微型鋼管-旋噴復(fù)合樁在軟土區(qū)的試驗(yàn)研究

吳越琛 王進(jìn)明

(浙江省巖土基礎(chǔ)公司，浙江寧波 315000)

0 引言

隨著公路、鐵路、碼頭、軌道交通等交通設(shè)施及大型工用民用設(shè)施的大量興建，軟土地質(zhì)條件下建筑物的沉降變形和承載力要求越來(lái)越高，建筑物地基加固成為工程界關(guān)心的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

微型鋼管樁的概念是19世紀(jì)50年代由意大利的Lizzi[1]提出，并被Fondedile[2]公司首先開(kāi)發(fā)利用，從1930年開(kāi)始，歐洲不僅在橋墩，還在高層建筑物、構(gòu)筑物上都增加了鋼管樁的使用。日本在19世紀(jì)50年代中期開(kāi)始使用微型鋼管樁[3]，目前鋼管樁和微型鋼管樁已構(gòu)成日本鋼樁的主體，其用途也逐漸多樣化。黃 濤[4]肯定了微型鋼管樁在地基加固中的作用，介紹了微型鋼管樁的施工工藝、應(yīng)用范圍以及承載力計(jì)算方法。方家強(qiáng)[5]在對(duì)某沿海地區(qū)軟土地區(qū)建筑物基礎(chǔ)加固時(shí)，采用微型鋼管樁控制其沉降，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3根微型鋼管樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜荷載試驗(yàn)，對(duì)加固后建筑物的沉降進(jìn)行了觀測(cè)，表明微型鋼管樁有良好的抗壓強(qiáng)度。

微型鋼管樁已被大量應(yīng)用在邊坡抗滑、基坑圍護(hù)、軟土地基加固、建筑基礎(chǔ)加固等領(lǐng)域，取得了較多的研究成果，其中對(duì)軟土地區(qū)抗壓、抗拔、普通微型樁的單樁和群樁承載力均有所研究。不過(guò)采用微型鋼管--旋噴復(fù)合樁施工工藝的工程實(shí)踐資料和研究試驗(yàn)較少，開(kāi)展對(duì)該項(xiàng)技術(shù)施工工藝的研究以及技術(shù)試驗(yàn)，對(duì)該技術(shù)的承載力、可靠性進(jìn)行試驗(yàn)論證，研究其承載加固特性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地地形平坦開(kāi)闊，屬第四系濱海沖湖積平原，場(chǎng)地工程地質(zhì)概況見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

2 施工工藝與流程

2.1 施工設(shè)備

多功能履帶式鉆機(jī)、高壓注漿泵、移動(dòng)式空壓機(jī)、潛孔沖擊器等。

2.2 施工材料

普通硅酸鹽水泥P·O42.5、DZ20無(wú)縫鋼管等。

2.3 工藝流程

設(shè)計(jì)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁施工工藝流程見(jiàn)圖1，該工藝能滿足在狹窄、限高等臨近既有建(構(gòu))筑物場(chǎng)地靈活施工的要求。

圖1 微型鋼管--旋噴復(fù)合樁施工工藝流程

2.4 工藝參數(shù)

微型鋼管--旋噴復(fù)合樁采用單重管高壓旋噴施工工藝，水泥漿水灰質(zhì)量比0.8，旋噴壓力25 MPa，提升速度20～30 cm/min，轉(zhuǎn)速20 r/min。旋噴施工完畢后壓入鋼管樁，鋼管樁采用無(wú)縫鋼管特制螺紋絲扣連接，規(guī)格為φ108～127 mm，鋼管外周設(shè)置螺旋筋增大摩阻力。

3 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)單樁承載力試驗(yàn)五組，分別為微型鋼管--旋噴復(fù)合樁鋼管抗壓承載力試驗(yàn)、微型鋼管--旋噴復(fù)合樁復(fù)合抗壓承載力試驗(yàn)、微型鋼管--旋噴復(fù)合樁鋼管抗拔承載力試驗(yàn)、微型鋼管--旋噴復(fù)合樁鋼管水平承載力試驗(yàn)以及高壓旋噴樁單樁抗壓承載力試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 水泥土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)鉆芯法結(jié)果顯示，本試驗(yàn)中高壓旋噴樁的水泥土30 d強(qiáng)度平均值為8.38 MPa，60 d強(qiáng)度平均值為9.35 MPa，90 d強(qiáng)度平均值為10.72 MPa。(見(jiàn)表2)

