預(yù)應(yīng)力管樁加固深厚復(fù)雜軟土地基的優(yōu)勢(shì)探討

■ 天津華勘集團(tuán)有限公司 張林鋒

1.概述

高速鐵路路基加固，對(duì)于其施工質(zhì)量有著重要影響，尤其是對(duì)復(fù)雜深厚的軟土地層的地基加固要求更高。目前，高速鐵路路基加固方法有很多，如水泥攪拌樁加固法、CFG樁加固法、排水固結(jié)法等，但是上述地基加固方法僅對(duì)于普通地質(zhì)條件的路基加固效果較好，而對(duì)于復(fù)雜地層如濕陷性黃土、深厚軟土底層的路基加固效果不甚理想。隨著地基加固方法的不斷進(jìn)步和發(fā)展，預(yù)應(yīng)力管樁在復(fù)雜深厚軟土地層加固方面發(fā)揮了重要作用。從部分地基加固工程的應(yīng)用成效層面來看，預(yù)應(yīng)力管樁在復(fù)雜軟土地層加固方面具有一定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。本文以某客貨共線鐵路工程為例，就預(yù)應(yīng)力管樁加固在深厚復(fù)雜軟土地基的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行探討。該工程鋪筑路基為軟土地層且地質(zhì)較復(fù)雜、層深較厚，常規(guī)地基加固方式難以滿足施工要求。根據(jù)已有地基加固的施工經(jīng)驗(yàn)，通過多種地基加固方法技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的綜合比較，并結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁在地基加固施工中的研究及應(yīng)用，確定該段軟土路基采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基加固，并取得了較好的應(yīng)用效果。

2.深厚復(fù)雜軟土地基常用加固方法及存在問題

由于復(fù)雜深厚軟土地層地質(zhì)條件的特殊性，應(yīng)用常規(guī)方法對(duì)所在地層地基進(jìn)行加固時(shí)，不僅加固效果無法滿足路基工程設(shè)計(jì)和施工的要求，而且還會(huì)對(duì)路基施工產(chǎn)生其他影響。由此可見，常用地基加固方法在軟土地層地基加固方面存在諸多局限性，具體如表1所示。

表1 常用地基加固方法在軟土地層加固方面的局限性

3.預(yù)應(yīng)力管樁加固復(fù)雜軟土地基的優(yōu)勢(shì)分析

3.1 預(yù)應(yīng)力管樁的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

在加固面積為100m2、路基4m ～8m填土高度并考慮加固樁帽等條件下，根據(jù)目前路基加固施工的成本造價(jià)，將預(yù)應(yīng)力管樁與其他地基加固樁型進(jìn)行綜合比較，以分析預(yù)應(yīng)力管樁在地基加固方面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，具體如表2所示。

表2 預(yù)應(yīng)力管樁地基加固經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)表

3.2 預(yù)應(yīng)力管樁與類似樁型的工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于其他地基加固樁型，預(yù)應(yīng)力管樁可大規(guī)模預(yù)制，施工工期較短。通過對(duì)壓樁速度、每個(gè)接樁節(jié)點(diǎn)時(shí)間及平均成樁速度三個(gè)方面的綜合比較，預(yù)應(yīng)力管樁的工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯，具體如表3所示。

表3 預(yù)應(yīng)力管樁與類似樁型工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較表

相對(duì)于水泥攪拌樁、旋噴樁、CFG樁等地基加固方法，加固土層地質(zhì)條件及地下水位不會(huì)對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁地基加固施工產(chǎn)生影響，可以充分保障地基加固成樁質(zhì)量及樁體強(qiáng)度。同時(shí)，預(yù)應(yīng)力管樁地基加固深度也優(yōu)于其他地基加固方法，采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基加固深度可達(dá)40m，且省去了預(yù)成孔及成孔養(yǎng)護(hù)兩個(gè)施工過程。預(yù)應(yīng)力管樁地基加固雖然沒有進(jìn)行預(yù)成孔和成孔養(yǎng)護(hù)，但并不影響地基加固質(zhì)量及后續(xù)路基穩(wěn)定性。

預(yù)應(yīng)力管樁地基加固選用靜壓法進(jìn)行進(jìn)樁施工，相對(duì)于動(dòng)壓進(jìn)樁施工方法，預(yù)應(yīng)力管樁采用靜壓進(jìn)樁的施工噪聲相對(duì)較小，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)及環(huán)境條件的要求相對(duì)較低，且進(jìn)樁施工過程中不會(huì)產(chǎn)生影響環(huán)境的施工廢水及棄渣，能較好地適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)周圍存在的環(huán)境敏感點(diǎn)。

預(yù)應(yīng)力管樁通過布置樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基加固，路基加固后90%的荷載由預(yù)應(yīng)力管樁樁身承擔(dān)，加固后的路基穩(wěn)定性較好，沉降變形較小。

4.深厚復(fù)雜軟土地基預(yù)應(yīng)力管樁加固效果的探討

4.1 工程地基預(yù)應(yīng)力管樁加固的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高和綜合國力的不斷增強(qiáng)，近年來，我國大力建設(shè)公路、鐵路及其他交通運(yùn)輸工程，不僅完善了我國交通運(yùn)輸建設(shè)網(wǎng)，其所涉及的路基工程施工也大力推動(dòng)了地基加固新技術(shù)的研究和應(yīng)用，并在不同地層地基加固工程實(shí)踐中取得了較好的效果，積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，尤其是預(yù)應(yīng)力管樁為復(fù)雜深厚軟土地層的地基加固提供了可靠而又經(jīng)濟(jì)的施工方法。

