高峰

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 工程概況

京雄城際鐵路固安東站區(qū)間路基DK57+949—DK58+366，DK58+526—DK58+557，DK58+570—DK58+916，DK60+380—DK60+625段原設(shè)計(jì)路基基底主加固區(qū)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固處理。樁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80，管樁類型為PHC?AB?400（95），樁徑0.4 m，正方形布置，樁間距2.2 m，樁長(zhǎng)為22，25，26，27 m。樁頂設(shè)0.4 m 厚C40 鋼筋混凝土樁帽，樁帽間回填碎石并碾壓密實(shí)，其上設(shè)0.5 m 厚碎石墊層，墊層內(nèi)夾鋪一層雙向高強(qiáng)度土工格柵。

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工方法采用錘擊法或者靜壓法?，F(xiàn)場(chǎng)試樁先采用錘擊法施工，在DK58+820 處共計(jì)試樁3 根，總錘數(shù)分別為486，453，384，共計(jì)用時(shí)分別為30，28，25 min，最后1 m 貫入度分別為75，70，63 擊。錘擊法可以成功施工，但是在試樁過程中由于錘擊噪聲、震動(dòng)影響較大，周圍村莊村民多次反映影響其正常生活。為避免擾民，預(yù)應(yīng)力管樁現(xiàn)場(chǎng)施工改用靜壓法。設(shè)備型號(hào)為ZYC700B，設(shè)備質(zhì)量約170 t，配重180 t。

場(chǎng)地土層分布自上而下依次為粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土。設(shè)計(jì)樁頂高程下約1∕3 樁長(zhǎng)處遇到厚層粉砂層，采用靜壓法多次試樁（表1），無法穿透此粉砂層。在樁頭加焊開口式樁尖也難以達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，造成有效樁長(zhǎng)無法達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

表1 壓樁試驗(yàn)結(jié)果

由于現(xiàn)場(chǎng)無法繼續(xù)采用原設(shè)計(jì)方案高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁加固處理路基，經(jīng)多方研究決定變更為螺桿樁，同時(shí)推廣應(yīng)用新的施工工藝，提高施工效率。

螺桿灌注樁是一種新型的變截面異形樁，是在日本的高強(qiáng)度鋼纖維混凝土預(yù)制螺紋樁的基礎(chǔ)上創(chuàng)新而成的［1-2］。它的全稱為半螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混凝土灌注樁，其形狀是上部為圓柱形，下部為螺絲形的組合式新型樁，如圖1［3］。具有承載力高、沉降小、工期短、施工方便、造價(jià)低、無污染、無噪聲等特點(diǎn)［4］。

圖1 螺桿樁

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁直徑為0.4 m，呈正方形布置。樁間距2.2 m，樁長(zhǎng)分別為22，25，26，27 m。將鋼筋混凝土樁帽調(diào)整為可機(jī)械化施工的素混凝土圓臺(tái)形樁帽。本工程單樁實(shí)測(cè)承載力達(dá)到2 100 kN，達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求［5-6］。

2 螺桿樁施工技術(shù)

施工前進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)，確定混凝土配比。選擇具有代表性地段進(jìn)行成樁工藝性試驗(yàn)（不少于3 根），確定各項(xiàng)施工工藝參數(shù)后，進(jìn)行單樁或復(fù)合地基承載力試驗(yàn)，確認(rèn)設(shè)計(jì)參數(shù)。施工工藝流程見圖2。

圖2 螺桿樁施工工藝流程

2.1 施工要點(diǎn)

1）樁位應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)放樣，樁位偏差不得大于50 mm。

2）樁機(jī)就位后調(diào)平并穩(wěn)固，確保成孔垂直度，垂直度偏差不應(yīng)大于1%。

3）下鉆過程中樁機(jī)自控系統(tǒng)嚴(yán)格控制鉆桿下降速度和旋轉(zhuǎn)速度，使二者匹配。要求鉆桿旋轉(zhuǎn)2 周以上下降1個(gè)螺距，鉆至螺桿樁直線段設(shè)計(jì)深度，在土體中形成圓柱狀段。此后鉆桿旋轉(zhuǎn)1 周下降1 個(gè)螺距，鉆至螺桿樁螺紋段設(shè)計(jì)深度，在土體中形成螺紋樁段。

4）鉆頭鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，樁機(jī)反向旋轉(zhuǎn)提升鉆桿，提升過程中自控系統(tǒng)嚴(yán)格控制鉆桿提升速度和旋轉(zhuǎn)速度，保持同步和匹配。與此同時(shí)將制備好的混凝土采用泵送方式迅速填滿由鉆桿旋轉(zhuǎn)提升所產(chǎn)生的螺紋狀空間，提到螺紋部分的頂段設(shè)計(jì)深度時(shí)，螺桿鉆桿直接提升產(chǎn)生柱狀空間，并同時(shí)向鉆桿內(nèi)繼續(xù)泵壓灌注混凝土。對(duì)于螺桿樁復(fù)合地基，根據(jù)承載力的情況本標(biāo)段采用泵壓細(xì)石混凝土。

