在沿海地區(qū)的公路工程建設(shè)過程中，軟土地基極易造成地基失穩(wěn)，路基沉降不均勻，進(jìn)而引發(fā)路面開裂、橋頭跳車、路基垮塌等病害，嚴(yán)重影響行車安全。為了滿足工程建設(shè)需求，必須對(duì)軟土地基進(jìn)行有效的工程處理。隨著我國地基處理技術(shù)的不斷改進(jìn)和發(fā)展，目前已形成很多有效的軟土地基處理方法，常用的處理方法如換土墊層法、深層擠密法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法等，但受現(xiàn)場地質(zhì)條件、材料供應(yīng)、施工設(shè)備等條件的約束，這些方法都有其自身的局限性[5-10]。支盤樁是一種變直徑的灌注樁，是在原灌注樁基礎(chǔ)上通過增設(shè)承力盤或分支而成，樁身由主樁、數(shù)個(gè)承力盤及數(shù)個(gè)分支組成。支盤樁的承力盤和分支增加了樁身與土體的接觸面積，從而提高了單樁的承載力，與普通等直徑樁相比，支盤樁的承壓、抗水平荷載、抗拔能力均有不同程度的提高，因此支盤樁廣泛應(yīng)用于各種工程建設(shè)領(lǐng)域中，尤其是建筑工程領(lǐng)域。擠擴(kuò)支盤樁在橋梁建設(shè)中也有很多應(yīng)用，但在公路橋頭路段地基處理中應(yīng)用研究相對(duì)較少，尤其是軟土地區(qū)橋頭過渡段的地基處理。

本文以廣東潮汕環(huán)線高速公路西臚互通A匝道橋橋臺(tái)軟基處理為依托工程，將支盤樁應(yīng)用于高速公路橋頭過渡段的軟基處理，通過研究支盤樁設(shè)計(jì)方案、施工質(zhì)量檢測及路基沉降變化，分析擠擴(kuò)支盤樁在高速公路橋頭深層軟基中的加固效果，以期為類似的公路建設(shè)提供技術(shù)參考和指導(dǎo)。

1 擠擴(kuò)支盤樁加固機(jī)理

擠擴(kuò)支盤樁復(fù)合地基由支盤樁和樁間土組成，由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力來承擔(dān)基礎(chǔ)荷載。擠擴(kuò)支盤樁的施工工藝是由鉆機(jī)成孔后，放入擠擴(kuò)支盤機(jī)等專用設(shè)備，按地層的地質(zhì)情況，在地質(zhì)情況較好的土層進(jìn)行側(cè)向擠壓，形成支狀(單支、雙支或六星支)或盤狀腔體，提離擠擴(kuò)支盤機(jī)設(shè)備，放入預(yù)制的鋼筋籠，灌注成樁，形成帶支盤形式同孔腔土體共同受力的混凝土灌注樁。支盤樁通過樁身、承力分支、承力盤及樁端與土體的接觸，提高地基承載力。

擠擴(kuò)支盤樁主要根據(jù)樁基承載力和沉降特性來確定設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)有研究成果主要集中在擠擴(kuò)支盤樁承載力特性方面，提出了一些半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算公式，這些公式的表達(dá)形式基本相同，主要的差別在于修正系數(shù)的取值有所不同?！稑蛄簲D擴(kuò)支盤樁》(JT/T 855-2013)給出了一種較常用的支盤樁單樁承載力容許值計(jì)算公式[11]。

由于支盤樁本身相對(duì)一般混凝土灌注樁而言承載力較大且變形較小，使得支盤樁復(fù)合地基受力與常規(guī)復(fù)合地基受力略有區(qū)別，但在初步設(shè)計(jì)中仍可按《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[12]估算復(fù)合地基承載力特征值fspk。

式中：m—樁土面積置換率；

fsk—處理后樁間土承載力特征值(kPa)，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，當(dāng)無經(jīng)驗(yàn)可參考時(shí)，可取天然地基承載力特征值；

