陳芳平 馬 康

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

公路路基邊坡受地形地質(zhì)條件限制，部分斜坡填方采用路肩墻、路堤墻支擋防護(hù)。相對(duì)于填方路基邊坡，擋墻支擋可節(jié)約土地資源，增加斜坡填方的穩(wěn)定性，在公路工程尤其是山區(qū)高速公路中廣泛應(yīng)用。擋土墻承載力要求隨著擋墻、填土高度的增加而加大，如何有效地解決擋墻圬工量的經(jīng)濟(jì)合理與承載力的安全可靠是工程中需要考慮的問(wèn)題。工程中一般采用擋墻基底換填、擴(kuò)大基礎(chǔ)，以及樁基處理，以提高地基承載力，采用擴(kuò)大擋墻基礎(chǔ)會(huì)增大擋墻圬工量，增加擋墻自身重度，對(duì)減小基底壓力效果不明顯，且對(duì)于較陡地形路段，基底基坑開(kāi)挖過(guò)大，產(chǎn)生的臨時(shí)邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。相對(duì)而言，鋼管樁基礎(chǔ)及抗滑樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)既能滿足擋墻承載力要求，又能在優(yōu)化擋墻圬工量的同時(shí)增加擋墻的抗滑移、抗傾覆及場(chǎng)區(qū)的整體穩(wěn)定性。

本文擬研究一種綜合的鋼管樁群樁處理?yè)鯄A(chǔ)地基承載力計(jì)算方法，并從工程實(shí)例中驗(yàn)證該方法的可靠性，以為類似工程提供計(jì)算分析依據(jù)及防護(hù)處置措施建議。

1 計(jì)算模型

1.1 鋼管樁單樁極限承載力

當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)[1]，可按式(1)計(jì)算。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp

(1)

圖1 隔板分割n取值

1.2 單樁豎向承載力特征值

單樁豎向承載力特征值Ra應(yīng)按式(2)確定[1]。

(2)

式中：K為安全系數(shù)，取K=2。

非液化土中低承臺(tái)樁基的抗震驗(yàn)算，應(yīng)符合下列規(guī)定。

1)單樁的豎向和水平向抗震承載力特征值，可均比非抗震設(shè)計(jì)時(shí)提高25%。

2)地面下存在飽和砂土和飽和粉土?xí)r，除6度外，應(yīng)進(jìn)行液化判別；存在液化土層的地基，應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、地基的液化等級(jí)，結(jié)合具體情況采取相應(yīng)的措施。

1.3 考慮承臺(tái)效應(yīng)的復(fù)核基樁豎向承載力特征值

摩擦型樁基，由于樁土相對(duì)位移，樁間土對(duì)承臺(tái)產(chǎn)生一定的豎向抗力，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》要求，對(duì)上部結(jié)構(gòu)整體剛度較好、體型簡(jiǎn)單的建(構(gòu))筑物的摩擦型樁基，宜考慮承臺(tái)效應(yīng)，確定復(fù)合基樁的豎向承載力特征值?？紤]承臺(tái)效應(yīng)的復(fù)核基樁豎向承載力特征值可按式(3)、(4)確定。

不考慮地震作用時(shí)

R=Ra+ηcfakAc

(3)

考慮地震作用時(shí)

(4)

式中：Ac為計(jì)算基樁所對(duì)應(yīng)的承臺(tái)底凈面積，Ac=(A-nAps)/n；ηc為承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)；fak為承臺(tái)下1/2承臺(tái)寬度且不超過(guò)5 m深度范圍內(nèi)各土層的地基承載力特征值按厚度加權(quán)的平均值；A為承臺(tái)計(jì)算域面積，對(duì)于柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，A為承臺(tái)總面積，對(duì)于樁筏基礎(chǔ)，A為柱、墻筏板的1/2跨距和懸臂邊2.5倍筏板厚度所圍成的面積；樁集中布置于單片墻下的樁筏基礎(chǔ)，取墻兩邊各1/2跨距圍成的面積，按條形承臺(tái)計(jì)算ηc；ζa為地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)，主要考慮地基土在地震有限次循環(huán)動(dòng)力作用下強(qiáng)度有一定的提高，且在地震作用下結(jié)構(gòu)可靠度容許有一定程度的降低，從而考慮地基承載力調(diào)整[2]，結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》按表1采用。

表1 地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)

一般試驗(yàn)表明，現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)?zāi)茌^準(zhǔn)確地得到試驗(yàn)樁的承載力[3]，但試驗(yàn)樁數(shù)量較少，且試驗(yàn)工況不可能完全與施工后樁基的工作狀態(tài)完全一致，故存在一定差異性[4]。目前仍以試驗(yàn)為主，規(guī)范推薦的物理力學(xué)指標(biāo)計(jì)算綜合判定。單樁承載力特征值在考慮承臺(tái)效應(yīng)后仍以極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值/安全系數(shù)計(jì)算確定[5-6]。

2 工程實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)地質(zhì)概況

參照施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告，提取場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況如下。

