(廈門安能建設(shè)有限公司，福建 廈門 316000)

1 引 言

河道整治是著眼于泄洪除澇、水土保持和航運(yùn)功能的河道疏浚和護(hù)岸建設(shè)。南方地區(qū)臨河而居已成一種生活傳統(tǒng)，河道整治拓寬往往會(huì)遇到局部房屋密集區(qū)域。目前，河道兩側(cè)的支護(hù)形式多為剛性擋墻結(jié)構(gòu)，這類型護(hù)岸往往涉及到大范圍土方開挖，需征用大量土地，也對沿岸的村民生活造成干擾，為社會(huì)和諧發(fā)展帶來隱患[1-2]。這就要求我們積極探索新技術(shù)。鋼管模袋擠密樁復(fù)合結(jié)構(gòu)是綜合應(yīng)用“控制性水泥灌漿工藝”[3]“濾排水式壓入水泥漿液的施工方法”[4]等發(fā)明專利技術(shù)而形成的新型復(fù)合支護(hù)體系，可對周邊建筑進(jìn)行有效的保護(hù)，并且將臨時(shí)性的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與永久性結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，可應(yīng)用于軟土地基處理、軟土基坑圍護(hù)、河道邊坡加固和擋土墻修筑。

鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法為：采用地質(zhì)鉆機(jī)直接在淤泥地層中鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝鋼管、灌漿設(shè)施、排水設(shè)施和模袋裝置等，通過控制性灌漿方法將漿液灌入模袋，模袋樁體逐漸擴(kuò)大并擠壓周邊淤泥。因此，周邊淤泥中的液相和氣相經(jīng)過預(yù)先埋設(shè)的排水設(shè)施排出地表，樁體周邊淤泥得到一定程度固結(jié)；在模袋樁本體形成和模袋樁體之外的淤泥被擠壓固結(jié)之后，通過在模袋樁內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的灌漿裝置，對樁體底部淤泥進(jìn)行控制性灌漿，在樁底向外推擠淤泥并形成新“巖體”。鋼管模袋樁按柱列式布置，并通過樁頂圈梁和斜拉模袋錨固樁將鋼管模袋樁連接成墻，用以承受側(cè)向土壓力。

鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：?模袋材質(zhì)為常規(guī)的雙層土工布，利用模袋來控制水泥漿在軟弱淤泥層中的無序竄漿和擴(kuò)散現(xiàn)象，不僅能形成有效的樁體，而且可以降低支護(hù)結(jié)構(gòu)成本；?充分利用灌漿壓力將水泥漿液灌入模袋，在模袋不斷膨脹—飽滿—結(jié)實(shí)的成樁過程中，使部分淤泥體得到一定程度固結(jié)；?在樁體中加入鋼管構(gòu)成的一種組合材料，可加強(qiáng)樁體的抗拉性能，改善樁體力學(xué)性質(zhì)；?通過對樁底淤泥進(jìn)行控制性灌漿，漿液迅速凝結(jié)為膏狀凝膠體，逐漸向外推擠周邊淤泥，凝膠體在擠出的空間中硬化成樁端部擴(kuò)大頭新巖體，大幅提升復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載力；?樁頂采用圈梁將柱列式鋼管模帶擠密樁連接成一體，斜拉模袋錨固樁將樁體錨固于岸堤內(nèi)，穩(wěn)定性好。

