高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力研究

蔣 浩

（中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原）

1 惠清項(xiàng)目橋梁樁工程實(shí)例

1.1 工程施工建設(shè)狀況

開展研究前，對惠清項(xiàng)目橋梁樁工程的建設(shè)狀況進(jìn)行分析。本次研究的項(xiàng)目標(biāo)段位于清遠(yuǎn)市清城區(qū)東城街道辦境內(nèi)，項(xiàng)目基本情況如表1 所示。

表1 惠清項(xiàng)目橋梁樁基礎(chǔ)工程基本情況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，此施工段位于巖溶發(fā)育地區(qū)，區(qū)域內(nèi)的巖溶發(fā)育呈現(xiàn)弱～中等，局部發(fā)育十分強(qiáng)烈，對樁基礎(chǔ)的施工影響較大。通過前期勘察和現(xiàn)場施工建設(shè)發(fā)現(xiàn)，其中有4 座大橋（江埗1#大橋、江埗2#大橋、朝陽大橋、文洞河特大橋），1 座中橋（白樓中橋）位于巖溶區(qū)，發(fā)育程度均為中等發(fā)育～強(qiáng)發(fā)育[1]。

在施工過程當(dāng)中，文洞河特大橋左幅10-1 在鉆進(jìn)至40 m 處突遇溶洞，樁內(nèi)漿面突降9 m，回填片石黏土后在鉆進(jìn)至40.6 m 處，樁內(nèi)漿面突降15 m，回填片石黏土后，鉆進(jìn)至43.8 m 處，樁內(nèi)漿面突降10 m；右幅11-1 在鉆進(jìn)至43 m 處突遇溶洞，樁內(nèi)漿面突降8 m 回填片石黏土后在鉆進(jìn)至44 m 處，樁內(nèi)漿面突降2 m，回填片石黏土后，鉆進(jìn)至46 m 處，樁內(nèi)漿面突降8 m；右幅18-1 在鉆進(jìn)至38.2 m 處突遇溶洞，樁內(nèi)漿面突降13 m。

1.2 高壓旋噴樁復(fù)合地基施工處理技術(shù)方案形成

在針對當(dāng)前橋梁工程溶洞樁基等不良地質(zhì)勘察分析基礎(chǔ)上，技術(shù)人員為了防止鉆進(jìn)過程中因突遇溶洞出現(xiàn)漏漿導(dǎo)致塌孔的情況，一般采用加長孔口護(hù)筒，片石黏土回填的處理措施。但是，因惠清項(xiàng)目橋梁樁基大部分處于巖溶中等或強(qiáng)發(fā)育區(qū)，且地質(zhì)情況復(fù)雜、難以預(yù)見，地質(zhì)勘查資料并不能完全反映出樁位地質(zhì)真實(shí)情況，導(dǎo)致施工過程當(dāng)中多次出現(xiàn)突遇溶洞現(xiàn)象，且溶洞填堵不住，同一樁基出現(xiàn)多次漏漿現(xiàn)象[2]。因此，除常規(guī)溶洞處理方法外，可以考慮其他預(yù)防措施。

高壓旋噴復(fù)合樁是在橋梁樁位的兩側(cè)采用高壓對溶洞雙液壓漿，以此能夠增強(qiáng)溶洞內(nèi)部填充物的密度，促使填充物凝結(jié)在一起，提升強(qiáng)度和硬度[3]。而樁基施工中，可以通過使用雙層鋼護(hù)套筒成孔施工方式，針對土層松散的部分，再次通過設(shè)置密度較高的壓力旋噴樁，有效截斷溶洞地下水滲漏的現(xiàn)象。以上溶洞不良地質(zhì)施工處理技術(shù)應(yīng)用，可以促使橋梁樁基礎(chǔ)與周圍有效連接在一起，提升樁基礎(chǔ)的粘結(jié)性和抗壓強(qiáng)度，并且旋噴樁施工方式，有助于保護(hù)樁基礎(chǔ)兩側(cè)存在的建筑物，避免地面出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象[4]。

整體上而言，由于溶洞地理地質(zhì)條件的特殊性，在實(shí)際施工建設(shè)過程中，工作人員需要強(qiáng)化前期鉆探分析，在前期勘察工作完成基礎(chǔ)上，詳細(xì)了解溶洞實(shí)際規(guī)模、跨樁位建設(shè)處溶洞存在的深度、填充物狀況、溶洞發(fā)育狀況等方面基礎(chǔ)資料，以此保證整個橋梁樁基礎(chǔ)溶洞不良地質(zhì)施工工作能夠安全進(jìn)行，保證工程施工質(zhì)量。

