基于螺桿樁的高鐵梁場(chǎng)軟土地基加固技術(shù)研究

成孝玉

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司 北京 101400)

1 引言

第四系耕表土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土廣泛分布在長(zhǎng)江中下游地區(qū)和沖積湖積平原，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層具壓縮性高、強(qiáng)度低、靈敏度高、透水性低等不良工程特征，天然地基承載力不足、沉降較大，一般不能滿足工程建設(shè)的需求，因此需要進(jìn)行地基處理。該地區(qū)軟土層較厚，地基處理費(fèi)用高。螺桿樁是近年來(lái)發(fā)明的一種新型樁，它由上部普通圓柱形部分和下部螺紋部分組成。螺桿樁應(yīng)用廣泛，工藝簡(jiǎn)單，環(huán)保，處理效果好，節(jié)約成本。自其興起以來(lái)，在我國(guó)巖土工程中得到了迅速而廣泛的應(yīng)用。

本文以南沿江城際鐵路金壇西梁場(chǎng)制、存梁臺(tái)座軟土地基處理為背景，從技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)可行性等方面，詳細(xì)介紹了梁場(chǎng)臺(tái)座軟土地基處理的螺桿樁基礎(chǔ)處理方法的設(shè)計(jì)、施工工藝、配套措施及高鐵梁場(chǎng)軟土地基處理應(yīng)用效果[1]，為高速鐵路梁場(chǎng)軟土地基處理提供了一種新的方法[2－3]。

2 工程概況

南沿江城際鐵路金壇西梁場(chǎng)位于江蘇省常州市金壇區(qū)，占地118畝，負(fù)責(zé)631片32 m簡(jiǎn)支箱梁預(yù)制，梁場(chǎng)設(shè)置了8個(gè)制梁臺(tái)座，70個(gè)存梁臺(tái)座[4]。梁場(chǎng)位于典型的長(zhǎng)江下游湖積平原上，地表覆蓋著較厚的第四系耕表土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等，承載力較差，不能滿足高鐵梁場(chǎng)制、存梁的需要。

根據(jù)梁場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)及附近未發(fā)現(xiàn)斷層，地層構(gòu)造簡(jiǎn)單，軟土地層較厚。場(chǎng)地埋深約25 m范圍內(nèi)，揭露的地層為厚度不等的第四系耕表土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，工程性質(zhì)較差，其下為工程性質(zhì)相對(duì)較好的角礫土、泥灰?guī)r。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)報(bào)告中推薦的各土層的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 地基各土層設(shè)計(jì)參數(shù)

3 螺桿樁加固軟土地基方案的確定

高速鐵路梁場(chǎng)制梁、存梁臺(tái)座對(duì)地基承載力和沉降控制有很高的要求。根據(jù)金壇西梁場(chǎng)巖土地勘資料，本項(xiàng)目地層中軟土層厚度大，達(dá)到持力層時(shí)，樁基長(zhǎng)度需達(dá)到25 m以上。

CFG樁、水泥攪拌樁、旋噴樁等常用的地基加固方法，當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到上述長(zhǎng)度時(shí)，成樁質(zhì)量可靠度較差，不易達(dá)到高鐵梁場(chǎng)要求的處理效果，技術(shù)可靠性較差。鉆孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力管樁可滿足梁場(chǎng)制梁存梁的地基加固要求，這兩種處理方法在國(guó)內(nèi)高鐵梁場(chǎng)軟土地基加固方面都有成功的案例，技術(shù)可靠。

根據(jù)現(xiàn)有的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)直徑差較小時(shí)，鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁的相差不大，但與鉆孔灌注樁相比，預(yù)應(yīng)力管樁在成本和工期方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[5]。項(xiàng)目在進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，江蘇常州地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁使用廣泛，管樁市場(chǎng)需求量大，單價(jià)相對(duì)較高，且管樁生產(chǎn)廠家對(duì)收款時(shí)限要求苛刻。若采用預(yù)應(yīng)力管樁方案，施工成本較其他地區(qū)高，經(jīng)濟(jì)可行性較差，且將對(duì)項(xiàng)目前期現(xiàn)金流造成較大困難，財(cái)務(wù)可行性較差。