4.2 承載力試驗(yàn)

本次試驗(yàn)均為破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線均呈陡降型，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果顯示：

(1)高壓旋噴樁單樁抗壓承載力遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，僅為理論值的57.4%。

(2)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁鋼管抗壓承載力與復(fù)合抗壓極限承載力數(shù)值接近。

(3)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁抗壓極限承載力較高壓旋噴單樁有大幅提升，增加幅度達(dá)到旋噴樁理論極限承載力的188%，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)旋噴樁實(shí)際極限承載力的401.4%。

(4)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁在水泥土樁的基礎(chǔ)上增加了抗拔承載性能。

(5)試驗(yàn)結(jié)束均未觀察到微型鋼管有明顯變形破壞。

(6)開(kāi)挖驗(yàn)證回填層內(nèi)樁體膠結(jié)質(zhì)量差，見(jiàn)完整樁體直徑450～500 mm。

表3 靜載試驗(yàn)成果匯總表

4.3 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

采集承載力試驗(yàn)中樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)，以復(fù)合樁抗壓試驗(yàn)為例，可以在鋼管樁應(yīng)變曲線圖2中看到，鋼管樁主要應(yīng)力集中在3.0～4.5 m范圍內(nèi)，在試驗(yàn)后期逐漸傳遞至深部。圖3為微型鋼管抗拔試驗(yàn)鋼管應(yīng)變曲線圖，由于試驗(yàn)過(guò)程受擾動(dòng)，只采集到前期部分?jǐn)?shù)據(jù)，可看到鋼管受拉荷載達(dá)到175 kN時(shí)，應(yīng)力主要集中在6 m深度以上，還未傳遞至深部，按11 m鋼管長(zhǎng)度計(jì)算抗拔力與最終試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。由于應(yīng)變片在鋼管壓入過(guò)程中的存活率不高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)十分有限，未能取得更多的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 抗壓試驗(yàn)應(yīng)變總圖

圖3 抗拔試驗(yàn)應(yīng)變總圖

段繼偉等[6]對(duì)水泥土樁的研究表明，單樁其最大應(yīng)變發(fā)生在樁頂，對(duì)于單樁帶臺(tái)其最大應(yīng)變不發(fā)生在樁頂，而是樁身3～4 m深度處，這是由于絕對(duì)剛性承臺(tái)帶動(dòng)樁、土同時(shí)下沉，使靠近樁頂附近側(cè)摩阻力來(lái)不及發(fā)揮[6]。這一點(diǎn)與圖2顯示的結(jié)果類似，其最大應(yīng)力發(fā)生在3 m測(cè)點(diǎn)處，其原因是本次試驗(yàn)復(fù)合樁3 m以上樁身開(kāi)挖接樁后形成了絕對(duì)剛性的鋼護(hù)筒混凝土樁身。

5 承載特性與傳力機(jī)制

靜載試驗(yàn)的結(jié)果表明，高壓旋噴單樁在最大試驗(yàn)荷載325 kN時(shí)已發(fā)生沉降破壞，微型鋼管-旋噴復(fù)合樁的抗壓承載力比旋噴樁理論承載力提高了188%，比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際承載力提高了401%。微型鋼管-旋噴復(fù)合樁在微型鋼管受壓的情況下可以取得與復(fù)合樁相同的抗壓承載力。

5.1 水泥土樁承載特性分析

根據(jù)已有對(duì)水泥土樁的研究與認(rèn)識(shí)，水泥土樁承載力的關(guān)鍵在于淺層樁身強(qiáng)度，水泥土單樁的破壞模式表現(xiàn)為樁體材料強(qiáng)度破壞而造成的陡降型，增加樁長(zhǎng)來(lái)提高樁體承載力是有一定限度的，存在有效樁長(zhǎng)的問(wèn)題[7]。水泥土樁存在著臨界樁長(zhǎng)lc，約為14～17.7d(d為樁徑)，單樁樁身變形、軸力和側(cè)摩阻力主要集中在0～lc深度范圍內(nèi)[6]。本次靜載試驗(yàn)前處理樁頭過(guò)程中開(kāi)挖3 m深度，發(fā)現(xiàn)上部回填土層成樁質(zhì)量差，原土層樁體直徑較小，實(shí)際樁徑為450～500 mm，后在0～3 m范圍內(nèi)采取了鋼護(hù)筒內(nèi)澆搗混凝土的接樁措施?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)中對(duì)于雙橋探頭靜力觸探資料確定單樁豎向極限承載力的公式見(jiàn)式(1)。

