樹根樁在碼頭基槽開挖支護(hù)中的應(yīng)用

徐艷亮， 李 珍， 周春兒

(1. 江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 江西 南昌330008；2. 廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 廣州510050)

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及港口岸線的開發(fā)利用， 越來越多的碼頭需要在邊界條件不利的條件下實(shí)施， 例如碼頭前沿線距離后方護(hù)岸或鄰近構(gòu)筑物距離近， 無法放坡開挖基槽等。 如何保證基槽開挖時后方護(hù)岸及構(gòu)筑物的穩(wěn)定性，是此類項(xiàng)目急需解決的一個難題。

常規(guī)的基槽開挖放坡護(hù)坡處理遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足后方護(hù)岸及構(gòu)筑物的穩(wěn)定性要求， 因此本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)， 論述在基槽開挖前采用樹根樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)， 以保證護(hù)岸穩(wěn)定的理論研究及實(shí)際實(shí)施情況。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

廣東陽江某碼頭擬建場區(qū)上覆土層為第四系全新統(tǒng)至晚更新統(tǒng)淤泥類土或砂性土、 花崗巖風(fēng)化殘積層、 下伏燕山期全風(fēng)化花崗巖、 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、 中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖(圖1)。

圖1 碼頭地質(zhì)橫向典型斷面

土體主要指標(biāo)見表1、 2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)(用于邊坡穩(wěn)定計(jì)算)

表2 各巖土層地基容許承載力及樁基參數(shù)建議值

續(xù)表2

1.2 建設(shè)規(guī)模

碼頭建設(shè)規(guī)模為2 個3 000 噸級多用途泊位(兼靠5 000 噸級)， 岸線長254 m， 碼頭北側(cè)建臨時護(hù)岸。 建筑物等級為Ⅱ級， 擬采用重力式基礎(chǔ)。 荷載要求: 碼頭前沿作業(yè)地帶按堆放20′(6.1 m)及40′(12.2 m)重箱2 層考慮。 碼頭前方4 m 范圍內(nèi)，q1=20 kPa； 4 ～11.5 m 范圍內(nèi)，q2=30 kPa； 后方均載考慮30 kPa， 其他為流動機(jī)械荷載。

本項(xiàng)目護(hù)岸前沿原泥面高程平均約為1.25 m，基槽開挖最深處至-14.0 m， 后方陸域高程為5.0 m(某基地北護(hù)岸)。 基槽開挖最深處至-14.0 m， 基槽開挖對與碼頭前沿線距離僅約15 m的鄰近碼頭及其護(hù)岸產(chǎn)生極大的影響， 同時鄰近碼頭的船舶噸位較小， 停泊水域水深較小，設(shè)計(jì)底高程為-3.70 m， 而本項(xiàng)目停泊水域設(shè)計(jì)底高程-8.1 m， 停泊水域開挖至-8.1 m 的高程，對于鄰近碼頭的高樁梁板碼頭和岸坡穩(wěn)定均造成影響(圖2)。

圖2 基槽開挖樹根樁支護(hù)局部平面布置(高程: m； 尺寸: mm。 下同)

1.3 基槽開挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案

首先考慮常規(guī)的灌注樁地連墻墩臺支護(hù)方案。 設(shè)置22 根φ1 500 mm @1 700 mm 的灌注樁地連墻， 并在墩臺內(nèi)部設(shè)置5 根φ1 500 mm 灌注樁支撐樁基組成。 地連墻樁基底高程為-23.0 m，以中風(fēng)化巖為持力層， 頂高程為2.6 m， 嵌入上部墩臺100 mm。 基槽開挖必須在樁基墩臺段所有的主體結(jié)構(gòu)完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行。 此方案造價高， 施工難度大， 工期長， 且穩(wěn)定及樁基承載力計(jì)算較難通過。 因此， 引入樹根樁支護(hù)方案。 樹根樁直徑150 mm， 間距0.8 m， 正三角形布置， 其中前排樁采用直徑600 mm 的高壓旋噴樁封堵， 樹根樁樁底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖2.09 ～4.09 m， 要求樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到C20， 樹根樁支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方能進(jìn)行碼頭基槽開挖。

其中樁距是根據(jù)邊坡穩(wěn)定計(jì)算及現(xiàn)場典型試驗(yàn)段檢驗(yàn)結(jié)果確定的。 經(jīng)驗(yàn)證， 若樁距過大(超過6 倍樁徑)， 則很難形成復(fù)合地基效應(yīng)， 無法發(fā)揮樹根樁的作用； 若樁距過小(＜3 倍樁徑)， 則容易出現(xiàn)斷樁等現(xiàn)象， 同時造成浪費(fèi)。