在相同樁徑和樁長(zhǎng)條件下，螺桿樁單樁極限承載力和復(fù)合地基承載力比CFG樁顯著提高[6－7]。近年在我國(guó)鐵路深厚軟土路基處理中，螺桿樁得到了大量應(yīng)用，它能顯著提高軟土路基復(fù)合地基承載力，有效控制軟土路基的不均勻沉降，取得了良好的軟土地基加固效果[8]。與CFG樁相比，螺桿樁具有混凝土用量少、節(jié)省工期和成本、無(wú)塌孔、縮徑和樁端空土、取土量小、無(wú)泥漿、減少大量泥漿處理和運(yùn)輸工作等優(yōu)點(diǎn)，并具有無(wú)振動(dòng)、低噪聲、無(wú)污染的綠色樁型等特點(diǎn)。與預(yù)應(yīng)力管樁相比，螺桿樁的每延米施工成本顯著較低；它能通過(guò)螺紋將荷載傳遞到較好的土層，充分利用下部土層承載力高的特點(diǎn)，能更好地調(diào)整樁間土承載力發(fā)揮效應(yīng)，提高復(fù)合地基承載力，有望降低樁身長(zhǎng)度，減少總打樁長(zhǎng)度，降低施工成本。隨著螺桿樁施工機(jī)械功能的不斷完善進(jìn)步，施工機(jī)械的市場(chǎng)保有數(shù)量不斷增加，螺桿樁的施工成本還有望進(jìn)一步降低。

基于以上分析，螺桿樁相比其他樁基，具有比較明顯的成本優(yōu)勢(shì)，是可以適用于高鐵梁場(chǎng)制梁、存梁臺(tái)座軟土地基加固的。根據(jù)制梁、存梁不同工況，對(duì)螺桿樁的樁徑、樁長(zhǎng)、間距、布置位置等參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。精心組織施工，嚴(yán)格過(guò)程控制，確保成樁質(zhì)量，并對(duì)螺桿樁成樁質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)制存梁臺(tái)座使用情況進(jìn)行沉降觀測(cè)，以驗(yàn)證螺桿樁在本工程中的適用性。

4 螺桿樁復(fù)合地基臺(tái)座的設(shè)計(jì)與施工

4.1 制梁臺(tái)座及地基處理設(shè)計(jì)

32 m預(yù)制箱梁自重荷載約8 216 kN。箱梁從澆筑到初張前，自重荷載通過(guò)模板及模板支架均勻傳至臺(tái)座底板。臺(tái)座底板結(jié)構(gòu)從下至少依次為級(jí)配碎石、素混凝土墊層和鋼筋混凝土底板。梁體在制梁臺(tái)座上初始張拉后，梁體中部起拱，梁體自重荷載全部由兩端支承，制梁臺(tái)座端部基礎(chǔ)需要特殊加固。制梁臺(tái)座端部地基采用直徑為500 mm的螺桿樁復(fù)合地基加固，每端設(shè)計(jì)螺桿樁12根，最大樁間距為160 cm，樁長(zhǎng)15 m，其中直桿長(zhǎng)度10 m，如圖1所示。螺桿樁參數(shù)取值:m＝0.094，β＝0.75，fsk＝120 kPa。根據(jù)地勘資料和規(guī)范，計(jì)算單樁豎向承載特征值Ra為770 kN，臺(tái)座端部復(fù)合地基承載力特征值452 kPa[9]。梁體張拉后制梁臺(tái)座端部地基荷載包括梁體、端部外模自重(按100 kN)和臺(tái)座底板結(jié)構(gòu)自重荷載。梁體自重考慮超灌取1.05倍荷載系數(shù)，則計(jì)算得知，梁體及端部模板傳達(dá)至臺(tái)座端部基底應(yīng)力約為200 kPa，小于臺(tái)座端部復(fù)合地基承載力特征值452 kPa，且有較大的富余系數(shù)。此種樁基布置方式能滿足制梁臺(tái)座的地基承載力要求。

圖1 制梁臺(tái)座及端部地基加固示意

4.2 存梁臺(tái)座及地基處理設(shè)計(jì)