4.2 復(fù)雜軟土地基預(yù)應(yīng)力管樁加固實(shí)例

某客貨共線高速鐵路，最高設(shè)計(jì)時(shí)速260km/h，經(jīng)過內(nèi)陸湖長期沉積作用形成的深厚復(fù)雜軟土地層在工程全線多處分布。由于內(nèi)陸湖沉積過程的成因和作用機(jī)理極其復(fù)雜，導(dǎo)致該工程全線多處軟土地層分布特征極不規(guī)律，各處軟土地層的埋深較大，部分地段軟土層厚度大于40m。受復(fù)雜的分布特征及較大的埋深影響，該工程全線分布的軟土地層物理力學(xué)指標(biāo)都較低，尤其是以淤泥、泥炭為代表的軟土地層物理力學(xué)指標(biāo)極低，這也直接導(dǎo)致了常用的地基加固方法無法滿足實(shí)際的施工需要。

由于擬加固地基里程段的工程地質(zhì)條件較差，經(jīng)過對(duì)經(jīng)濟(jì)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)的比較分析，該深厚復(fù)雜軟土地基加固可行的地基加固方法為CFG樁地基加固法以及預(yù)應(yīng)力管樁地基加固法。為了比較CFG樁地基加固法與預(yù)應(yīng)力管樁地基加固法對(duì)于該深厚復(fù)雜軟土路基的加固效果，在該深厚復(fù)雜軟土地基里程段內(nèi)，選取部分軟土地基進(jìn)行CFG樁地基加固和預(yù)應(yīng)力管樁地基加固現(xiàn)場(chǎng)成樁實(shí)驗(yàn)，具體成樁試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 CFG 樁與預(yù)應(yīng)力管樁成樁試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)成樁試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)該工程軟土地層復(fù)雜深厚的情況，經(jīng)過綜合考慮采用預(yù)應(yīng)力管樁的施工方法對(duì)工程全線的軟土地層進(jìn)行地基加固。此次擬加固地基里程段內(nèi)分布有2橋、4涵洞，根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，結(jié)合預(yù)應(yīng)力管樁地基加固施工方案，確定加固后的地基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示。

表5 地基預(yù)應(yīng)力管樁加固沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

以該工程DK8+923 ～DK9+445里程段為例，該里程段經(jīng)過前期地質(zhì)勘查鉆探顯示基底土層包括粉質(zhì)黏土、淤泥、泥炭質(zhì)土，土層組成較為復(fù)雜、土質(zhì)較為松軟，為典型的深厚、復(fù)雜軟土層。其中，粉質(zhì)黏土層厚為0 ～3m，淤泥土層厚度為4m ～11m，泥炭土層厚度為15m ～26m。由于各土層類型及厚度的差異，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)也不同，具體如表6所示。根據(jù)各土層的力學(xué)指標(biāo)及土層厚度可知，該里程段的工程地質(zhì)條件極差。經(jīng)過設(shè)計(jì)、計(jì)算及核算，該處軟土地層需要加固的深度為20m ～28m。

根據(jù)表6中所示的該軟土層的物理力學(xué)指標(biāo)，通過單樁承載力對(duì)采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行加固后的地基整體穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析計(jì)算，以此確定預(yù)應(yīng)力管樁地基加固的各種施工參數(shù)，具體如表7所示。

表6 地層物理力學(xué)指標(biāo)表

表7 預(yù)應(yīng)力管樁地基加固施工參數(shù)

根據(jù)以上施工參數(shù)實(shí)施施工方案，具體的預(yù)應(yīng)力管樁加固結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟土地基預(yù)應(yīng)力管樁加固結(jié)構(gòu)布置圖

此次復(fù)雜軟土地基預(yù)應(yīng)力管樁加固施工時(shí)，共投入3臺(tái)壓樁機(jī)分段同時(shí)進(jìn)行施工，歷時(shí)23天，至該里程段地基加固預(yù)應(yīng)力管樁全部沉樁完成，共計(jì)施工完成預(yù)應(yīng)力管樁3428根，總加固深度為94886m。為檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管樁成樁質(zhì)量，分別選取總樁數(shù)的10%及總樁數(shù)的5%，分別采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法及靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管樁成樁質(zhì)量檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)，受檢測(cè)的已成樁預(yù)應(yīng)力管樁均符合單樁承載力設(shè)計(jì)值，其中，98%的樁身為I類樁、2%的樁身為Ⅱ類樁。為進(jìn)一步檢驗(yàn)地基加固的穩(wěn)定性，路基填土完成后對(duì)其進(jìn)行連續(xù)3個(gè)月的沉降觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果顯示最大沉降量出現(xiàn)在路基填土完成后的前一個(gè)月內(nèi)，一個(gè)月后的沉降值變化很小并趨于穩(wěn)定，能夠滿足后續(xù)路基長期穩(wěn)定的要求。

根據(jù)上述實(shí)際工程實(shí)踐得出，對(duì)于埋深大于15m的深厚復(fù)雜軟土地層采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基加固相比于其他地基加固方法具有明顯的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工條件差、工期緊、沉降控制要求高等具有特殊要求的地基加固施工，選用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基加固更是優(yōu)先選擇。