Quk=Qsk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算有效樁長(zhǎng)按14d得出的單樁豎向極限承載力為376 kN，按22 m樁長(zhǎng)得出的單樁豎向極限側(cè)阻力值Qsk為1232 kN，極限端阻力值Qpk為100 kN?！稄?fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T50783—2012)中對(duì)于高壓旋噴樁由樁體材料強(qiáng)度可能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值應(yīng)按式(2)計(jì)算。

Ra=ηfcuAp

(2)

根據(jù)樁身水泥土強(qiáng)度平均值按式(2)計(jì)算得出高壓旋噴單樁理論極限承載力值為1229 kN。

按有效樁長(zhǎng)14d計(jì)算得出的理論極限摩阻力值仍然大于目前試驗(yàn)得到的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓極限承載力，分析原因一為高壓旋噴樁成樁過(guò)程中由于施工因素仍然可能存在樁身強(qiáng)度薄弱部位；二是結(jié)合開(kāi)挖檢查及以往一些工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，由于回填土區(qū)地質(zhì)條件特點(diǎn)，特別是孔隙較大的塊石、碎石回填層水位高，成樁質(zhì)量差，甚至有時(shí)形不成有效樁體，淺層樁體傳遞荷載效果不理想[8]。

5.2 鋼管與水泥土傳力機(jī)制

在復(fù)合樁體系中，存在鋼管--水泥土界面破壞和旋噴樁--樁周土界面破壞兩種模式，為充分發(fā)揮樁周摩阻力，必須保證鋼管--水泥土界面不先發(fā)生破壞。孫全德[9]介紹了日本學(xué)者曾針對(duì)鋼管與水泥土黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，利用無(wú)螺紋鋼板、兩面帶螺紋鋼板埋入水泥土柱中進(jìn)行拉拔試驗(yàn)確認(rèn)黏結(jié)強(qiáng)度與水泥土單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，其中帶螺紋鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度為0.4倍水泥土單軸抗壓強(qiáng)度，無(wú)螺紋鋼板的黏結(jié)強(qiáng)度為0.04倍左右的水泥土單軸抗壓強(qiáng)度。周燕曉等[10]通過(guò)型鋼水泥土復(fù)合構(gòu)件受拉試驗(yàn)得到了黏結(jié)應(yīng)力沿構(gòu)件分布與變化規(guī)律，其黏結(jié)應(yīng)力最大值達(dá)到了0.15倍水泥土抗壓強(qiáng)度值。大量的實(shí)例研究[11-13]表明管樁與水泥土的黏結(jié)強(qiáng)度約為0.12～0.2倍的水泥土單軸抗壓強(qiáng)度。在《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T327—2014)中，明確規(guī)定勁性復(fù)合樁內(nèi)芯側(cè)阻力特征值宜取室內(nèi)相同配比水泥土試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下90 d齡期的立方體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的0.04～0.08倍。本次試驗(yàn)鋼管--水泥土界面黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式(3)如下：

s=fcu·η·ξ

(3)

式中：fcu為室內(nèi)相同配比水泥土試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下90 d齡期的立方體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；ξ為鋼管--水泥土黏結(jié)強(qiáng)度與水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值，螺紋鋼管取0.15，光圓鋼管取0.08；η為樁體強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.33(現(xiàn)場(chǎng)條件下樁體試塊強(qiáng)度)。

按照現(xiàn)場(chǎng)條件下取樁體強(qiáng)度折減系數(shù)0.33，計(jì)算結(jié)果得螺紋鋼管與水泥土黏結(jié)力fs達(dá)到1505 kN，高于破壞荷載。從荷載試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鋼管芯體受壓與微型鋼管--旋噴復(fù)合樁整體受壓效果基本相同，也證明了微型鋼管--旋噴復(fù)合樁的整體性，破壞發(fā)生在水泥土-樁周土界面。

5.3 抗壓承載特性分析

微型鋼管--旋噴復(fù)合樁鋼管抗壓與整體抗壓極限承載力值類似，且接近式(1)計(jì)算得出的單樁極限承載力理論值，但都小于鋼管樁與水泥土界面黏結(jié)力，即可得出破壞模式為復(fù)合樁體的整體剪切破壞，即水泥土與樁周土界面的破壞。