2 工程概況

梧垵溪發(fā)源于晉江市的高州山，主河道長10.1km。梧垵溪洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，直接影響到沿線人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為此，晉江市及石獅市高度重視，實(shí)施河道治理工作。該治理工程的難點(diǎn)在于河道右岸(石獅地界)用地極為緊張，堤線距離建筑物較近，特別是石獅市供水公司的進(jìn)水管道、制水及供水車間位于河道邊，不僅河道拓寬受限，稍有不慎，將造成中心城市供水中斷。因此，該段河道整治方式不能采取常規(guī)的開挖清淤再建擋墻的方案，必須先采取圍護(hù)樁的形式進(jìn)行岸坡防護(hù)，再進(jìn)行清淤疏浚。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告分析，該部分河段地層為粉質(zhì)黏土、淤泥、殘積土，淤泥層厚度為5.8～15.5m，擋土高度約為5.0m。最初考慮單排鉆孔灌注柱加預(yù)應(yīng)力擴(kuò)孔錨索和雙排鉆孔灌注柱兩種方案，但由于在現(xiàn)有建筑物下進(jìn)行錨索施工存在困難[5]，又無建筑物樁基設(shè)計(jì)資料，在建筑物下方施打擴(kuò)孔錨索存在安全隱患；而且“雙排樁”方案需要較寬的施工場地綁扎鋼筋籠和澆筑混凝土，施工時(shí)需要大型設(shè)備，進(jìn)場施工需要通過供水箱涵，加上施工鉆孔位置距離供水箱涵較近，存在諸多難以控制的施工風(fēng)險(xiǎn)，而放棄這兩種方案。最后，通過大量技術(shù)論證，決定采用鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，并在石獅自來水公司供水箱涵段開展試驗(yàn)研究。

選擇距引水箱涵7.5m處為試驗(yàn)工程段。模袋樁孔中心間距為0.6m，模袋樁樁徑為0.5m，共16個(gè)模袋充灌樁。造孔深為14m，其中樁上段8m為通長模袋樁體，下段6m為控制性水泥灌漿加固區(qū)域，如圖1所示。模袋樁體系布置為單排豎向主體鋼管模袋樁+斜拉模袋錨固樁，如圖2所示。斜拉模袋錨固樁采用通體模袋樁，按長度1.2m間隔跳孔布置。為保證模袋樁體的形成和控制，在樁頂預(yù)先設(shè)置了定位鋼梁，鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場效果如圖3所示。

圖1 鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)體剖面 (單位：mm)

圖2 鋼管模袋擠密樁和斜拉樁剖面 (單位：mm)

圖3 鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)現(xiàn)場效果 (單位：mm)

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

為了驗(yàn)證和完善鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)在加固軟弱地基的有效性、復(fù)合結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性和對周圍建筑物影響的可控性等，對試驗(yàn)段的支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體變形和受力特征進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測研究。監(jiān)測點(diǎn)布置主要選擇在6～11號樁體靠供水箱涵側(cè)，具體如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)平面布置

采用DS2型自動(dòng)安平精密水準(zhǔn)儀對6號樁后地表垂直位移進(jìn)行監(jiān)測，并配有測微器、銦瓦水準(zhǔn)尺，3個(gè)垂直位移監(jiān)測點(diǎn)距離6號樁中心的距離分別為1m、3m、6m；采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)對7號和10號樁應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，鋼筋應(yīng)力計(jì)與鋼管進(jìn)行焊接，沿每根樁身自上至下布置8個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，間距為1m；為了減少斜拉樁對土壓力測試的影響，在8號和9號樁之間設(shè)置3個(gè)鉆孔，每個(gè)孔內(nèi)自上至下布置10個(gè)土壓力盒，間距為1.5m；在11號樁后設(shè)置3根測斜管測試土體深層水平位移；為了檢驗(yàn)鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，在供水箱涵的側(cè)邊頂部土體布置位移監(jiān)測點(diǎn)，對供水箱涵頂部土體的垂直和水平位移進(jìn)行測量。

3.2 監(jiān)測結(jié)果和分析

3.2.1 深層水平位移結(jié)果與分析

在鋼管模袋樁靠供水箱涵側(cè)布設(shè)3根測斜管，分別距離模袋樁中心距離為1m、3m和6m，管長都為18m?？臻g效應(yīng)對該位置的位移影響較小，可近似認(rèn)為是平面應(yīng)變狀態(tài)。深層水平位移的正值表示往供水箱涵方向偏移，負(fù)值則相反，3個(gè)孔的深層水平位移如圖5所示。其中，0天表示測斜管安裝之后，鋼管模袋樁施工之前；鋼管模袋樁和斜拉模袋錨固樁在0～0.5天期間施工完成；鋼管模袋樁底部淤泥的控制性灌漿在0.5～1天期間完成；河道開挖在29～30天期間完成，挖深5m；45天代表河道開挖完成后15天。

