朱兆榮 秦昌樂 丁鴻程 吳紅剛 張重慶

(1. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730099; 2. 蘭州交通大學(xué),蘭州 730070;3. 中鐵二十局集團(tuán)有限公司,西安 710016)

引言

螺釘樁是一種新型擠土樁,由上部的圓柱形直桿段和下部螺絲形螺紋段組成。 相較于傳統(tǒng)的直桿樁,螺釘樁上部直桿段可以增加樁身受力面積,提高強(qiáng)度;其下部螺紋段可增強(qiáng)與土體的咬合力,提高樁身的承載能力,同時(shí)螺牙增強(qiáng)了樁周土體的側(cè)摩阻力和端承力,另外還具有無振動(dòng)、環(huán)保性好、適用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

目前,國內(nèi)研究主要基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)螺釘樁的承載特性、作用機(jī)理和施工工藝等方面進(jìn)行研究。 李新凱通過理論探索得到螺桿樁的2 種破壞形式,然后對(duì)螺桿樁承載特性進(jìn)行原位試驗(yàn)研究,最后使用ABAQUS 軟件對(duì)螺桿樁單樁和群樁基礎(chǔ)承載特性進(jìn)行研究[1];王曙光通過設(shè)計(jì)螺桿樁和直桿樁的室內(nèi)模型試驗(yàn)得到在荷載作用下2 種樁體發(fā)生破壞形式及兩者的承載機(jī)理和承載力特點(diǎn),并通過工程現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[2];張克輝基于在建某高速鐵路地基工程,研究在松軟土地區(qū)螺桿樁的施工工藝、承載能力及沉降特性[3];萬鵬洲采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)的方式分析富含鹽漬土地區(qū)某鐵路工程螺桿樁施工關(guān)鍵技術(shù)和承載受力特性,總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)施工的工藝方法和采用的重要技術(shù)參數(shù)[4];方崇通過設(shè)計(jì)靜荷載作用下螺桿樁實(shí)驗(yàn),分析螺桿樁在受到豎向荷載作用下的受力傳遞機(jī)制以及螺桿樁的受力破壞特性[5]。

綜上所述,目前的研究主要集中于理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析樁承載力發(fā)揮機(jī)理和極限承載力及受力特性方面。 針對(duì)螺釘樁施工方面研究相對(duì)缺乏,氯鹽-硫酸鹽環(huán)境下螺釘樁施工方面更是罕有介紹。 為了確保螺釘樁成樁質(zhì)量的可靠性,依托包銀鐵路項(xiàng)目,從螺釘樁打樁順序、打樁速率、混凝土配比等施工關(guān)鍵技術(shù)及效果評(píng)價(jià)方面進(jìn)行研究,以更好地指導(dǎo)復(fù)合地基施工,同時(shí)為同類項(xiàng)目施工提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

包銀鐵路作為我國“八縱八橫”高速鐵路主通道之一京蘭通道的重要組成部分,是西北四省區(qū)與京津冀、東北地區(qū)旅客交流的主通道之一。 鐵路銀川至惠農(nóng)段位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市、銀川市境內(nèi),線路北起包蘭鐵路惠農(nóng)站,經(jīng)石嘴山市惠農(nóng)區(qū)、大武口區(qū)、平羅縣,自沙湖景區(qū)西側(cè)約2.6 km 處通過,沿包蘭鐵路東側(cè)南行經(jīng)過賀蘭縣,接入在建銀西高鐵銀川站高速場(chǎng)。

本段地基位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市星海湖東南側(cè),其處理范圍為DK462+511.77 ～DK464+600。 涉及地層主要有第四系全新人工填土、沖擊、粉土、湖積、沼澤地層。 巖性主要有粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂。 地下水埋深一般在0.4～4.4 m,土體含鹽量高,氯鹽環(huán)境作用和硫酸鹽環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)3 和H3,對(duì)混凝土腐蝕性較大,土體性質(zhì)較差。 本段路基1 ～8 股道及旅客站臺(tái)路堤地基均采用?0.4 m、間距2 m、樁頂墊層厚0.6 m、樁長(zhǎng)13～20 m 的螺釘樁復(fù)合地基,螺釘樁結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖1。

圖1 螺釘樁結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1.1 螺釘樁施工工藝及設(shè)備

包銀高鐵路基工程螺釘樁施工采用JZU90 型螺釘樁鉆機(jī),輸送泵采用HBT60 型輸送泵。 根據(jù)螺釘樁現(xiàn)場(chǎng)施工需求,鉆機(jī)、注漿機(jī)能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量要求和施工建設(shè)進(jìn)度需求,螺釘樁施工工藝流程見圖2。

1.2 螺釘樁施工主要過程

(1)施工準(zhǔn)備

施工前,按照施工方案計(jì)劃對(duì)鉆孔進(jìn)行放線,隨后校正鉆機(jī)塔身周邊的垂直標(biāo)桿,使鉆桿位于樁位中心的正上方,使其垂直度偏差在1%以內(nèi),樁位偏差在5 cm 以內(nèi),施工準(zhǔn)備主要過程見圖3。

圖3 施工準(zhǔn)備主要過程

(2)樁身施工

鉆頭鉆至設(shè)計(jì)深度時(shí),進(jìn)行提桿和泵送混合料,形成混凝土螺紋段樁身。 當(dāng)樁身混凝土泵送至樁頂設(shè)計(jì)高程以上20～30 cm 時(shí),對(duì)樁頂以下2.5 m 內(nèi)混凝土進(jìn)行振搗,以保障樁身強(qiáng)度,螺釘樁樁帽采用樁頭前截法工藝,在澆筑完成以后,采取塑料膜覆蓋對(duì)樁身進(jìn)行養(yǎng)護(hù),其施工主要流程見圖4。

