姚建平 耿琳 魏少偉 戴斌 李卿晨

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；3.北京榮創(chuàng)巖土工程股份有限公司，北京 100085；4.浙江大學(xué)建工學(xué)院，杭州 310058

地基處理工程中不可避免會遇到淤泥質(zhì)黏土、卵礫石、密實砂等復(fù)雜地層［1-2］。常用地基處理方法對復(fù)雜地層進行處理時會存在一定的不足，主要表現(xiàn)為土層適應(yīng)能力差，在遇到硬殼層、密實的砂卵石地層或大直徑卵石層時，鉆進困難或無法鉆進，導(dǎo)致成樁困難［3-4］。在軟土地基中，應(yīng)用較多的是水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力管樁。水泥攪拌樁施工質(zhì)量受設(shè)備和工藝的影響較大，施工過程可控性差。預(yù)應(yīng)力管樁目前多采用錘擊或靜壓成樁的方式成樁，為全擠土樁，擠土效應(yīng)明顯，但遇到局部的砂層、圓礫、卵石等土質(zhì)層時施工困難，錘擊法打入，施工噪聲大，而且施工時地層振動力大，對周圍已建建筑物影響較大，尤其在既有線附近施工時影響更大［5-6］。

近幾年來，針對復(fù)雜地層地基處理發(fā)展的一個典型趨勢是在既有樁型基礎(chǔ)上發(fā)展新樁型及其施工工藝，特別是將多種施工方法進行綜合使用，形成極富特色的復(fù)合預(yù)制樁。其中一些水泥土復(fù)合預(yù)制樁已得到較為廣泛的應(yīng)用，例如潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁。該樁型成樁質(zhì)量好，施工簡便快捷，能夠有效縮短工期，消耗能量大幅降低，對場地幾乎不產(chǎn)生污染，并已取得了較為成熟的經(jīng)驗以及可靠的設(shè)計、施工、監(jiān)測與檢測方法。

浙江省一大橋接線工程中傍山路段具有明顯的復(fù)雜地層特征，上層分布承載力較低的淤泥質(zhì)黏土；下層分布高強度的礫石和巖石。原設(shè)計方案采用預(yù)應(yīng)力管樁進行處理，傳統(tǒng)施工工藝無法將樁打穿巖石至持力層，因此只對上層軟土部分進行地基加固。預(yù)應(yīng)力管樁處理后，該路段出現(xiàn)滑移失穩(wěn)、路面開裂等現(xiàn)象。針對該問題采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁對斜坡軟土路堤地基進行加固處理，并通過PLAXIS軟件進行計算，對比分析加固前后路基變形及樁基受力情況，從而為潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁的設(shè)計提供建議，并供施工參考。

1 潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁工藝

潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁是采用潛孔沖擊高壓旋噴工藝在密實砂土、卵石、碎石等地層中施工旋噴水泥土攪拌外樁，在完成好的水泥土樁中心處打入預(yù)制管樁，從而形成潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁。如圖1所示，潛孔沖擊高壓旋噴工藝是利用潛孔錘沖擊器進行鉆進，同時沖擊器側(cè)面的噴嘴可噴射高壓水射流切割土體，到達預(yù)定深度后，提升鉆桿，噴嘴噴射高壓水泥漿，對鉆桿四周的土體進行二次切割和攪拌，加上潛孔錘釋放的垂直高壓氣流所產(chǎn)生的翻攪和擠壓作用，使已成懸浮狀態(tài)的土體顆粒與高壓水泥漿充分混合，形成直徑較大、混合均勻、強度較高的水泥土樁［7］。潛孔沖擊高壓旋噴工藝可解決在深厚塊石填土、巖溶等復(fù)雜堅硬地層中成樁困難的問題，并且成樁質(zhì)量好，工效高，造價低。浙江省一項目在拋填石地層中采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁，順利成孔且樁身垂直度偏差小，成樁質(zhì)量好，承載力高，沉降?。?］。

圖1 潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁施工

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)條件

本文所依托工程地處浙江省東南沿海區(qū)域，全長54.5 km，穿越海積平原、沖海積平原區(qū)，特殊性巖土為軟土，在平原區(qū)軟土厚度為10～30 m，山前平原及傍山路段的軟土縱橫向厚度變化較大，厚度為1.3～22.8 m。軟土的巖性為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，分布于場地上部，特點是壓縮性高、含水率高、孔隙比大、強度低、固結(jié)緩慢等，地質(zhì)條件較差。