由圖5(a)可以看出，鋼管模袋樁施工之前，地層深層水平位移沿深度方向變化不大。隨著鋼管模袋樁和斜拉樁的施工，鋼管模袋樁周邊土體呈現(xiàn)較大的向供水箱涵方向的水平位移趨勢。鋼管模袋樁體和斜拉樁施工完后(0.5天時(shí))，通過對測斜管監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，地層水平位移呈現(xiàn)較大的向供水箱涵方向的趨勢，并且土體深層水平位移隨深度增大而增大，當(dāng)深度大于8m以后，地層深層水平位移接近0。分析可知，模袋樁體和斜拉樁施工是通過控制性灌漿技術(shù)將漿液灌入模袋，隨著模袋樁體的擴(kuò)大，模袋樁體之外的淤泥受到擠壓變形，這就造成測斜管發(fā)生變形；另外，由于模袋樁和斜拉樁只有8m深，因此，模袋樁體施工對深度8m以下的地層水平位移影響不大。在模袋樁本體形成后，通過在模袋樁內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的灌漿裝置，對樁體底部范圍內(nèi)淤泥進(jìn)行控制性灌漿，引起測斜管深度8～14m范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的地層水平位移。這主要是由于樁底控制性灌漿對周邊土體持續(xù)擠壓造成。雖然樁底控制性灌漿是在深度為8～14m內(nèi)進(jìn)行，但是8m以上范圍內(nèi)的測斜管也有一定的水平位移，分析可知，由于測斜管是埋設(shè)在較軟的淤泥里，而測斜管又有一定的剛度，測斜管底部由于樁底控制性水泥灌漿發(fā)生較大的位移，這就造成測斜管上部也產(chǎn)生了一定位移。河道在第29天進(jìn)行開挖，因此在第30天的水平位移較第1天有少量減小，這表明河道開挖會(huì)造成鋼管模袋樁背部土層發(fā)生水平位移，但位移只有5～30mm。第45天對深層水平位移進(jìn)行了復(fù)測，第45天和第30天的深層水平位移相比大致不變，表明河道開挖后土體深層水平位移基本停止。

圖5 深層水平位移沿深度的變化曲線

從圖5(b)可以看出，0.5天對應(yīng)的深層水平位移較小，表明鋼管模袋樁和斜拉樁施工雖然會(huì)對周圍土體產(chǎn)生較大的擠壓，但3m處的土體受到的作用基本可以忽略不計(jì)。1天對應(yīng)的深層水平位移較0.5天僅在深度8～14m處有明顯變化，這表明樁底控制性注漿會(huì)對3m處的土體產(chǎn)生影響，但最大位移只有20mm，說明樁底注漿的影響不大。1天以后的土體深層水平位移基本上沒有變化，這表明，河道開挖對3m處的地層沒有影響，鋼管模袋柱對河道周邊土體起到了很好的支護(hù)效果。

從圖5(c)可以看出，距離樁中心6m處的土體深層水平位移在任何時(shí)候的變化都很小，這表明鋼管模袋樁和斜拉樁施工、樁底灌漿以及河道開挖都對該處土體沒有影響、進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)合結(jié)構(gòu)有較好的支護(hù)效果。比較圖5可以發(fā)現(xiàn)，對任意時(shí)間的地層深層水平位移來說，距離樁中心越遠(yuǎn)，土體的深層水平位移越小，這表明：雖然模袋樁及淤泥硬化復(fù)合結(jié)構(gòu)的施工會(huì)使周邊土體產(chǎn)生較大變形，但是這種影響隨距離越遠(yuǎn)而逐漸減弱。

