X型截面現(xiàn)澆混凝土樁在軟土上的公路施工性能

周鵬飛 （安徽建工集團(tuán)投資管理公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

目前各種樁用于支撐公路施工路堤，以抵抗車輛荷載力，如PCC 樁、土工格柵包裹石柱、深層攪拌柱、噴射灌漿樁和石柱。上述樁通常設(shè)計(jì)為圓形或環(huán)形截面，與周圍的軟粘土相互作用，從而產(chǎn)生側(cè)阻力以滿足實(shí)際工程要求。根據(jù)摩擦力理論，軸周圍的側(cè)阻力與樁的周長有關(guān)。與多邊形截面樁相比，傳統(tǒng)圓樁在相同截面積時(shí)周長較小，說明多邊形截面樁對(duì)上述路堤具有較大的側(cè)阻力。為了在軟粘土上樁支撐路堤的設(shè)計(jì)中具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)意義，因此需要樁提供較高的側(cè)阻力，可以通過增加樁與其周圍軟土之間的接觸面積來實(shí)現(xiàn)。目前已有學(xué)者指出XCC 樁可有效增加側(cè)阻力，同時(shí)XCC 樁因?yàn)槠涑休d力顯著且沉降量少，目前已有在砂土上的成功應(yīng)用。但在打樁過程中會(huì)對(duì)周圍土壤進(jìn)行擾動(dòng)，如土壤位移較大、過量的孔隙水壓力。在XCC 樁支撐路堤的載荷安裝過程中，由于多邊形段和樁的干擾作用，周圍土壤會(huì)發(fā)生不同位移，這與傳統(tǒng)圓樁施工過程中的相應(yīng)變化不同，且XCC 樁的性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果在文獻(xiàn)中很少。

基于此，本文首先介紹了工程實(shí)用的XCC 樁，包括其物理特性、樁安裝設(shè)備、成樁過程和安裝機(jī)制。然后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以評(píng)估XCC 樁安裝過程中的軟土響應(yīng)，并評(píng)估XCC 樁承護(hù)路堤在垂直荷載下的性能。

1 XCC樁性能

1.1 XCC樁物理特性

XCC 樁的截面尺寸可由3 個(gè)參數(shù)確定，如圖1 所示，圓直徑a、圓弧端點(diǎn)b 和圓弧角θ。工程實(shí)踐中采用的斷面尺寸參數(shù)范圍為a=500～1000mm，b=100～250mm，θ=90°～130°。在周長相同的情況下，XCC 樁的經(jīng)濟(jì)成本比圓截面樁低。

1.2 XCC樁安裝設(shè)備

XCC 樁作為一種新型的截面樁，必須設(shè)計(jì)專用的打樁設(shè)備來安裝，以滿足實(shí)際使用的需要。XCC樁安裝設(shè)備如圖2 所示，包括底盤、控制臺(tái)、提升機(jī)、門架、鋼模、斗、錘、樁腳。底盤由H 型鋼制成，具有較大的剛度和相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，為上部設(shè)備提供了平臺(tái)?？刂婆_(tái)控制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)、設(shè)備的開關(guān)、錘的振動(dòng)頻率和樁模的拉速。提升機(jī)是動(dòng)力系統(tǒng)的核心裝置，為移動(dòng)打樁機(jī)、拉起樁模提供動(dòng)力。門架為樁模和錘提供支撐。樁模具由x型鋼模具、料斗、法蘭板和x 型鋼樁腳組成，是整個(gè)設(shè)備中最重要的部分。料斗為澆筑混凝土提供容器。錘提供振動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)樁模。樁腳由四個(gè)拱形閥組成，其垂直投影為X 形。用法蘭板連接錘和樁模。