殘坡積層(Qel+dl)碎石土：褐黃、灰色，碎石成份主要為砂巖、泥巖，粒徑1～15 cm，含量約60%，其余充填粉質(zhì)黏土，稍密狀，濕。場(chǎng)區(qū)大部均有分布，區(qū)內(nèi)總體厚度在0.0～4 m之間，鉆探揭露厚度1.2～3.1 m。

強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖：紫紅、黃褐色，薄～中厚層狀，層間夾薄層砂巖，砂巖厚2～5 cm，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖質(zhì)軟，巖芯呈砂狀、塊狀，鉆探揭露厚度3.3～7.9 m。

中風(fēng)化泥巖夾砂巖：紫紅色，薄～中厚層狀，層間夾薄層砂巖，砂巖厚2～5 cm，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎～較完整，巖質(zhì)軟，巖芯呈砂狀、塊狀、柱狀。巖芯照片及鉆孔柱狀圖見(jiàn)圖2，典型地質(zhì)橫斷面圖見(jiàn)圖3。

圖2 K91+300鉆孔BZK5巖芯照片及鉆孔柱狀圖示意

圖3 K91+300工程地質(zhì)橫斷面圖(高程單位：m)

根據(jù)場(chǎng)區(qū)巖樣試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》綜合考慮，相關(guān)巖土參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 邊坡巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.2 設(shè)計(jì)方案對(duì)比

本項(xiàng)目位于7度(0.15g)抗震設(shè)防區(qū)，該段路基沿山腰布線，屬于斜坡填方或半填半挖路基，左側(cè)山腳為山間河流，常年有水，為增加路基整體穩(wěn)定，減小占地，設(shè)計(jì)采用路肩墻支擋防護(hù)，擋墻高3～12 m，12 m高擋墻地基承載力要求350 kPa。經(jīng)計(jì)算擋墻基底中心的彎矩荷載標(biāo)準(zhǔn)值為445.8 kN·m/m，軸力為1 478.08 kN/m，剪力為266.77 kN/m，基底平均壓應(yīng)力為350.06 kPa，最大壓應(yīng)力為500.10 kPa，軸力的最大偏心率e=0.071 m<[e]=0.25 m。

由于強(qiáng)風(fēng)化層厚，承載力210 kPa,經(jīng)計(jì)算對(duì)比分析，采用碎石墊層換填時(shí)，規(guī)范要求墊層厚度不宜超過(guò)3 m，設(shè)計(jì)按3 m計(jì)算墊層底壓力如下。

19×1+20×3=266.2 kPa

結(jié)果大于強(qiáng)風(fēng)化層承載力210 kPa，不滿足設(shè)計(jì)要求。其中3.98 m為擋墻基底寬度，埋深按1 m計(jì)，覆蓋層重度19 kN/m3，墊層厚3 m，重度為20 kN/m3。設(shè)計(jì)采用4排直徑108 mm鋼管樁注漿加固，鋼管樁長(zhǎng)9 m，正方形布置，樁距1 m，樁頂采用鋼筋混凝土承臺(tái)連接，橫斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 12 m高擋墻設(shè)計(jì)橫斷面圖(單位：高程，m；尺寸，cm)

結(jié)合基礎(chǔ)資料參數(shù)，按式(1)計(jì)算單樁的極限承載力，考慮強(qiáng)風(fēng)化層鋼管樁長(zhǎng)5 m，中風(fēng)化層鋼管樁長(zhǎng)4 m。

Quk=u∑qsikli+λpqpkAp=375.37 kN

考慮承臺(tái)效應(yīng)的復(fù)核基樁豎向承載力特征值R=417.85 kPa。結(jié)合本項(xiàng)目施工圖預(yù)算單價(jià)，長(zhǎng)10 m擋墻基底鋼管樁費(fèi)用約4×9×9×254.5=82 449.6元。其中254.5為每米鋼管樁綜合單價(jià)。

當(dāng)采用抗滑樁樁基設(shè)計(jì)時(shí)，每10 m設(shè)2根圓形抗滑樁，按樁徑2 m，承臺(tái)寬5 m、高1 m設(shè)計(jì)。結(jié)合《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，假設(shè)樁入中風(fēng)化層長(zhǎng)為L(zhǎng)，嵌巖樁承載力計(jì)算如下

Ra=c1Apfrk+u∑c2iLfrki+0.5ζsu∑liqik≥

350.06×3.98×10+1×5×10×25=15 182.4 kN

中風(fēng)化砂泥巖，較破碎，樁端發(fā)揮系數(shù)c1取0.5×0.8×0.75=0.3，嵌巖段側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)c2取0.04×0.8×0.75=0.024，計(jì)算分析抗滑樁進(jìn)入中風(fēng)化層深度L≥3.8 m，取總樁長(zhǎng)為5+4=9 m計(jì)。則每10 m樁基費(fèi)用估算約3.14×12×9×2×1 242.4+1×5×10×595.1=99 975.5元，較鋼管樁費(fèi)用增加約21.3%。