圖3 為基槽開挖樹根樁支護(hù)典型斷面。

圖3 基槽開挖樹根樁支護(hù)典型斷面

2 樹根樁加固理論及相關(guān)計(jì)算

樹根樁技術(shù)是20 世紀(jì)50 年代由意大利的F.LIZZI 首先提出并在實(shí)際工程中采用的。 美國聯(lián)邦公路局(FHWA)和法國合作于1993 年對此進(jìn)行研究并提出樹根樁對解決基礎(chǔ)和邊坡穩(wěn)定問題的潛在能力和良好的發(fā)展前景[1]。 我國于1987 年初， 延安東路越江隧道的盾構(gòu)穿越黃浦江后到達(dá)浦西， 向市中心推進(jìn)， 沿線的外灘原天文臺、 紡織品倉庫等建筑先后采用了樹根樁托換、 加固，取得了良好的效果， 并積累了施工經(jīng)驗(yàn)[2]。

樹根樁可用于地基加固、 在既有建筑物下施工地下隧道時對既有建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行托換， 或用于邊坡上建筑物以及碼頭下提高地基承載力和邊坡穩(wěn)定性。 適用于淤泥、 淤泥質(zhì)土、 黏土、 粉土、砂土、 碎石土、 黃土和人工填土等地基土上的加固工程。

樹根樁具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)由于使用小型鉆機(jī)， 故所需施工場地較小，只要有平面尺寸1 m×1.5 m 和凈空高度2.5 m 即可施工。

2)施工時噪聲小， 機(jī)具操作時振動也小， 即使在不穩(wěn)定的地基土中也可以進(jìn)行施工。

3)施工時因樁孔很小， 故對地基土不產(chǎn)生任何次應(yīng)力， 僅僅是在灌注水泥砂漿時使用壓力不大的壓縮空氣， 所以加固時不擾動地基土。

4)壓力灌漿使樁的外表面比較粗糙， 使樁和土之間的附著力增加， 從而使樹根樁與地基土緊密結(jié)合， 使樁和基礎(chǔ)(甚至和墻身)聯(lián)結(jié)成一體，因而經(jīng)樹根樁加固后結(jié)構(gòu)整體性得到大幅度改善。

5)造價低， 工期短， 施工工藝單一。

針對本項(xiàng)目， 樹根樁的設(shè)計(jì)計(jì)算主要為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算[3-4]。 根據(jù)GB∕T 50783—2012《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》， 復(fù)合地基穩(wěn)定性可采用圓弧滑動總應(yīng)力進(jìn)行分析。 本工程采用瑞典簡單條分法進(jìn)行地基穩(wěn)定性分析(圖4)。

采用Slide 軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。 樹根樁加固區(qū)土體參數(shù)按照復(fù)合地基考慮。 工程設(shè)計(jì)時，考慮樹根樁與樁間土形成類似重力式擋土墻的結(jié)構(gòu)， 其抗剪強(qiáng)度主要取決于內(nèi)插鋼管抗剪強(qiáng)度，一般不考慮樁體混凝土的抗剪作用， 混凝土主要起到保證樁土共同作用以及防止樁間土繞流的作用。 樹根樁內(nèi)插Q235 鋼管， 其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=125 MPa， 單根樹根樁抗剪強(qiáng)度為T樹根樁=πφ鋼管δfv=260 kN。 考慮折減系數(shù)1.5， 取T樹根樁=175 kN； 土體參數(shù)采用表1 參數(shù)。 計(jì)算工況主要是使用期工況， 前方已開挖至前沿設(shè)計(jì)底高程-14.0 m， 后方為5.0 m 的基地。

圖4 整體穩(wěn)定計(jì)算典型斷面

3 施工要點(diǎn)

施工工序: 施工準(zhǔn)備→鋼管制作→鉆孔(泥漿護(hù)壁)→第一次清孔→放入鋼管一填瓜米石→第二次清孔→漿液制作→一次注漿→二次注漿→驗(yàn)收。

1)施工準(zhǔn)備: 原材料進(jìn)場； 機(jī)具進(jìn)場、 安裝；質(zhì)量、 安全技術(shù)交底； 施工工作面清理。

2)鉆孔: 用鉆機(jī)鉆孔， 采用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)過程應(yīng)進(jìn)行泥漿護(hù)壁； 因樁底須進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖， 所以須采用合適的鉆具， 以保證順利鉆進(jìn)； 孔徑不小于150 mm， 孔位偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于1%。

3)第1 次清孔: 在成孔后， 將鉆頭提離孔底20 cm， 開啟慢速回轉(zhuǎn)， 利用鉆具進(jìn)行清孔。第1 次清孔應(yīng)采用比重1∶1.5 ～1∶2.5 的濃泥漿，加大水泵壓力， 把孔內(nèi)的泥皮及少量的細(xì)砂粒徹底從孔內(nèi)帶出。 第1 次清孔一定要徹底， 為第2 次清孔做好準(zhǔn)備工作。

