潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁在復(fù)雜地層地基處理中的應(yīng)用研究

姚建平 耿琳 魏少偉 戴斌 李卿晨

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；3.北京榮創(chuàng)巖土工程股份有限公司，北京 100085；4.浙江大學(xué)建工學(xué)院，杭州 310058

地基處理工程中不可避免會(huì)遇到淤泥質(zhì)黏土、卵礫石、密實(shí)砂等復(fù)雜地層［1-2］。常用地基處理方法對(duì)復(fù)雜地層進(jìn)行處理時(shí)會(huì)存在一定的不足，主要表現(xiàn)為土層適應(yīng)能力差，在遇到硬殼層、密實(shí)的砂卵石地層或大直徑卵石層時(shí)，鉆進(jìn)困難或無(wú)法鉆進(jìn)，導(dǎo)致成樁困難［3-4］。在軟土地基中，應(yīng)用較多的是水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力管樁。水泥攪拌樁施工質(zhì)量受設(shè)備和工藝的影響較大，施工過(guò)程可控性差。預(yù)應(yīng)力管樁目前多采用錘擊或靜壓成樁的方式成樁，為全擠土樁，擠土效應(yīng)明顯，但遇到局部的砂層、圓礫、卵石等土質(zhì)層時(shí)施工困難，錘擊法打入，施工噪聲大，而且施工時(shí)地層振動(dòng)力大，對(duì)周?chē)呀ńㄖ镉绊戄^大，尤其在既有線附近施工時(shí)影響更大［5-6］。

近幾年來(lái)，針對(duì)復(fù)雜地層地基處理發(fā)展的一個(gè)典型趨勢(shì)是在既有樁型基礎(chǔ)上發(fā)展新樁型及其施工工藝，特別是將多種施工方法進(jìn)行綜合使用，形成極富特色的復(fù)合預(yù)制樁。其中一些水泥土復(fù)合預(yù)制樁已得到較為廣泛的應(yīng)用，例如潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁。該樁型成樁質(zhì)量好，施工簡(jiǎn)便快捷，能夠有效縮短工期，消耗能量大幅降低，對(duì)場(chǎng)地幾乎不產(chǎn)生污染，并已取得了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)以及可靠的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)與檢測(cè)方法。

浙江省一大橋接線工程中傍山路段具有明顯的復(fù)雜地層特征，上層分布承載力較低的淤泥質(zhì)黏土；下層分布高強(qiáng)度的礫石和巖石。原設(shè)計(jì)方案采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行處理，傳統(tǒng)施工工藝無(wú)法將樁打穿巖石至持力層，因此只對(duì)上層軟土部分進(jìn)行地基加固。預(yù)應(yīng)力管樁處理后，該路段出現(xiàn)滑移失穩(wěn)、路面開(kāi)裂等現(xiàn)象。針對(duì)該問(wèn)題采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁對(duì)斜坡軟土路堤地基進(jìn)行加固處理，并通過(guò)PLAXIS軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析加固前后路基變形及樁基受力情況，從而為潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁的設(shè)計(jì)提供建議，并供施工參考。

1 潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁工藝

潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁是采用潛孔沖擊高壓旋噴工藝在密實(shí)砂土、卵石、碎石等地層中施工旋噴水泥土攪拌外樁，在完成好的水泥土樁中心處打入預(yù)制管樁，從而形成潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁。如圖1所示，潛孔沖擊高壓旋噴工藝是利用潛孔錘沖擊器進(jìn)行鉆進(jìn)，同時(shí)沖擊器側(cè)面的噴嘴可噴射高壓水射流切割土體，到達(dá)預(yù)定深度后，提升鉆桿，噴嘴噴射高壓水泥漿，對(duì)鉆桿四周的土體進(jìn)行二次切割和攪拌，加上潛孔錘釋放的垂直高壓氣流所產(chǎn)生的翻攪和擠壓作用，使已成懸浮狀態(tài)的土體顆粒與高壓水泥漿充分混合，形成直徑較大、混合均勻、強(qiáng)度較高的水泥土樁［7］。潛孔沖擊高壓旋噴工藝可解決在深厚塊石填土、巖溶等復(fù)雜堅(jiān)硬地層中成樁困難的問(wèn)題，并且成樁質(zhì)量好，工效高，造價(jià)低。浙江省一項(xiàng)目在拋填石地層中采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁，順利成孔且樁身垂直度偏差小，成樁質(zhì)量好，承載力高，沉降小［4］。

圖1 潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁施工

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)條件

本文所依托工程地處浙江省東南沿海區(qū)域，全長(zhǎng)54.5 km，穿越海積平原、沖海積平原區(qū)，特殊性巖土為軟土，在平原區(qū)軟土厚度為10～30 m，山前平原及傍山路段的軟土縱橫向厚度變化較大，厚度為1.3～22.8 m。軟土的巖性為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，分布于場(chǎng)地上部，特點(diǎn)是壓縮性高、含水率高、孔隙比大、強(qiáng)度低、固結(jié)緩慢等，地質(zhì)條件較差。