2.2 軟土地基處理原設(shè)計方案

該工程斷面采用預(yù)應(yīng)力管樁進行地基加固處理，如圖2所示。路堤頂面寬26 m，邊坡坡率1∶1.5，中性線填高7.0 m。在路堤荷載范圍內(nèi)的軟土采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基進行處理，預(yù)應(yīng)力管樁樁長8.0 m，樁徑0.4 m，壁厚不小于60 mm，平面布置成樁距2.0 m的正方形。

圖2 軟土地基處理典型斷面

3 復(fù)雜地層路段分析

數(shù)值模擬共有兩種方案：①采用預(yù)應(yīng)力管樁處理的原設(shè)計方案；②采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后的變更設(shè)計方案。

3.1 有限元模型建立

1）模型概況

采用PLAXIS建立路堤邊坡滑動模型，如圖3所示。模型的長、寬、高分別為110.0、5.0、23.9 m。包含4層土，分別為①1粉質(zhì)黏土（厚1.2 m）、②2淤泥（厚8.5 m）、⑥8含黏性土角礫（厚3.0 m）、⑩8中風(fēng)化凝灰?guī)r（厚11.2 m）。路堤填土以及土層均采用HSS本構(gòu)模型模擬。模型底部各方向位移均為0，模型側(cè)面限制水平位移。地表為排水面，其余邊界均為不排水邊界。樁基平面布置如圖4所示。

圖3 有限元整體模型

圖4 兩種方案樁基平面布置

2）模型參數(shù)

依據(jù)地勘資料，斷面中土體材料參數(shù)見表1。預(yù)應(yīng)力管樁采用嵌入式排梁模擬，彈性模量為36 GPa。潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁采用實體樁進行模擬，結(jié)合JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和地勘資料選定復(fù)合樁參數(shù)，樁長20 m，水泥土樁直徑1.0 m，管樁直徑0.6 m，樁間距3.0 m。

表1 土體材料參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 地基承載力

兩種方案下斷面的水平位移見圖5。可知：①采用原設(shè)計方案時，地基的水平位移主要分布在上部的軟土層范圍內(nèi)，水平位移的最大正值和最大負值分別集中于路堤右下方坡腳和左下方坡腳，最大值位于左下方坡腳，路堤和地基水平位移呈現(xiàn)不均勻性，左下坡腳出現(xiàn)了土體拱起現(xiàn)象。②采用變更設(shè)計方案后，地基水平位移的最大正值和最大負值仍然分別集中于路堤右下方坡腳和左下方坡腳，但最大值顯著減小且位于右側(cè)坡腳。這是由于路堤左側(cè)采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁進行加固處理后，增加了上部軟土層的整體強度，因此有效抑制了地基上部土體的水平位移。

圖5 兩種方案下的地基水平位移

在路堤左側(cè)坡腳，地表以下水平位移隨樁身深度的變化見圖6?？芍核轿灰浦饕植荚谏喜寇浲翆觾?nèi)，下部巖石層幾乎無水平位移產(chǎn)生。原設(shè)計方案、變更設(shè)計方案在路堤左側(cè)坡腳處地表最大水平位移分別為226.82、119.14 mm。相比原設(shè)計方案，采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁后水平位移減少47.4%，說明復(fù)合樁有效約束了周圍土體的水平位移。

圖6 路堤左側(cè)坡腳處地基沿深度水平位移變化曲線

兩種方案下斷面的豎向位移見圖7。可知：沉降主要分布在路堤上，在地基內(nèi)土體分布較少。在采用原設(shè)計方案后，最大位移位于左路堤頂面上，向左坡腳方向集中，并且逐漸向下擴散至軟土層。在進行潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，由于樁體打穿軟土層，加快上部軟土層的孔壓消散，增大下部樁體的承載力，路堤左右幅的沉降均有不同程度減小，且路基左幅沉降減小更為顯著，因此沉降主要集中分布在右路堤。這是由于對地基左幅進行潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，復(fù)合樁樁體承擔了部分路堤上部荷載并傳遞至持力層，從而減少了作用于上部軟土層的荷載，因此左路堤沉降明顯減??；而右幅由于軟土層厚度較小，管樁打穿至軟土層底部，未采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁對其進行加固，因此右路堤的沉降分布較為集中。