1.3 建立高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力計算模型

橋梁樁基礎(chǔ)溶洞施工作為當(dāng)前貫穿橋梁完整性建設(shè)的重要組成部分，在實(shí)際進(jìn)行施工建設(shè)的過程中，為了在保證溶洞建設(shè)穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，提升整體的建設(shè)水平，需要工程施工人員對當(dāng)前橋梁樁基礎(chǔ)溶洞中的不良地質(zhì)進(jìn)行分析，以此提出相對應(yīng)的施工技術(shù)、全面提升施工水平，保證橋梁樁基礎(chǔ)施工穩(wěn)定性、可靠性[5]。為確保相關(guān)工作在實(shí)施中可以發(fā)揮預(yù)期效果，在明確工程項(xiàng)目施工技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，引進(jìn)ABAQUS 軟件，進(jìn)行復(fù)合地基結(jié)構(gòu)的受力分析。在此過程中，使用ABAQUS 軟件中的有限元建模工具，在明確加載板表面、土體表面為自由邊界的基礎(chǔ)上，對樁基礎(chǔ)施工作業(yè)的四周進(jìn)行水平方向約束，構(gòu)建如圖1 所示的高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力計算模型。

圖1 高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力計算模型

計算模型中，設(shè)定土層的底部結(jié)構(gòu)為固定邊界，參照Mohr-Coulomb，進(jìn)行土體結(jié)構(gòu)塑性模型的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)線性彈性模型，用其生成樁體結(jié)構(gòu)模型。通過對分布模型的集成，實(shí)現(xiàn)對高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力計算模型的構(gòu)建。

2 高壓旋噴樁形成

圖2 為高壓旋噴樁橫斷面基本結(jié)構(gòu)示意。

圖2 高壓旋噴樁橫斷面基本結(jié)構(gòu)示意

灌漿方式的不同會使得最終高壓旋噴樁的結(jié)構(gòu)存在較大差異，三種不同形狀的固結(jié)體的示意性表示于圖3。

圖3 三種不同形式高壓旋噴注漿

固結(jié)體的強(qiáng)度與土體性質(zhì)、灌漿方式、灌漿材料、年齡等有很大的關(guān)系。一般情況下，砂性土層中的固結(jié)體強(qiáng)度高于粘性土層，而采用雙管三重管方式，因其對淤泥質(zhì)土層的剪力和攪動效果更好，固結(jié)體的強(qiáng)度也高于單管方式，且注漿材料的性能更好，固結(jié)體的強(qiáng)度也更高。

3 高壓旋噴樁施工與加固

高壓噴樁施工技術(shù)作為橋梁基礎(chǔ)溶洞不良地質(zhì)施工處理主要的應(yīng)用技術(shù)，在實(shí)際高壓噴樁施工技術(shù)應(yīng)用的過程中，技術(shù)人員要通過前期地質(zhì)勘察報告，分析明確噴樁的樁徑和樁中心距。就此工程而言，將噴樁樁徑設(shè)置為60 cm，而樁中心距設(shè)置為0.5 m 即可，且每根樁的長度為15 m。而對于跨越溶洞處噴樁的設(shè)置，優(yōu)先選擇順延橋位縱向兩側(cè)布置，以此形成連續(xù)墻形式，將全部長度控制在130 m 范圍內(nèi)。

首先，技術(shù)人員需要根據(jù)樁位設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和需求，確定鉆孔孔位，嚴(yán)格控制鉆孔孔位的偏差，而每次鉆進(jìn)的入射角度偏差必須低于1°，在前期標(biāo)定位置之后，使用鉆機(jī)進(jìn)行一次性的鉆孔，保證鉆進(jìn)過程中鉆桿始終垂直，避免出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象。其次，鉆進(jìn)程控過程中，技術(shù)人員需要掌握鉆進(jìn)速度，以此在鉆進(jìn)過程中有充足時間考慮對鉆進(jìn)過程的影響因素，確定不同樁位溶洞鉆進(jìn)地質(zhì)狀況。在鉆進(jìn)過程中，如果出現(xiàn)大量滲水和漏水的現(xiàn)象，必須立即停止鉆進(jìn)。然后，在鉆進(jìn)過程中，工作人員需要合理掌握鉆桿提升高度，保證全過程鉆桿提升的均勻性，按照鉆進(jìn)過程中漿液參數(shù)變化確定鉆桿提升速度和高度。