2.2 軟土地基處理原設(shè)計(jì)方案

該工程斷面采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行地基加固處理，如圖2所示。路堤頂面寬26 m，邊坡坡率1∶1.5，中性線填高7.0 m。在路堤荷載范圍內(nèi)的軟土采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，預(yù)應(yīng)力管樁樁長(zhǎng)8.0 m，樁徑0.4 m，壁厚不小于60 mm，平面布置成樁距2.0 m的正方形。

圖2 軟土地基處理典型斷面

3 復(fù)雜地層路段分析

數(shù)值模擬共有兩種方案：①采用預(yù)應(yīng)力管樁處理的原設(shè)計(jì)方案；②采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后的變更設(shè)計(jì)方案。

3.1 有限元模型建立

1）模型概況

采用PLAXIS建立路堤邊坡滑動(dòng)模型，如圖3所示。模型的長(zhǎng)、寬、高分別為110.0、5.0、23.9 m。包含4層土，分別為①1粉質(zhì)黏土（厚1.2 m）、②2淤泥（厚8.5 m）、⑥8含黏性土角礫（厚3.0 m）、⑩8中風(fēng)化凝灰?guī)r（厚11.2 m）。路堤填土以及土層均采用HSS本構(gòu)模型模擬。模型底部各方向位移均為0，模型側(cè)面限制水平位移。地表為排水面，其余邊界均為不排水邊界。樁基平面布置如圖4所示。

圖3 有限元整體模型

圖4 兩種方案樁基平面布置

2）模型參數(shù)

依據(jù)地勘資料，斷面中土體材料參數(shù)見(jiàn)表1。預(yù)應(yīng)力管樁采用嵌入式排梁模擬，彈性模量為36 GPa。潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁采用實(shí)體樁進(jìn)行模擬，結(jié)合JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和地勘資料選定復(fù)合樁參數(shù)，樁長(zhǎng)20 m，水泥土樁直徑1.0 m，管樁直徑0.6 m，樁間距3.0 m。

表1 土體材料參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 地基承載力

兩種方案下斷面的水平位移見(jiàn)圖5。可知：①采用原設(shè)計(jì)方案時(shí)，地基的水平位移主要分布在上部的軟土層范圍內(nèi)，水平位移的最大正值和最大負(fù)值分別集中于路堤右下方坡腳和左下方坡腳，最大值位于左下方坡腳，路堤和地基水平位移呈現(xiàn)不均勻性，左下坡腳出現(xiàn)了土體拱起現(xiàn)象。②采用變更設(shè)計(jì)方案后，地基水平位移的最大正值和最大負(fù)值仍然分別集中于路堤右下方坡腳和左下方坡腳，但最大值顯著減小且位于右側(cè)坡腳。這是由于路堤左側(cè)采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁進(jìn)行加固處理后，增加了上部軟土層的整體強(qiáng)度，因此有效抑制了地基上部土體的水平位移。

圖5 兩種方案下的地基水平位移

在路堤左側(cè)坡腳，地表以下水平位移隨樁身深度的變化見(jiàn)圖6?？芍核轿灰浦饕植荚谏喜寇浲翆觾?nèi)，下部巖石層幾乎無(wú)水平位移產(chǎn)生。原設(shè)計(jì)方案、變更設(shè)計(jì)方案在路堤左側(cè)坡腳處地表最大水平位移分別為226.82、119.14 mm。相比原設(shè)計(jì)方案，采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁后水平位移減少47.4%，說(shuō)明復(fù)合樁有效約束了周?chē)馏w的水平位移。

圖6 路堤左側(cè)坡腳處地基沿深度水平位移變化曲線

兩種方案下斷面的豎向位移見(jiàn)圖7?？芍撼两抵饕植荚诼返躺希诘鼗鶅?nèi)土體分布較少。在采用原設(shè)計(jì)方案后，最大位移位于左路堤頂面上，向左坡腳方向集中，并且逐漸向下擴(kuò)散至軟土層。在進(jìn)行潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，由于樁體打穿軟土層，加快上部軟土層的孔壓消散，增大下部樁體的承載力，路堤左右幅的沉降均有不同程度減小，且路基左幅沉降減小更為顯著，因此沉降主要集中分布在右路堤。這是由于對(duì)地基左幅進(jìn)行潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，復(fù)合樁樁體承擔(dān)了部分路堤上部荷載并傳遞至持力層，從而減少了作用于上部軟土層的荷載，因此左路堤沉降明顯減?。欢曳捎谲浲翆雍穸容^小，管樁打穿至軟土層底部，未采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁對(duì)其進(jìn)行加固，因此右路堤的沉降分布較為集中。