β—樁間土承載力的折減系數(shù)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

廣東潮汕環(huán)線高速公路西臚互通立交位于潮陽區(qū)西臚鎮(zhèn)，立交主要服務(wù)于潮陽區(qū)西臚鎮(zhèn)、關(guān)埠鎮(zhèn)、金灶鎮(zhèn)及周邊地區(qū)，設(shè)計(jì)行車速度為60km/h，雙向四車道。擠擴(kuò)支盤樁軟基處理試驗(yàn)段范圍為：AK1+190～AK1+255，平均填土高度為7m。試驗(yàn)段軟土路基擠擴(kuò)支盤樁處理路段，該路段靠近S234省道，交通便利，原地面進(jìn)行換填處理，并進(jìn)行碾壓，使其滿足大型機(jī)械進(jìn)場施工條件。

西臚互通A匝道橋橋臺(tái)路段為沉積平原地貌，根據(jù)靜力觸探結(jié)果和鉆孔資料顯示，該路段上覆人工填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、殘基粉質(zhì)粘土，下伏基巖為侵入花崗巖。該區(qū)域發(fā)育一層深厚軟土，厚度15～16m，埋深17～18m。各土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 擠擴(kuò)支盤樁地基處理方案設(shè)計(jì)

一般軟土地區(qū)公路路堤的極限填土高度為3～5m。根據(jù)該路段天然地基穩(wěn)定性的驗(yàn)算結(jié)果，該軟基路段設(shè)計(jì)的最大填土高度約7.0m，路堤的安全系數(shù)為0.83，不滿足路堤穩(wěn)定系數(shù)1.2的規(guī)范要求。如果采用天然地基進(jìn)行沉降計(jì)算，該軟土路堤總沉降量達(dá)到了1.67m，工后沉降達(dá)到了0.84m，也不滿足橋梁與路基相鄰過渡段工后沉降的規(guī)范要求。

2.2.1 擠擴(kuò)支盤樁設(shè)計(jì)方案

為了使該路堤沉降滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，軟基處理方法采用支盤樁加固的方式。設(shè)計(jì)樁基直徑為60cm，支盤直徑為140cm，盤高為80cm，支盤均設(shè)置于地質(zhì)情況較好的土層中。支盤樁樁長32m，樁身上部22m范圍內(nèi)均勻布置8根φ12mm鋼筋。樁頂設(shè)置高為80cm、寬為60cm的地連梁，并覆蓋60cm厚的碎石墊層，結(jié)構(gòu)層間采用土工格柵進(jìn)行銜接。支盤樁按等邊三角形布置，樁間距為4.5m，樁體采用C30混凝土。擠擴(kuò)支盤樁單樁及軟基加固橫斷面布置如圖1和圖2所示。

圖1 擠擴(kuò)支盤樁單樁

圖2 擠擴(kuò)支盤樁加固橫斷面布置

2.2.2 樁間距和復(fù)合地基承載力的合理性驗(yàn)算

根據(jù)地質(zhì)鉆孔勘測報(bào)告，支盤樁六星盤位于標(biāo)高-19m(第1盤表體積為0.67m3)，承力盤(第2盤)、(第3盤)和(第4盤)標(biāo)高分別在-22.3m、-25.5m和-28.7m(且2～4盤的表體積均為1.26 m3)，γ2加權(quán)平均重度取9g/cm3，修正系數(shù)λ取0.6，清底系數(shù)m0取0.95(樁底取0.7)，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》給定的計(jì)算公式，計(jì)算得到支盤樁單樁承載力特征值[13]：

Ra=側(cè)壁摩阻力合計(jì)+端阻力合計(jì)+樁底承載力=1106+1415.1+88.1=2609.2kN，取Ra=2600kN。

該路堤復(fù)合地基上最大荷載按填土高度7m計(jì)算為Pmax=γh=7×20=140kPa，根據(jù)上述復(fù)合地基承載力計(jì)算公式，Ap=0.283m2，fsk取50 kPa，β取0.1，估算得到不同置換率(不同樁間距)下支盤樁復(fù)合地基的承載力，如表2所示。從表2中可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)樁間距小于4.5m，復(fù)合地基承載力均大于最大填土荷載Pmax，因此，設(shè)計(jì)方案中樁間距取4.5m滿足地基承載力的要求。