存梁場(chǎng)最大存梁高度為2層，存梁臺(tái)座地基采用直徑為500 mm的螺桿樁復(fù)合地基加固，每個(gè)臺(tái)座下設(shè)計(jì)10根樁，樁間距為150 cm×150 cm，樁長(zhǎng)25 m，其中直桿段17 m，如圖2所示。螺桿樁參數(shù)取值:m＝0.087，β＝0.75，fsk＝120 kPa。根據(jù)地勘資料和規(guī)范，計(jì)算單樁豎向承載特征值Ra為990 kN，存梁臺(tái)座下部復(fù)合地基承載力特征值為520 kPa。雙層存梁后，存梁臺(tái)座下部地基荷載包括雙層梁體和臺(tái)座承臺(tái)(結(jié)構(gòu)尺寸為7.5 m×3 m×1.2 m)的自重荷載。梁體自重考慮超灌取1.05倍荷載系數(shù)，計(jì)算得知，梁體及臺(tái)座承臺(tái)傳達(dá)至臺(tái)座下部基底應(yīng)力約為395 kPa，小于存梁臺(tái)座下部復(fù)合地基承載力特征值520 kPa。此種樁基布置方式能滿足制梁臺(tái)座的地基承載力要求。

圖2 存梁臺(tái)座及端部地基加固示意

4.3 螺桿樁復(fù)合地基制、存梁臺(tái)座施工控制要點(diǎn)

鑒于螺桿樁施工中，可能會(huì)遇到不可預(yù)測(cè)的因素，應(yīng)先進(jìn)行試樁，采用正旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔，反旋提升形成螺紋段[10]。螺桿樁正向下鉆速度與反向提鉆速度須保持一致，以形成完整螺牙狀，正旋提升形成直桿段，螺桿樁機(jī)鉆管內(nèi)同步泵壓灌筑成樁。驗(yàn)證工藝性試驗(yàn)滿足施工要求，確定鉆進(jìn)速度、提升速度及鉆桿轉(zhuǎn)速、施工設(shè)備電流、混凝土輸送泵壓力及混凝土坍落度等主要施工控制參數(shù)。

螺旋樁施工過(guò)程中，對(duì)原材料和工藝控制有嚴(yán)格要求，重點(diǎn)加強(qiáng)鉆孔垂直度和孔深、混凝土性能和澆筑質(zhì)量、護(hù)樁等質(zhì)量控制。如果成樁過(guò)程中有明顯缺陷，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)樁處理，保證臺(tái)座下地基加固質(zhì)量。

4.4 螺桿樁復(fù)合地基實(shí)施效果檢測(cè)

樁身質(zhì)量檢測(cè)采用低應(yīng)變法，檢測(cè)頻率要求達(dá)到100%。成樁7 d后進(jìn)行樁身質(zhì)量檢測(cè)，28 d后進(jìn)行單樁及復(fù)合地基承載力檢測(cè)[11]。金壇西梁場(chǎng)在進(jìn)行樁基低應(yīng)變檢測(cè)后，從中選取波形相對(duì)較差的樁進(jìn)行了單樁豎向承載力和復(fù)合地基承載力檢測(cè)，檢驗(yàn)樁基和復(fù)合地基的實(shí)際承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

樁基質(zhì)量檢測(cè)低應(yīng)變反射波法只能解決螺桿樁樁長(zhǎng)及直桿段成樁質(zhì)量問(wèn)題[12]，對(duì)螺桿段的螺紋葉片裂損、破壞，檢測(cè)效果不明顯，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)在低應(yīng)變法樁基檢測(cè)的基礎(chǔ)上，選取一些樁進(jìn)行靜載測(cè)試。施工并進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)制梁臺(tái)座螺桿樁192根，存梁臺(tái)座螺桿樁1 400根，均合格。按梁場(chǎng)不同區(qū)域，選取了10根低應(yīng)變波形較差的樁進(jìn)行了單樁承載力和復(fù)合地基承載力檢測(cè)，其實(shí)際承載能力均達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)推算的特征值。

5 結(jié)束語(yǔ)

金壇西梁場(chǎng)已全面投入使用，通過(guò)對(duì)各個(gè)制、存梁臺(tái)座在滿負(fù)荷狀態(tài)下的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，各臺(tái)座均未發(fā)生超規(guī)范要求的沉降或不均勻沉降，各臺(tái)座穩(wěn)定可靠，螺桿樁對(duì)高鐵梁場(chǎng)制、存梁臺(tái)座下軟土地基的加固達(dá)到了預(yù)期效果，可供類似工程參考。