在以上工作完成后，則需要噴樁工作，前期做好噴漿漿液配比工作。嚴(yán)格計算、科學(xué)試驗(yàn)，確定各種配料配方比，注漿過程中，控制注漿壓力。一旦出現(xiàn)注漿溢出問題，立即停止注漿，明確溢漿原因，采取處理措施，再次進(jìn)行注漿。在基礎(chǔ)注漿工作完成后，技術(shù)人員需要進(jìn)行噴樁墻的加固，這就需要針對鉆孔灌注口不出現(xiàn)返漿的現(xiàn)象進(jìn)行處理，通過多方面停噴、靜噴、加大漿液濃度的方式，促使空口返漿。在噴樁過程中，技術(shù)人員尤其注重噴樁工作進(jìn)行的連續(xù)性。圖4 為高壓旋噴樁施工示意。

圖4 高壓旋噴樁施工示意

在高壓旋噴樁加固時，考慮地基土體的固結(jié)問題，其通常與排水性能相關(guān)。這一點(diǎn)可以通過固結(jié)系數(shù)的計算式反映出來為：

式中：Cv代表地基土體的固結(jié)系數(shù)；k 代表地基土體的滲透系數(shù)；e0代表常量；rw代表固結(jié)時間；α 代表壓縮系數(shù)。由于樁體的加筋作用，高壓旋噴樁可以在極大程度上提升地基土體的抗剪強(qiáng)度，促進(jìn)土體抗剪抗滑能力的提升。

4 復(fù)合地基承載力計算

為實(shí)現(xiàn)對高壓旋噴樁應(yīng)用下復(fù)合地基承載力的進(jìn)一步分析，通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定承載力特征值。對于散體材料，其增強(qiáng)體復(fù)合地基可按照下述公式計算得出承載力特征值：

式中：fspk代表復(fù)合地基的承載力特征值；m 代表復(fù)合地基置換率；n 代表樁土應(yīng)力比；fsk代表樁間土承載力特征值。

對于粘結(jié)強(qiáng)度增加的復(fù)合地基應(yīng)按照下述公式計算承載力特征值：

式中：λ 代表單樁的承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra代表單樁垂直方向上的承載力特征值；Ap代表高壓旋噴樁橫截面面積；β 代表樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)。

對于復(fù)合地基的承載力極限值可通過下述公式計算得出：

式中：pcf代表復(fù)合地基承載力極限值；k1和k2代表修正系數(shù)；λ1和λ2分別代表樁體和樁間土強(qiáng)度發(fā)揮度；ppf代表單樁極限承載力；psf代表天然地基極限承載力。

根據(jù)上述公式計算得出復(fù)合地基承載力的極限值，根據(jù)具體數(shù)值對地基承載力進(jìn)行分析。樁的成孔質(zhì)量，特別是上端樁的成孔質(zhì)量，直接關(guān)系到復(fù)合地基的承載力。在加載過程中，距離樁頂越40 cm 的位置上樁身軸力達(dá)到最大值，此后沿樁長方向逐漸減小，樁底樁身軸力最小。由此可知，樁體在受荷載作用時，其大部分荷載由上部樁體承擔(dān)。在施工中要重點(diǎn)關(guān)注上部樁身施工質(zhì)量，保證樁體的承擔(dān)荷載能力。

結(jié)束語

橋梁樁基礎(chǔ)溶洞不良地質(zhì)施工技術(shù)應(yīng)用中，技術(shù)人員需要強(qiáng)化前期勘察地質(zhì)狀況分析，明確橋梁跨越樁位所在地區(qū)溶洞深度和溶洞存在數(shù)量基礎(chǔ)上，通過設(shè)計合理的施工方案，明確施工中復(fù)合地基的承載力特性，以此為依據(jù)，有效提升灌注樁成孔孔洞施工效果，同時，要在施工中做好漿液的配置和灌漿，從而有效處理滲漏水的現(xiàn)象。并且在不良地質(zhì)各項(xiàng)施工技術(shù)應(yīng)用中，強(qiáng)化對溶洞周圍建筑物的監(jiān)測，保證建筑物穩(wěn)定性，施工技術(shù)不會對溶洞周圍建筑物產(chǎn)生不良影響，以此有序進(jìn)行施工技術(shù)應(yīng)用，提升溶洞不良地質(zhì)施工建設(shè)效果，建設(shè)穩(wěn)定性的樁基礎(chǔ)。為保證樁基礎(chǔ)可以在主體結(jié)構(gòu)建造中發(fā)揮預(yù)期效果，選擇高壓旋噴樁復(fù)合地基作為主體結(jié)構(gòu)建造的關(guān)鍵，對復(fù)合地基的承載力展開了研究。以此種方式，為橋梁的牢固性和安全施工發(fā)揮基礎(chǔ)作用。