圖2 XCC樁安裝設(shè)備

1.3 XCC樁安裝

試驗(yàn)設(shè)定長12～22m 的XCC樁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑，分成6 段。每根XCC 樁的施工步驟相同，樁截面控制為a=610mm，b=120mm，θ=130°。本文選取一樁深約12m 的原位澆筑XCC 樁，研究樁身安裝過程中的土體響應(yīng)。XCC樁周土體提前設(shè)置測(cè)量目標(biāo)，監(jiān)測(cè)土層徑向位移、水孔壓力和土體應(yīng)力。將三個(gè)傾斜儀安裝到15m 的深度，并牢固地嵌入到粉質(zhì)砂中，以監(jiān)測(cè)土壤的徑向位移。在6m 和9m 深度的預(yù)鉆孔中安裝6 個(gè)孔水壓力表，測(cè)量孔水壓力的變化。將土壓力傳感器固定在預(yù)制鋼筋框架上，然后通過在預(yù)鉆孔中推動(dòng)預(yù)制鋼筋框架，將壓力傳感器安裝到目標(biāo)深度3m 和6m。在此過程中，保證這些壓力單元的法線方向指向樁心。

1.4 XCC樁成型工藝

在施工現(xiàn)場(chǎng)定位樁模。將樁模打入地面前，關(guān)閉閥門樁尖。通過錘在樁模頂部施加載荷，將模具打入軟黏土中。閥門樁頭應(yīng)保持關(guān)閉，以防止周圍的土壤在此過程中進(jìn)入模具，將混凝土填入預(yù)埋模具，混凝土由靠近樁模頂部的漏斗填充到鋼殼中，在每次退出前，套管必須振動(dòng)30s，提取鋼模。樁模通過振動(dòng)拉起，一般速度范圍為1.2～1.5m/min。對(duì)于軟土層，拉拔速度設(shè)置在0.8～1.0m/min之間為宜。隨后，每抽拔0.5～1.0m，應(yīng)暫時(shí)停止拉拔，使套管振動(dòng)5～10s，以保證完全抽拔并壓實(shí)混凝土樁。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面徑向位移

圖3為XCC 樁安裝過程中在不同半徑處測(cè)得的地表位移。使用SSPM（淺應(yīng)變路徑法）對(duì)不同半徑的圓形樁進(jìn)行相應(yīng)預(yù)測(cè)。為預(yù)測(cè)末端封閉樁安裝所引起的地表位移，按相同格式繪制與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步明確XCC 樁安裝過程中的地面響應(yīng)。由圖可知，地表位移隨半徑r 的增大而減小。測(cè)量的表面徑向位移明顯低于R=Rou的預(yù)測(cè)值。當(dāng)XCC 樁為封閉式圓形樁，即R=Req（給封閉式圓形樁相同體積的位移土壤）時(shí)，測(cè)量的表面徑向位移通常高于R=Req要求的預(yù)測(cè)值。這說明XCC 樁的安裝往往會(huì)產(chǎn)生較大的位移變化，這可能是由于樁的多邊形性質(zhì)所致。

圖3 表面徑向位移

2.2 孔隙水壓力

由圖4 可知，孔隙水壓力在樁端接近測(cè)壓高度時(shí)達(dá)到最大，隨著樁端深入，孔隙壓力逐漸減小。由垂直有效應(yīng)力σv0歸一化得到的1m、3m、6m 和9m 處孔隙壓力Δu的徑向分布如圖4所示。

圖4 不同深度下孔隙水壓力變化

2.3 分層沉降

圖5 為軟土層沿深度的分層沉降。在施工階段，隨著路堤高度的增加，沉降有增加的趨勢(shì)。在2m 處沉降量最大，在2m、4m、6m、8m 和10m 處沉降量分別為412.0mm、371.5mm、316.5mm、236.0mm 和212.5mm，沿深度逐漸減小。并且與路堤填筑過程相比，路堤的沉降是延遲的，這可能是固結(jié)過程和固結(jié)系數(shù)減小的原因。在施工階段，土層沉降位移變化幅度較小，最大沉降達(dá)到200mm，且隨深度增加，沉降量呈降低趨勢(shì)，這主要是由于隨深度增加，土體在自重應(yīng)力作用下，土體內(nèi)部孔隙逐漸減少，進(jìn)一步加大顆粒間的接觸面積，提高土體密實(shí)度。在施工階段完成后，不同深度下軟土層沉降位移較大，主要由于施工階段時(shí)間較短，土體沉降未完全開始，因此在施工結(jié)束后軟土層在土體自重應(yīng)力及外荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大位移。隨著沉降時(shí)間增長，不同深度下土體沉降位移趨于穩(wěn)定，變化幅度逐漸降低。究其原因?yàn)殡S著時(shí)間增加，土體在自重應(yīng)力下，軟土內(nèi)部孔隙率減少，密實(shí)度得到提高。