微型鋼管--旋噴復(fù)合樁體系利用上部高強(qiáng)度的鋼管芯體承擔(dān)大量荷載，通過(guò)鋼管--水泥土黏結(jié)界面將頂部荷載傳遞至旋噴樁，旋噴樁再通過(guò)樁周摩阻力將荷載傳遞至樁周土，以此形成有效的傳遞，形成了鋼管--水泥土、水泥土--樁周土的雙層應(yīng)力擴(kuò)散模式，充分發(fā)揮了水泥土樁側(cè)摩阻力大的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了其樁身強(qiáng)度薄弱的缺點(diǎn)，獲得了較高的承載力，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明其抗壓承載力比旋噴樁理論承載力提高了188%，比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際承載力提高了401%。

5.4 抗拔承載特性分析

根據(jù)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁豎向抗拔力靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)鋼管芯體受拉荷載達(dá)到175 kN時(shí)，鋼管應(yīng)變主要集中在0～6 m深度范圍內(nèi)，6～11 m深度應(yīng)變較小，還未達(dá)到破壞。根據(jù)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果推斷，抗拔最大荷載399 kN還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到鋼管芯體與水泥土黏結(jié)界面的破壞，分析試驗(yàn)結(jié)果為鋼管芯體與旋噴樁復(fù)合體的整體上拔破壞，0～11 m深度復(fù)合樁樁周摩阻力發(fā)揮完全，鋼管樁底部水泥土應(yīng)力集中增長(zhǎng)，產(chǎn)生裂紋并延伸貫通旋噴樁樁身截面破壞。

結(jié)合分析本試驗(yàn)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁鋼管抗拔試驗(yàn)結(jié)果，按式(1)計(jì)算復(fù)合段樁周0～11.0 m深度范圍內(nèi)極限側(cè)摩阻力達(dá)到622 kN，與試驗(yàn)豎向抗拔極限承載力333 kN計(jì)算得總側(cè)摩阻力比值為λ=0.53，十分接近文獻(xiàn)[14]中研究得到的靜鉆根植竹節(jié)樁樁周水泥土與寧波軟土區(qū)總側(cè)摩阻力折減系數(shù)值，驗(yàn)證了微型鋼管--旋噴復(fù)合樁在抗拔試驗(yàn)中的破壞模式為鋼管樁底部附近復(fù)合樁整體破壞。

6 單樁承載力計(jì)算公式

在本次試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T327—2014)及《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)，提出建議微型鋼管--旋噴復(fù)合樁單樁承載力計(jì)算公式。單樁豎向抗壓承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定。初步設(shè)計(jì)時(shí)可按式(5)、式(6)估算，并取其中的小值。

(5)

Ra=u∑qsia·li

(6)

樁身材料強(qiáng)度值應(yīng)同時(shí)滿足承載力要求。

對(duì)上述計(jì)算方法進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算得到單樁豎向抗壓承載力特征值Ra=443 kN，比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際承載力特征值小18%，可靠性較好。

7 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有建筑物地基基礎(chǔ)加固和功能區(qū)改造的實(shí)際需求，提出了一套微型鋼管--旋噴復(fù)合樁施工工藝，實(shí)踐證明能滿足在常規(guī)樁型難以施工的區(qū)域(塘渣層厚、場(chǎng)地狹小)快速成樁的要求，具有工程造價(jià)低、樁體承載力高、環(huán)保污染少的顯著特點(diǎn)。

(2)應(yīng)用微型鋼管--旋噴復(fù)合樁施工工藝，通過(guò)鋼管芯體直接連接上部荷載的方式，解決了水泥土樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下荷載傳遞的問(wèn)題，其抗壓承載力在現(xiàn)場(chǎng)高壓旋噴單樁的基礎(chǔ)上提高了401%，并且提供了一定的抗拔及水平承載力，為工程應(yīng)用提供了技術(shù)數(shù)據(jù)支持。

(3)對(duì)微型鋼管--旋噴復(fù)合樁的承載特性及傳力機(jī)制進(jìn)行了探索研究，分析揭示了其承載力大幅提高的原因，總結(jié)提出微型鋼管--旋噴復(fù)合樁承載力設(shè)計(jì)計(jì)算公式，為開(kāi)展工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。