2.3 試驗(yàn)樁載荷試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用與原設(shè)計(jì)同等參數(shù)的鋼管樁進(jìn)行試驗(yàn)，鋼管樁采用Q235鋼，外徑108 mm、厚6 mm，鉆孔直徑為130 mm常規(guī)鉆孔。

鋼管樁水灰比采用1∶1。水泥為符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。注漿壓力初步采用0.3 MPa,注漿材料選用水泥、粉煤灰混合液,粉煤灰采用二級(jí)；水泥粉煤灰質(zhì)量比為1∶1。注漿處理時(shí)采用分層分段注漿，注漿時(shí)采用純壓注漿的方式，自下而上進(jìn)行,速率為8～15 L/min,注漿前必須先用水沖洗或鼓風(fēng)吹出進(jìn)入花管中的砂土，然后再注漿。

試驗(yàn)對(duì)12 m高擋墻基底鋼管樁進(jìn)行隨機(jī)抽樣試驗(yàn)，試驗(yàn)樁3根，分別編號(hào)為P1、P2、P3，進(jìn)行載荷試驗(yàn)。

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，加載時(shí)荷載分級(jí)逐級(jí)等量加載，分級(jí)荷載一般取預(yù)估極限荷載的1/10，第一級(jí)加載量可取分級(jí)荷載的2倍；卸載時(shí)分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量宜取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍，逐級(jí)等量卸載，每級(jí)荷載在維持過(guò)程中的變化幅度不得超過(guò)分級(jí)荷載的±10%。

本項(xiàng)目結(jié)合規(guī)范要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)樁單樁豎向抗壓承載力繪制豎向荷載-沉降(p-s)曲線、沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)(s-lgt)曲線及沉降-荷載對(duì)數(shù)(s-lgp)曲線。對(duì)于陡降型p-s曲線，取發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載作為極限荷載，或者根據(jù)沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線取曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載作為極限荷載；對(duì)于緩變型p-s曲線，取最大加載荷載或者沉降s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，各樁的載荷試驗(yàn)成果見(jiàn)表4～表6，圖5～圖7。

表4 P1樁載荷試驗(yàn)成果(壓板面積：0.28 m2)

表5 P2樁載荷試驗(yàn)成果(壓板面積：0.28 m2)

表6 P3樁載荷試驗(yàn)成果(壓板面積：0.28 m2)

圖5 P1樁平板載荷試驗(yàn)成果圖

圖6 P2樁平板載荷試驗(yàn)成果圖

圖7 P3樁平板載荷試驗(yàn)成果圖

根據(jù)表4～6及圖5～7，各試驗(yàn)樁未見(jiàn)明顯比例界限荷載，3根樁s-lgp曲線均出現(xiàn)明顯陡降型破壞，在最后一級(jí)荷載下，24 h沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定，采用其前一級(jí)荷載作為極限荷載。P1樁、P2樁極限抗壓承載力為450 kPa，P3樁極限抗壓承載力為400 kPa，均較計(jì)算承載力極限值375 kPa高。按試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算復(fù)核基樁豎向承載力特征值為433.25～464.5 kPa。

3 結(jié)論

1)鋼管樁注漿加固地基可極大地提高地基承載力，采用承臺(tái)連接后對(duì)擋墻的承載力提高效果較明顯，較混凝土抗滑樁基礎(chǔ)節(jié)約一定的工程造價(jià)。

2)鋼管樁樁端承載力較低，同一地層中樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁端承載力占比越小。且樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁側(cè)阻力越能發(fā)揮作用，從而樁端阻力發(fā)揮越小，相關(guān)試驗(yàn)研究表明，9 m鋼管樁長(zhǎng)樁端阻力實(shí)際僅為樁側(cè)阻力的2%左右，與計(jì)算的7.8%存在一定的差異，按摩擦型樁基考慮有利于工程安全。

3)承載力試驗(yàn)檢測(cè)表明，鋼管樁實(shí)際單樁極限承載力較計(jì)算值偏大，主要是因?yàn)殂@孔樁注漿直徑較鋼管樁計(jì)算值0.108 m大，樁端面積大，承載力略有提高，按規(guī)范計(jì)算偏安全。

4)注漿可提高樁周土性能，也能提高鋼管樁的承載力；注漿壓力越大，土體孔隙比越大，注漿效果也越理想，承載力提高效果較明顯。

5)鋼管樁較短時(shí)，樁端阻力對(duì)承載力提高效果較明顯，工程中可采用擴(kuò)樁基礎(chǔ)、加大鉆孔直徑及提高注漿強(qiáng)度提高鋼管樁極限承載力。

6)鋼管樁載荷試驗(yàn)破壞時(shí)，p-s曲線呈陡降型，主要為軟質(zhì)巖鋼管樁整體破壞，建議對(duì)飽和抗壓強(qiáng)度較低的地基進(jìn)行鋼管樁處置時(shí)，樁端采用焊接鋼片處置以提高鋼管樁受力性能。