圖7 兩種方案下的地基豎向位移

路堤橫截面表面的沉降分布曲線見圖8?？芍翰捎迷O(shè)計方案時，路堤左側(cè)沉降較大，最大值為280.8 mm，沉降沿右側(cè)方向逐漸減小。采用變更設(shè)計方案后，路堤右側(cè)沉降較大，最大值為230.4 mm，沉降沿左側(cè)方向逐漸減小。對比兩種方案可以看出，采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后豎向位移的最大值減少18.4%，路堤左右兩側(cè)的表面沉降均有不同程度減小且減小幅值沿路堤左側(cè)表面至右側(cè)表面逐漸降低。

圖8 兩種方案下路堤橫截面表面的沉降變化

對于不同方案，路堤邊坡角樁的受力也不同。路堤左側(cè)坡腳處角樁樁身軸力曲線見圖9?？芍狠S力隨樁長增加整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這主要是由于地基軟土層上部樁土的沉降差較大，導(dǎo)致樁身上部出現(xiàn)負摩阻力，軸力隨之增大；隨著樁基向下延伸，樁土沉降差逐漸減小并趨于穩(wěn)定，因此負摩阻力減少，正摩阻力增加，軸力隨之減小。采用原設(shè)計方案時，角樁軸力較大，最大軸力為248 kN，路堤穩(wěn)定性較差，在左側(cè)路堤出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，在樁長范圍內(nèi)角樁軸力比原設(shè)計方案小，其中最大軸力為104 kN，減小了58%，并且角樁軸力沿樁身向下逐漸減小，趨近于0。對比兩種方案還可以看出，原方案和變更設(shè)計方案的軸力增大和減小的樁長界限值差異較大，分別在4 m和1 m左右，這是由于采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，地基軟土層上部樁土的沉降差減小，因此界限值減小。

圖9 兩種方案下路堤左側(cè)坡腳處角樁樁身軸力

左側(cè)邊坡角樁的樁身彎矩見圖10?？芍簝煞N方案下樁身的彎矩都呈現(xiàn)上下小、中間大的單向凸起形狀，在第二層軟土層中呈現(xiàn)最大值。原設(shè)計方案和變更設(shè)計方案的角樁最大彎矩分別為85、51 kN?m，相比原方案，復(fù)合樁加固后角樁彎矩減小40%。這是由于采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，軟土層中土體水平位移減小，角樁的受力狀態(tài)得到改善。

圖10 兩種方案下左側(cè)邊坡角樁樁身彎矩

3.2.2 路堤穩(wěn)定性

兩種方案下邊坡的潛在滑動面見圖11?？芍翰捎迷O(shè)計方案時，路堤左側(cè)邊坡出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，這主要是由于左側(cè)軟土層厚度較大，管樁未打穿軟土層，在路堤填土的附加應(yīng)力作用下，樁底易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，造成左側(cè)邊坡滑塌。在采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固后，左側(cè)邊坡變形大幅減小，變形主要集中在路堤右側(cè)邊坡，而右側(cè)軟土層較薄，管樁打穿至軟土層底部，提高了土體承載力，因此右側(cè)邊坡未出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。整體來看，變更設(shè)計后路堤左側(cè)的持力層進一步分擔了部分路堤荷載，因此路堤和軟土層上部的變形量得到了很好控制，路堤邊坡更穩(wěn)定。

圖11 兩種方案下邊坡的潛在滑動面

4 結(jié)論與建議

1）相比于原設(shè)計方案，采用潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁加固能有效約束周圍土體的變形，分擔上部路堤荷載，減輕預(yù)應(yīng)力管樁的內(nèi)力，從而確保路堤邊坡的穩(wěn)定性。

2）在復(fù)雜地層地區(qū)，普通樁基因施工工藝等問題難以打穿巖石至持力層，而潛孔沖擊高壓旋噴工藝不僅解決了施工難的問題，并且成樁質(zhì)量高，加固效果好。

3）在進行潛孔沖擊水泥土復(fù)合預(yù)制樁布樁設(shè)計時，由于復(fù)合樁樁徑較大，應(yīng)結(jié)合相關(guān)規(guī)范確定合理的樁間距，當樁間距過大時，可采用樁板結(jié)構(gòu)或者增加連梁來分擔上部路堤荷載。

4）對于不均勻軟土分布，應(yīng)結(jié)合勘察資料擬定各路段的處理方案。在不利路段，樁基應(yīng)盡可能打穿軟土層，減小路堤填高，提高上部結(jié)構(gòu)整體安全性。