4)吊放鋼管: 鋼管采用套焊連接， 接頭長度不小于2 倍鋼管直徑。

5)填瓜米石: 回填料采用清洗過的粒徑為5 ～10 mm 的瓜米石； 瓜米石應(yīng)盡量投入孔口填料漏斗中， 直至填滿樁孔， 填入量應(yīng)不小于計(jì)算體積的0.9 倍； 在初凝過程中樁頂可能有一定數(shù)量的石子沉落， 應(yīng)及時投入瓜米石至樁頂。

6)第2 次清孔: 利用鋼管一邊注入清水清孔，一邊灌填瓜米石， 直至孔口返出清水為止， 比重不大于1.05。

7)一次注漿: 注漿壓力控制在0.2 ～0.5 MPa，注漿流量32～47 L∕min， 使?jié){液均勻上冒， 直到孔口泛出純水泥漿為止； 二次注漿: 待一次注漿初凝時(約2 h)， 利用鋼管進(jìn)行二次注漿， 注漿壓力控制在1 ～2 MPa， 直到孔口泛出純水泥漿為止；現(xiàn)場設(shè)置注漿量自動計(jì)量設(shè)備， 記錄每根注漿量和總注漿量， 注漿充溢系數(shù)不小于1.3[5]。

由于本項(xiàng)目是在軟土地基中進(jìn)行樹根樁的施打， 因此為保證成樁質(zhì)量并避免對已施打樹根樁產(chǎn)生影響， 建議采用跳孔工序施工[6]， 并采用早強(qiáng)水泥或加入早強(qiáng)劑以保證混凝土強(qiáng)度； 設(shè)置定位筋， 每隔3 m 沿管壁焊接3 根； 配鋼筋環(huán)箍，加大底部入巖段的抗拔力； 鋼管底部采用3 根鋼筋焊接， 底部預(yù)留100 mm 高空隙， 以便清除鋼管底部殘積的泥水， 并有利于返漿； 鋼管下部3 m范圍每隔300 mm 沿鋼管周邊均勻開3 個6 mm 的小孔， 根據(jù)凈空限制分段制作， 鋼管露出孔口。采用42.5R 普通硅酸鹽水泥， 水泥漿水灰比為0.6， 樁體水泥用量不小于50 kg∕m。

通過鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度及樁身混凝土均勻性。

4 支護(hù)效果檢驗(yàn)

質(zhì)量檢驗(yàn): 質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)滿足JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定， 樁身完整性采用低應(yīng)變試驗(yàn)檢測， 檢測數(shù)量不少于總樁數(shù)的10%，且不得少于10 根。

檢測結(jié)果顯示: 樁基綜合判定類別為I 類，樁身完整。

通過鉆芯法對樁身混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測， 結(jié)果顯示強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

另外， 通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層水平位移測斜儀觀測來判斷穩(wěn)定性， 從而檢驗(yàn)支護(hù)效果。 深層水平位移測斜儀主要觀測土體不同深度點(diǎn)水平位移讀數(shù)， 根據(jù)位移和時間的變化曲線分析土體穩(wěn)定性， 可作為施工控制輔助手段。 觀測起始時間為碼頭基槽開挖至碼頭后方陸域回填， 共約4 個月， 頻率為監(jiān)測期內(nèi)每天監(jiān)測1 次。 觀測布置點(diǎn)見圖5。

圖5 觀測點(diǎn)布置

通過深層水平位移觀測發(fā)現(xiàn)， 從基槽開挖開始， 觀測點(diǎn)最大位移速率約為4. 6 mm∕d， 逐步穩(wěn)定后位移速率呈下降趨勢， 至后期約為2. 99 mm∕d。 最大累計(jì)位移約3. 5 cm。 各觀測點(diǎn)位移量均未超過預(yù)警值， 部分變化曲線如圖6所示。

圖6 部分測斜觀測典型曲線

檢測與觀測結(jié)果顯示， 樹根樁支護(hù)效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

1)樹根樁應(yīng)用于重力式碼頭基槽開挖支護(hù)可達(dá)到理想的加固效果；

2)樹根樁設(shè)計(jì)底高程宜穿透軟土層， 進(jìn)入較好的土層作為持力層， 并通過穩(wěn)定驗(yàn)算， 宜穿過圓弧滑動面以下不小于2 m；

3)樹根樁布置的置換率直接影響到加固效果，間距宜取3～6 倍樁徑， 以形成復(fù)合地基效應(yīng)；

4)影響樹根樁施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素主要有是否跳打、 注漿壓力和流量、 清孔質(zhì)量、 充溢系數(shù)等， 必要時通過典型試驗(yàn)段施工確定各工藝參數(shù)；

5)樹根樁支護(hù)宜進(jìn)行深層水平位移觀測， 根據(jù)觀測數(shù)據(jù)及時采取相關(guān)措施進(jìn)行處理， 以保證邊坡穩(wěn)定。