圖7 兩種方案下的地基豎向位移

路堤橫截面表面的沉降分布曲線見(jiàn)圖8。可知：采用原設(shè)計(jì)方案時(shí)，路堤左側(cè)沉降較大，最大值為280.8 mm，沉降沿右側(cè)方向逐漸減小。采用變更設(shè)計(jì)方案后，路堤右側(cè)沉降較大，最大值為230.4 mm，沉降沿左側(cè)方向逐漸減小。對(duì)比兩種方案可以看出，采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后豎向位移的最大值減少18.4%，路堤左右兩側(cè)的表面沉降均有不同程度減小且減小幅值沿路堤左側(cè)表面至右側(cè)表面逐漸降低。

圖8 兩種方案下路堤橫截面表面的沉降變化

對(duì)于不同方案，路堤邊坡角樁的受力也不同。路堤左側(cè)坡腳處角樁樁身軸力曲線見(jiàn)圖9。可知：軸力隨樁長(zhǎng)增加整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這主要是由于地基軟土層上部樁土的沉降差較大，導(dǎo)致樁身上部出現(xiàn)負(fù)摩阻力，軸力隨之增大；隨著樁基向下延伸，樁土沉降差逐漸減小并趨于穩(wěn)定，因此負(fù)摩阻力減少，正摩阻力增加，軸力隨之減小。采用原設(shè)計(jì)方案時(shí)，角樁軸力較大，最大軸力為248 kN，路堤穩(wěn)定性較差，在左側(cè)路堤出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)角樁軸力比原設(shè)計(jì)方案小，其中最大軸力為104 kN，減小了58%，并且角樁軸力沿樁身向下逐漸減小，趨近于0。對(duì)比兩種方案還可以看出，原方案和變更設(shè)計(jì)方案的軸力增大和減小的樁長(zhǎng)界限值差異較大，分別在4 m和1 m左右，這是由于采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，地基軟土層上部樁土的沉降差減小，因此界限值減小。

圖9 兩種方案下路堤左側(cè)坡腳處角樁樁身軸力

左側(cè)邊坡角樁的樁身彎矩見(jiàn)圖10?？芍簝煞N方案下樁身的彎矩都呈現(xiàn)上下小、中間大的單向凸起形狀，在第二層軟土層中呈現(xiàn)最大值。原設(shè)計(jì)方案和變更設(shè)計(jì)方案的角樁最大彎矩分別為85、51 kN?m，相比原方案，復(fù)合樁加固后角樁彎矩減小40%。這是由于采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，軟土層中土體水平位移減小，角樁的受力狀態(tài)得到改善。

圖10 兩種方案下左側(cè)邊坡角樁樁身彎矩

3.2.2 路堤穩(wěn)定性

兩種方案下邊坡的潛在滑動(dòng)面見(jiàn)圖11。可知：采用原設(shè)計(jì)方案時(shí)，路堤左側(cè)邊坡出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，這主要是由于左側(cè)軟土層厚度較大，管樁未打穿軟土層，在路堤填土的附加應(yīng)力作用下，樁底易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，造成左側(cè)邊坡滑塌。在采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，左側(cè)邊坡變形大幅減小，變形主要集中在路堤右側(cè)邊坡，而右側(cè)軟土層較薄，管樁打穿至軟土層底部，提高了土體承載力，因此右側(cè)邊坡未出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。整體來(lái)看，變更設(shè)計(jì)后路堤左側(cè)的持力層進(jìn)一步分擔(dān)了部分路堤荷載，因此路堤和軟土層上部的變形量得到了很好控制，路堤邊坡更穩(wěn)定。

圖11 兩種方案下邊坡的潛在滑動(dòng)面

4 結(jié)論與建議

1）相比于原設(shè)計(jì)方案，采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固能有效約束周?chē)馏w的變形，分擔(dān)上部路堤荷載，減輕預(yù)應(yīng)力管樁的內(nèi)力，從而確保路堤邊坡的穩(wěn)定性。

2）在復(fù)雜地層地區(qū)，普通樁基因施工工藝等問(wèn)題難以打穿巖石至持力層，而潛孔沖擊高壓旋噴工藝不僅解決了施工難的問(wèn)題，并且成樁質(zhì)量高，加固效果好。

3）在進(jìn)行潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁布樁設(shè)計(jì)時(shí)，由于復(fù)合樁樁徑較大，應(yīng)結(jié)合相關(guān)規(guī)范確定合理的樁間距，當(dāng)樁間距過(guò)大時(shí)，可采用樁板結(jié)構(gòu)或者增加連梁來(lái)分擔(dān)上部路堤荷載。

4）對(duì)于不均勻軟土分布，應(yīng)結(jié)合勘察資料擬定各路段的處理方案。在不利路段，樁基應(yīng)盡可能打穿軟土層，減小路堤填高，提高上部結(jié)構(gòu)整體安全性。