表2 不同置換率下復(fù)合地基承載力

3 擠擴(kuò)支盤樁處理效果分析

3.1 成樁效果檢測

由于擠擴(kuò)支盤樁的樁徑為60cm，樁身鋼筋籠布設(shè)長為22m，無法按普通樁基安裝檢測聲測管來檢測成樁質(zhì)量。為了檢測該擠擴(kuò)支盤樁的樁身完整性，判定樁身施工質(zhì)量情況是否缺陷及缺陷的程度、位置，并判斷樁端的嵌固情況，本路堤的擠擴(kuò)支盤樁采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行檢測，共測試8根。檢測結(jié)果顯示，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[14]，樁身完整性Ⅰ類為6根，Ⅱ類為2根。圖3為低應(yīng)變檢測樁身完整性檢測時(shí)域曲線，從圖中可以看出，時(shí)域信號(hào)(2L/2時(shí)刻信號(hào))特征無明顯缺陷反射波，樁底有反射波，混凝土波速處于正常范圍，成樁效果較好。

圖3 基樁反射波法檢測時(shí)域曲線

3.2 路堤填土沉降觀測

為檢驗(yàn)支盤樁復(fù)合地基處理的加載效果，在AK1+210設(shè)置1個(gè)沉降觀測斷面，分別在路中與路中底部和左、右幅路肩、中樁頂各設(shè)置一組，共設(shè)4個(gè)沉降板。沉降觀測工作從完成第一層填土后開始，每天觀測一次，填土完成后前三個(gè)月每周一次，三個(gè)月后每兩周一次。如遇特殊情況可加強(qiáng)測試頻率。目前該路堤段填土高度已達(dá)5.6m，整個(gè)路堤填筑完畢，各監(jiān)測點(diǎn)的沉降變化如圖4和圖5所示。

圖4 累計(jì)沉降量隨填土高度、時(shí)間的變化曲線

圖5 沉降速率隨填土高度、時(shí)間的變化曲線

由上述累計(jì)沉降量和沉降速率變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：

(1)該路段的路基沉降量在路堤第一層填土填筑完成后，初期沉降量較大，沉降量增長較快，尤其是路基中間和左路肩位置處，增長明顯，沉降速率較大。隨著時(shí)間增長，沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，沉降速率較小。

(2)路堤第2～7層填筑時(shí)間間隔短，累計(jì)沉降量增長迅速，沉降速率大，最大沉降速率約為3.5mm/d，位于中樁頂位置處，最大累計(jì)沉降量約為66mm，位于路基中部。

(3)當(dāng)路堤填土達(dá)到第8、第9層時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量增長均較緩慢，最大累計(jì)沉降量約為75mm。工后各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量變化均較小，整個(gè)路基沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

(4)路堤填筑過程中，路基中部與路肩沉降存在一定差異，沉降量差值約為16mm，路基約90%沉降量在施工過程中完成。

(5)樁頂與樁間土沉降存在一定差異，平均沉降差約為35mm，說明樁間土壓力入侵碎石墊層，受力較為合理。

通過上述分析可知，擠擴(kuò)支盤樁復(fù)合處理完成后，路基累計(jì)沉降量和差異沉降量均不大，約90%沉降量發(fā)生在施工過程中，路基沉降及工后沉降滿足橋路過渡段沉降的要求，路基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)利用復(fù)合地基承載力計(jì)算公式對(duì)擠擴(kuò)支盤樁的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，該設(shè)計(jì)方案滿足地基承載力要求，設(shè)計(jì)方案合理。

(2)采用低應(yīng)變反射波法對(duì)擠擴(kuò)支盤樁進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示樁身完整性較好，成樁效果良好。

(3)路基沉降量隨著填土高度的增加逐漸增長，初期增長較明顯，沉降速率較大，后期隨著填土?xí)r間間隔變短，沉降量增長迅速；路基中部與路肩存在一定的差異沉降，但沉降差不大；路基累計(jì)沉降量和差異沉降量均不大，約90%沉降量發(fā)生在施工過程中，路基沉降及工后沉降滿足橋路過渡段沉降的要求，路基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)對(duì)于深層軟基橋頭采用擠擴(kuò)支盤樁進(jìn)行復(fù)合地基處理取代常規(guī)施工工藝，在承載力提高的同時(shí)，通過增加樁間距，降低工程規(guī)模，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。