石旭東,張?zhí)?劉 斌,王定順

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

20世紀(jì)70年代末，我國(guó)引入高壓旋噴樁技術(shù)，在軟土地基的加固當(dāng)中，該技術(shù)可以顯著地提高地基承載力.近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力、樁土應(yīng)力比及沉降開(kāi)展了廣泛的研究.賈劍青[1]、宋興海[2]、何杰[3]等依托工程實(shí)際，結(jié)合理論設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬研究了高壓旋噴樁復(fù)合地基的承載力.王向平等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出在不同荷載作用下樁頂應(yīng)力、樁間土應(yīng)力和樁土應(yīng)力比的變化規(guī)律.李小杰[5]以具體工程為背景，對(duì)復(fù)合地基和旋噴樁單樁進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)，繪制相應(yīng)的P-S曲線，對(duì)比分析了高壓旋噴樁復(fù)合地基的承載力及沉降值的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的差異大小.潘華林等[6]采取一系列與高壓旋噴樁相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，研究了高壓旋噴復(fù)合地基的承載特性與強(qiáng)度.

本文以既有中川鐵路幫寬增建高速鐵路為背景，該段采用高壓旋噴樁進(jìn)行地基處理，施工完成后需檢測(cè)高壓旋噴樁的成樁效果及單樁復(fù)合地基承載力，驗(yàn)證施工參數(shù)的合理性，為類(lèi)似工程提供施工參考依據(jù).

1 工程概況

新建中衛(wèi)至蘭州鐵路是我國(guó)“八縱八橫”鐵路網(wǎng)京呼銀蘭通道的重要組成部分，鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，鐵路等級(jí)為客運(yùn)專(zhuān)線，正線數(shù)目為雙線.本文選取了K47+986～K49+181工點(diǎn)為研究對(duì)象，長(zhǎng)1 195 m，以填方形式通過(guò)，路基邊坡最大高度5.10 m，為既有鐵路路基幫寬增建高速鐵路路基工程.各地層土體工程地質(zhì)特征詳述見(jiàn)表1.

該段地基采用高壓旋噴樁加固技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)采用單管法施工.樁長(zhǎng)11～16 m，樁徑0.5 m，樁間距1.4 m，樁平面采用正方形布置，路堤處理寬度內(nèi)側(cè)為距既有線坡腳2 m，外側(cè)處理至既有線樁基范圍邊緣.高壓旋噴樁布置如圖1所示.施工參數(shù)見(jiàn)表2.

2 鉆芯取樣試驗(yàn)

鉆孔取芯檢測(cè)是利用高速液壓鉆機(jī)，在旋噴樁成樁28 d后鉆孔取芯，觀察芯樣的完整性、均勻性以及成樁效果，并對(duì)所取芯樣檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求.

表1 地層工程地質(zhì)特征

圖1 高壓旋噴樁布置

表2 高壓旋噴樁施工參數(shù)

本工點(diǎn)對(duì)高壓旋噴樁進(jìn)行鉆孔取芯檢測(cè)時(shí)，采用X-100型鉆機(jī)、微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在樁徑的1/4處進(jìn)行鉆芯取樣，提鉆、下鉆慢速均勻.所取芯樣經(jīng)初步觀察、分析后及時(shí)送實(shí)驗(yàn)室，對(duì)不同深度芯樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，在所有鉆芯試驗(yàn)中選取10根樁，以表格形式描述每根樁最深處鉆孔取芯結(jié)果見(jiàn)表3，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖2所示.

表3 芯樣測(cè)試結(jié)果

圖2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

樁身完整性描述：水泥土，灰色，芯樣連續(xù)，膠結(jié)均勻；主要呈長(zhǎng)柱狀，部分柱狀～短柱狀；受機(jī)械作用破壞個(gè)別部位呈餅狀，局部破碎，樁身完整、均勻，鉆芯后的孔洞采用水泥砂漿灌注封閉.

檢測(cè)樁長(zhǎng)均大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，表明樁長(zhǎng)滿足設(shè)計(jì)要求.高壓旋噴樁嚴(yán)格按照施工工藝施工時(shí)，樁的強(qiáng)度隨深度逐漸增大，且每一深度所測(cè)強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)要求的3 MPa，樁最深處無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為7.3～11.5 MPa，符合設(shè)計(jì)要求.樁體有效直徑為500～530 mm，不小于設(shè)計(jì)值500 mm.

3 單樁復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所選工點(diǎn)土層分布厚度同表1中地層工程地質(zhì)特征，在高壓旋噴樁成樁28 d齡期后，對(duì)樁頭進(jìn)行切割處理，從而進(jìn)行后續(xù)的高壓旋噴樁單樁復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn).試驗(yàn)采用壓重平臺(tái)反力慢速維持荷載法加載.試驗(yàn)時(shí)采用的荷載板為方形厚鋼板，邊長(zhǎng)為1.4 m，面積1.96 m2，壓板下鋪設(shè)0.02 m厚的粗砂墊層找平.所選樁的周?chē)荚O(shè)4個(gè)土壓力盒并逐一編號(hào)，并讀取初始讀數(shù)f0，土壓力盒為JMZX-50XX系列智能弦式數(shù)碼壓力盒，布置圖如圖3所示.承壓板以樁為中心水平放置在鋪好的墊層上，千斤頂放置于樁的中心位置，安裝時(shí)要求混凝土試塊安裝水平，兩邊比重均衡，使用百分表測(cè)得加載時(shí)的沉降值，上部安裝在水平的橫梁上，底部與承載板接觸，試驗(yàn)前將讀數(shù)調(diào)整為0，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖4所示.