5）提鉆時(shí)鉆頭達(dá)到樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)停止泵壓混凝土，但應(yīng)考慮灌注余量。待鉆孔中心泵壓混凝土形成樁體后，緩慢提出鉆頭。

2.2 質(zhì)量控制（表2）

表2 螺桿樁施工的允許偏差、檢驗(yàn)數(shù)量及檢驗(yàn)方法

3 數(shù)值模擬

選取的模型尺寸為20 m × 20 m × 40 m。由于樁為截面形式特殊的螺桿樁，因此樁體采用實(shí)體單元，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建樁，樁長(zhǎng)25 m，螺紋段長(zhǎng)20 m，樁徑0.4 m。計(jì)算中固定模型側(cè)面以及底面的法向位移，模型頂面為自由面，模擬地表。

由于樁身剛度比較大，在一般荷載作用下，樁身不會(huì)發(fā)生破壞，樁體仍然處于線彈性階段，因此采用線彈性模型。自然界土體屬于非彈性體并且各向異性，相比樁的本構(gòu)關(guān)系，土體的本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜得多。本次數(shù)值模擬采用Mohr?Coulomb 彈塑性模型及對(duì)應(yīng)的Mohr?Coulomb 屈服準(zhǔn)則。樁土之間的相互作用采用接觸面進(jìn)行模擬，接觸面單元服從庫(kù)侖剪切破壞屈服準(zhǔn)則和拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則。計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 樁土計(jì)算參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)螺桿樁靜載試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行分級(jí)加載，得到樁基荷載-沉降曲線（Q-s曲線），見圖3。

圖3 樁基Q-s曲線對(duì)比

從圖3 可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果整體上吻合較好。與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的Q-s曲線變化規(guī)律一樣，數(shù)值模擬得到的Q-s曲線也呈現(xiàn)出彈性階段、彈塑性階段以及極限階段這3個(gè)階段。

4 螺桿樁的優(yōu)勢(shì)

螺桿樁在固安東站站場(chǎng)路基地基處理工程得到成功應(yīng)用，施工過程中發(fā)現(xiàn)其具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用［7］。

1）豎向承載力高。螺桿樁的螺紋部分使樁土之間的受力方式由傳統(tǒng)的摩擦變?yōu)闃逗蜆吨芡恋南嗷ヒШ希煽走^程中樁側(cè)土體受到擠壓加密，提高了樁側(cè)土體的力學(xué)性能。螺桿樁直桿段表面粗糙度非常高，常常帶有5～10 mm 的淺螺紋，使得單樁的承載力得到進(jìn)一步提高。

2）環(huán)保效果好。桿樁屬于擠土或半擠土樁，成樁過程中不會(huì)造成大量的棄土污染，沒有泥漿污染。施工采用旋轉(zhuǎn)式鉆桿鉆進(jìn)，振動(dòng)和噪聲均較小，對(duì)周邊建筑物的影響也較小，可以夜間施工，極大地縮短了工期。

3）樁身質(zhì)量可靠。樁體與周圍土緊密結(jié)合，不留縫隙，有效解決了樁體變形問題，另外同步泵送混凝土還使得樁底不含沉渣，解決了樁底的虛土問題。勻速提鉆并同步泵送混凝土的施工工藝有效解決了塌孔、縮徑、斷樁等普通灌注樁常出現(xiàn)的問題。

4）施工速度快，綜合費(fèi)用低。在地形變化較小的場(chǎng)地，螺桿樁的施工速度能達(dá)到每2 h 施工完1 根樁，有效縮短了工期，同時(shí)節(jié)約了場(chǎng)地處理費(fèi)及人工費(fèi)用。

5）適用范圍廣。用于一般黏性土、粉土、粉質(zhì)黏土、黃土、回填土、砂性土、碎石土等土層。螺桿樁采用旋入式螺旋鉆機(jī)施工，即使遇到一些強(qiáng)度較高的土層和巖石地層也具有很好的成樁能力，因此也可用于高強(qiáng)度高黏度的黏土層、密實(shí)砂層、全風(fēng)化巖以及強(qiáng)風(fēng)化巖等巖層，同時(shí)螺桿樁在軟硬交替土層中也有較好的適應(yīng)性。螺桿樁的使用不受地下水的限制［8-9］。

5 結(jié)語

螺桿樁施工過程中不取土，對(duì)樁間土有明顯的擠密效果。通過對(duì)天然地基的擠密，降低了地基土的壓縮性，從而提高了天然地基的承載力，減小了地基的沉降，具有施工快、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

京雄城際鐵路四標(biāo)站場(chǎng)路基工程地基處理改為螺桿樁后，提高了施工效率。單樁承載力達(dá)到2 100 kN，樁長(zhǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，施工無噪聲，滿足了地基處理加固的各項(xiàng)要求。