3.2.2 土壓力隨時(shí)間的變化特征

在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，土壓力的估算關(guān)系到工程安全，雖然目前有很多土壓力的計(jì)算理論，但是支護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得土壓力分布特征也趨于復(fù)雜。由圖6(a)可以看出，對任意時(shí)間的土壓力來說，土壓力沿深度方向呈線性增大趨勢，大致符合經(jīng)典土壓力理論給出的分布規(guī)律。比較0天和0.5天對應(yīng)的土壓力可以發(fā)現(xiàn)，在0～8m深度范圍內(nèi)土壓力有一定程度的增大。這主要是由于施工過程中產(chǎn)生沿軸向的擠壓對1m處的土體產(chǎn)生了一定的附加土壓力，這種附加土壓力大致分布在0～8m深度范圍內(nèi)。其次，比較0.5天和1天對應(yīng)的土壓力可知，8～14m范圍內(nèi)的土壓力有明顯增大，這主要是因?yàn)闃兜卓刂菩宰{對1m處土體的擠壓力產(chǎn)生的附加土壓力。自第1天以后的土壓力沒有明顯的變化，說明土壓力趨于穩(wěn)定，與靜止土壓力比較接近，進(jìn)一步證實(shí)了支護(hù)樁起到了很好的支護(hù)效果。從圖6(b)可以看出，樁底注漿過程中，8～14m范圍內(nèi)的土壓力有一定程度增大，這是樁底灌漿產(chǎn)生的擠壓力所致。但其土壓力增大值僅為5kPa左右，要小于圖6(a)中土壓力的增大值，這說明樁底灌漿產(chǎn)生的擠壓力隨距離增大而減弱。而圖6(c)中土壓力隨深度變化的規(guī)律基本上不隨時(shí)間變化，證明復(fù)合結(jié)構(gòu)施工和河道開挖對距離6m處的土壓力沒有影響，這也進(jìn)一步印證了土體深層水平位移的變化規(guī)律。

圖6 土壓力沿深度方向的變化曲線

3.2.3 樁身截面彎矩分布特征

通過樁體內(nèi)的鋼筋應(yīng)力來計(jì)算鋼管模袋樁受到的彎矩，圖7給出2個(gè)典型斷面上鋼管模袋樁的彎矩分布。由圖7(a)可以看出，在鋼管模袋樁施工之前(0天)以及施工之后(28天)這段期間，樁身彎矩很小，沿深度方向的變化也很小。河道在第29天進(jìn)行開挖，可見第30天的彎矩變化很大，沿深度方向呈現(xiàn)正負(fù)交替變化的趨勢。一般來說，河道開挖面以上的開挖側(cè)鋼筋受拉，非開挖側(cè)受壓，彎矩表現(xiàn)為正值；然而河道開挖面以下樁體的受力剛好相反，彎矩表現(xiàn)為負(fù)值。因此，鋼管模袋樁的某一深度處存在彎矩為零，即為反彎點(diǎn)。例如：第30天時(shí)，在樁身-2m和-7m位置分別出現(xiàn)正的最大彎矩值和負(fù)的最大彎矩值，表明這兩處分別受到較大的向河道開挖側(cè)和供水箱涵側(cè)的翹曲，反彎點(diǎn)大致在-5m處。并且，在第45天測得的彎矩和第30天的彎矩特征大致相同，表明河道開挖后鋼管模袋樁的受力變化很小。其次，比較圖7(a)和圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)：兩根鋼管模袋樁的彎矩特征大致相同，這進(jìn)一步表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到的土壓力比較均勻。