圖3 土壓力盒現(xiàn)場(chǎng)布置

圖4 單樁復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，分7級(jí)施加荷載，第一級(jí)施加荷載為50 MPa，隨后每一級(jí)增加50 MPa，每加一級(jí)荷載均應(yīng)讀取承壓板沉降量1次及土壓力盒讀數(shù)，以后每0.5 h讀記1次，當(dāng)1 h內(nèi)沉降量小于0.1 mm時(shí)，即可施加下一級(jí)荷載，最終施加的荷載大小為310 MPa.

3.2 樁土應(yīng)力比

在單樁復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)中選取3根樁進(jìn)行剛性加載板下的樁頂應(yīng)力、樁間土應(yīng)力及樁土應(yīng)力比測(cè)試與分析，所選樁的樁號(hào)為k47+480.5-5#、k47+458.1-3#、k47+886.9-2#，以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)為1、2、3號(hào)樁，樁長(zhǎng)分別為11.7、14.3、15.0 m.加載時(shí)土壓力盒讀取的頻率值為fi，通過(guò)fi、f0以及標(biāo)定系數(shù)計(jì)算出4個(gè)位置相應(yīng)的樁間土應(yīng)力，運(yùn)用靜力平衡計(jì)算出樁頂應(yīng)力，最終得出樁土應(yīng)力比.

高壓旋噴樁樁頂應(yīng)力、樁間土應(yīng)力、樁土應(yīng)力比隨荷載變化曲線如圖5～7所示.

圖5 樁頂豎向應(yīng)力曲線

圖6 樁間土豎向應(yīng)力曲線

圖7 樁土應(yīng)力比曲線

由圖5～7可以看出：樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力隨荷載的增大逐漸增大，樁頂應(yīng)力的變化更為明顯.隨著荷載的增大，樁頂應(yīng)力不斷增大，且增長(zhǎng)速率較快，樁間土應(yīng)力增長(zhǎng)速率相對(duì)較小.樁土應(yīng)力比在50～200 kPa荷載作用下增長(zhǎng)達(dá)66.01%；250～310 kPa荷載作用下增長(zhǎng)較為緩慢，為12.57%.因所選工點(diǎn)天然地基含水率較大，高壓旋噴樁承受荷載遠(yuǎn)大于樁間土所承受荷載，故而樁土應(yīng)力比較大，3根樁最終樁土應(yīng)力比分別為27.49、27.16、25.42.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試所得復(fù)合地基荷載-沉降曲線如圖8所示.

圖8 單樁復(fù)合地基荷載-沉降曲線

由圖8可知，所加荷載為310 kPa時(shí)，所選樁的沉降量達(dá)到21.94～24.88 mm，荷載-沉降曲線變化較緩，比例界限和極限荷載不明顯，復(fù)合地基承載力未達(dá)到極限狀態(tài).根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)規(guī)定[7]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)計(jì)算繪制的荷載-沉降曲線，本次試驗(yàn)承載力特征值確定方法為：取s/d=0.008(d=1.4 m；s為試驗(yàn)測(cè)得的沉降量)，即單樁復(fù)合地基承載力特征值為s=0.008d=11.2 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值.結(jié)果如表4所示.

表4 單樁復(fù)合地基承載力特征值

由表4可知:通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得的單樁復(fù)合地基承載力特征值為170.34～191.95 kPa，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，加載至310 kPa仍未達(dá)到極限狀態(tài)，因而根據(jù)規(guī)范確定單樁復(fù)合地基承載力為155 kPa，滿足工點(diǎn)施工設(shè)計(jì)要求的高壓旋噴樁處理段復(fù)合地基承載力不小于155 kPa.

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)中高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值fspk計(jì)算式為

(1)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，本文取λ=1；m為面積置換率；β為樁間土的承載力發(fā)揮系數(shù)，本文取β=0.4；Ap為樁的截面積；Ra為單樁復(fù)合地基的豎向承載力特征值，可按式(2)計(jì)算.

(2)

式中：up為樁的周長(zhǎng)；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)中表5.3.5-1的取值，3層土的取值分別為20、21、21 kPa；lpi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取αp=0.4；qp為樁端端阻力的特征值，本文取qp=120 kPa.

通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算可得高壓旋噴樁單樁復(fù)合地基承載力特征值為260.2 kPa，其值明顯大于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得的承載力特征值.其原因在于設(shè)計(jì)要求高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值大于155 kPa，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中施加荷載最大值為310 kPa，并未達(dá)到極限荷載，從而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得復(fù)合地基承載力特征值小于理論計(jì)算值.

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新建中衛(wèi)至蘭州鐵路接入中川城際鐵路區(qū)段既有路基幫寬填筑工點(diǎn)高壓旋噴樁復(fù)合地基的研究，驗(yàn)證了施工參數(shù)的合理性，為高壓旋噴樁的施工提供了參考依據(jù)，并得出以下結(jié)論：

1) 所選工點(diǎn)地基采用高壓旋噴樁處理，通過(guò)鉆孔取芯試驗(yàn)得出高壓旋噴樁樁身完整、均勻；檢測(cè)樁長(zhǎng)均大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，樁徑均大于50 cm，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求的3 MPa.

2) 隨著荷載的增大，樁頂應(yīng)力和樁間土應(yīng)力逐漸增大，荷載施加至310 kPa時(shí)樁土應(yīng)力比為25.42～27.49.

3) 荷載-沉降曲線是平緩的光滑曲線，荷載施加至310 kPa時(shí)樁的沉降量為21.94～24.88 mm，所得單樁復(fù)合地基承載力特征值為170.34～191.95 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求.

4) 理論計(jì)算所得高壓旋噴樁單樁復(fù)合地基承載力特征值為260.2 kPa，大于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得數(shù)值，其原因在于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件限制，所施加的荷載未能使復(fù)合地基充分發(fā)揮承載力作用.