圖5 不同深度沉降

實(shí)測(cè)的樁頂沉降和兩樁間土體表面沉降如圖6 所示?？梢钥闯?，施工階段（約140d）沉降有所增加。然而，即使填筑完畢，沉降仍在持續(xù)增加，直到約200d。這可能與軟粘土固結(jié)沉降有關(guān)。位于路堤中心、左右邊緣樁的沉降量分別為438mm、404mm 和377mm。同時(shí)可觀察到，XCC 樁附近的土沉降始終大于樁的沉降，這就有可能造成土拱和應(yīng)力集中。由于土拱效應(yīng)和應(yīng)力集中，大部分荷載可能由土工格柵加筋墊層和樁傳遞，樁間土體承擔(dān)的荷載較少。

圖6 樁頂沉降

2.4 土壤和樁之間的荷載分布

XCC樁頭及其周圍土壤的垂直應(yīng)力分布如圖7 所示。測(cè)量到的樁頭應(yīng)力與其周圍土壤（即應(yīng)力濃度）之間存在明顯差異，這歸因于差異結(jié)算，樁頭的應(yīng)力隨著路堤高度的增加而增加，直到施工后軟粘土固結(jié)完成。樁間土應(yīng)力隨填筑過程的變化不大。

圖7 樁頭和樁間土壤中的應(yīng)力

2.5 橫向位移

施工階段沿XCC 樁支撐路堤深度的橫向位移如圖8 所示。可以看出，最大的橫向位移位于軟層的地表。這種橫向位移在路堤的施工階段迅速增加。相比之下，當(dāng)XCC 樁施工完成后，橫向變形速度相對(duì)較慢。因?yàn)槭┕ず蟮淖冃沃饕蕾囉谲浲恋墓探Y(jié)，而不是所施加的壓力。且可觀察到橫向位移隨深度增加呈非線性增加趨勢(shì)。隨監(jiān)測(cè)時(shí)間增長，橫向位移變化幅度呈先上升后下降趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)281d 時(shí)，橫向位移達(dá)到最大（5.4m）。監(jiān)測(cè)36d 時(shí)，橫向位移為1.7m，較監(jiān)測(cè)17d 有較大變化，主要由于其樁周土較為松散，在土壓力及負(fù)摩阻力的作用下，土體在前期會(huì)產(chǎn)生較大位移。

圖8 不同深度的橫向位移

圖9 樁頭與樁間土的表面沉降

2.6 地表沉降

實(shí)測(cè)的樁頂沉降和兩樁間土體表面沉降如圖9 所示?？梢钥闯?，施工階段（約140d）沉降有所增加。然而，即使填筑完畢，沉降仍在持續(xù)增加，直到約200d，這可能與軟粘土固結(jié)沉降有關(guān)。位于路堤中心、左右邊緣樁的沉降量分別為438mm、404mm 和377mm。且可觀察到，XCC 樁附近的土沉降始終大于樁的沉降，這就有可能造成土拱和應(yīng)力集中。由于土拱效應(yīng)和應(yīng)力集中，大部分荷載可能由土工格柵加筋墊層和樁傳遞，樁間土體承擔(dān)的荷載較少。

3 結(jié)論

本文介紹了X 型斷面混凝土灌注樁處理路堤軟層的新技術(shù)，包括相應(yīng)的打樁設(shè)備、加固原理和施工工藝。為研究XCC 樁在安裝過程中的土體響應(yīng)，研究單樁和樁筏的承載力，開展了大規(guī)模的XCC 樁路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要研究結(jié)果如下。

①在R=Req條件下，XCC 樁安裝過程中的徑向位移大于圓形樁，而在R=Rou條件下，XCC 樁的徑向位移小于圓形樁。XCC樁安裝過程中孔壓增量小于封閉式鋼管樁和開放式混凝土管樁。

②由于XCC 樁與周圍土體的沉降差異引起的拱效應(yīng)，使XCC 樁頂?shù)膽?yīng)力分布增大。XCC樁基礎(chǔ)的應(yīng)力集中比隨路堤高度的增大而增大。在路堤施工階段，土拱系數(shù)減小。