圖7 樁身彎矩沿深度方向的變化曲線

3.2.4 地表位移結(jié)果與分析

圖8為離鋼管模袋樁中心不同距離處的地表垂直位移隨時(shí)間的變化曲線。圖9為箱涵側(cè)邊頂部土體的水平位移和垂直位移。由圖8可以看出鋼管模袋樁和斜拉樁施工期間，3個(gè)不同位置處的地面均表現(xiàn)出不同程度的地表隆起，在鋼管模袋樁和斜拉樁施工完成以后，地表垂直變形趨于穩(wěn)定。分析可知，復(fù)合結(jié)構(gòu)施工對土體有一定的擠壓，造成較大的地表垂直變形。比較這3種不同距離處的地表垂直位移可以發(fā)現(xiàn)，距離鋼管模袋樁中心越遠(yuǎn)，地表垂直位移越小，說明鋼管模袋樁施工對土層變形的影響隨距離增大而逐漸減弱。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，供水箱涵的水平位移和垂直位移都很小，大致在2mm左右波動(dòng)，這說明復(fù)合結(jié)構(gòu)施工對供水箱涵的擾動(dòng)很小，基本上可以忽略不計(jì)，并且河道開挖對供水箱涵的影響也很小，供水箱涵在整個(gè)施工過程中是安全的。

圖8 不同位置處地表垂直位移隨時(shí)間的變化曲線

圖9 供水箱涵側(cè)邊的土體水平位移和垂直位移隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié) 論

a.鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)施工過程中，復(fù)合結(jié)構(gòu)周邊土體均呈現(xiàn)明顯的水平位移，并且土體水平位移隨深度增大而減小。但是，隨著離樁中心的距離越遠(yuǎn)，復(fù)合結(jié)構(gòu)施工對土體變形的影響越小。其次，河道開挖以后，復(fù)合結(jié)構(gòu)后土體的深層水平位移較開挖前變化很小，表明鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)起到很好的支護(hù)作用。

b.土壓力沿深度方向?yàn)槿切畏植?，大致符合?jīng)典土壓力理論給出的分布特征。距離樁中心1m處的土壓力在樁體施工以及樁底注漿過程中有少量增大，這主要?dú)w因于樁的施工造成的附加土壓力。但是，當(dāng)距離樁中心3m處，僅樁底注漿會(huì)對土壓力有影響。距離樁中心6m處，樁體施工以及樁底注漿均對土壓力沒有影響。

c.河道開挖前，樁身彎矩很小，沿深度方向的變化也很小。河道開挖后，樁身彎矩沿深度方向呈現(xiàn)正負(fù)交替變化的趨勢。一般來說，河道開挖面以上的開挖側(cè)樁體受拉，非開挖側(cè)受壓，彎矩表現(xiàn)為正值；然而河道開挖面以下樁體的受力剛好相反，彎矩表現(xiàn)為負(fù)值。因此，鋼管模袋樁的某一深度處存在彎矩為零，即為反彎點(diǎn)。

d.鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)的施工期間，樁周邊地面均表現(xiàn)出不同程度的地表隆起，施工完成以后，地表隆起趨于穩(wěn)定。并且距離越遠(yuǎn)，地表隆起程度越小，說明復(fù)合結(jié)構(gòu)施工對土層變形的影響隨距離增大而逐漸減弱。其次，供水箱涵的水平位移和垂直位移都很小，說明該復(fù)合結(jié)構(gòu)施工和河道開挖對供水箱涵的影響很小。

綜上所述，本工程采用直徑為500mm的主體鋼管模袋樁，在樁頂設(shè)置圈梁，圈梁下方設(shè)置斜拉式模袋樁，具有顯著的錨固作用，形成有效的“立體”受力結(jié)構(gòu)體系，說明本工程的鋼管模袋擠密樁新型復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)安全可靠。對柔性的模袋布體進(jìn)行控制性水泥灌漿，由柔性體轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂泽w，由套裝在鉆孔之內(nèi)的小體積，膨脹擴(kuò)大為大于鉆孔直徑的模袋樁體，能夠滿足承載要求的結(jié)構(gòu)尺寸，可以有效解決在淤泥中建造承載樁體的施工困難等問題。其次，以造孔灌漿形成的模袋樁為載體，對模袋樁底部淤泥進(jìn)行控制性灌漿，形成新成巖體，可以充分發(fā)揮承載樁體及其樁端擴(kuò)大新巖體的聯(lián)合作用。