圖4 樁身施工主要流程

2 螺桿樁關(guān)鍵施工工藝

2.1 施工順序控制

擠土效應(yīng)作為樁基施工中常遇到的問題,會(huì)導(dǎo)致樁周邊土體的孔隙率、土體重度、黏聚力、飽和程度等發(fā)生改變,造成周邊土體不均勻沉降,影響正常施工計(jì)劃的進(jìn)行。 螺釘樁作為一種異形混凝土樁,需采用帶有自控裝置的旋擠式鉆機(jī),其成樁過程中需進(jìn)行取土,澆筑混凝土樁身及混凝土樁身的凝固過程也會(huì)擠壓土體。 因此,在打樁過程中,需要著重考慮施工對(duì)樁身周的土體產(chǎn)生的擠密作用。

采用圓孔擴(kuò)張理論來計(jì)算擠密區(qū)影響半徑[6-9]。對(duì)周邊土體做如下假定:土體是均勻的彈塑性材料,忽略其自身的自重,采用摩爾庫倫理論進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算見圖5。

圖5 圓孔擴(kuò)張理論假設(shè)示意

土體體積的改變是由彈性區(qū)和塑性區(qū)的體積變化共同決定的,有

式中,Δ為塑性區(qū)平均體積應(yīng)變;up為塑性區(qū)外側(cè)邊界徑向位移;為土體總體積變化;為彈性區(qū)土體體積變化;為塑性區(qū)土體體積變化。

經(jīng)過整理推導(dǎo),影響半徑表達(dá)式為

王興龍等認(rèn)為,在施工中順著打樁方向產(chǎn)生的土體水平位移和豎向位移為逆著打樁方向的3 倍[10],表明施工中土體的位移變化量受打樁順序影響較大。 因此,打樁順序可以在不同程度上控制土體的位移量,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工,最終采用樁間距2 m,正方形布置,由路基一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn),螺釘樁施打順序示意見圖6。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試樁,未出現(xiàn)串孔及樁體擠壓破壞等不良現(xiàn)象。

圖6 螺釘樁施打順序示意

2.2 螺釘樁施工速度控制

打樁速率主要作用是減小土體產(chǎn)生的超孔隙水壓力,從而降低對(duì)土體變形產(chǎn)生影響。 在沉樁過程中,土顆粒受到側(cè)向壓力擠壓,沉樁速率如果過快,土體周邊水不能快速排除,從而造成土體周邊產(chǎn)生過大的壓力,影響正常施工進(jìn)度;若沉樁速率過慢,則在長(zhǎng)時(shí)間的沉樁過程中,樁身周圍土體會(huì)發(fā)生再固結(jié)現(xiàn)象,導(dǎo)致樁的下沉難度加大。 目前在土體理論中計(jì)算超孔壓最常用的是 Henkel 公式[11],其主要的表達(dá)式為

式中,σ0ct為八面體正應(yīng)力增量;τ0ct為八面體剪應(yīng)力增量;β、αf為空間應(yīng)力條件下孔隙水壓力參數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn),打樁時(shí)土體中超孔隙水壓力的消散速度遠(yuǎn)小于其增長(zhǎng)速度,但在施工間隔期,土體的超孔隙水壓力會(huì)發(fā)生回落[12]。 因此,在施工中可以通過控制打樁速率來降低超孔隙水壓力對(duì)土體造成的影響。 因此,在本項(xiàng)目螺釘樁施工中下鉆過程中,根據(jù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)螺釘樁試樁施工記錄情況和樁身質(zhì)量檢測(cè)的結(jié)果,建議鉆進(jìn)速度為2.5 m/min,而灌注和拔管的提升速度在2～2.5 m/min 之間。 此外,電流保持在100 ～130 A的范圍內(nèi)進(jìn)行控制。

2.3 氯鹽-硫酸鹽環(huán)境混凝土配合比控制

研究混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化和壽命縮短是土木工程領(lǐng)域目前關(guān)注的重點(diǎn)問題,其中環(huán)境因素對(duì)混凝土有較大影響[13]。 混凝土受硫酸侵蝕是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程,影響因素可分為內(nèi)部因素和外部因素(見圖7)。

圖7 硫酸侵蝕影響因素分析

硫酸鹽侵蝕主要是硫酸根與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)形成膨脹產(chǎn)物導(dǎo)致混凝土破損剝落[14-15]。 外界硫酸根離子進(jìn)入混凝土后,首先會(huì)和氫氧化鈣反應(yīng)生成石膏,而后與部分鋁相反應(yīng)生成鈣礬石[16]。 其主要反應(yīng)式如下[17]。

鈣礬石具有膨脹性,與孔壁接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力[18],導(dǎo)致混凝土膨脹開裂,從而使混凝土的力學(xué)性能(如強(qiáng)度等)降低。 而氯鹽侵蝕是混凝土結(jié)構(gòu)面臨的一種常見損傷形式,其侵蝕速度受到多種因素的影響。 如氯離子濃度、環(huán)境條件、混凝土質(zhì)量、齡期等,其主要影響因素見圖8。

圖8 受硫酸侵蝕的影響因素

氯鹽侵蝕是導(dǎo)致氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕的主要原因。 氯離子會(huì)擴(kuò)散并在鋼筋表面聚集,導(dǎo)致鋼筋逐漸脫鈍和銹蝕,并減少其截面積,降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和延性[19]。

由此可見,氯鹽-硫酸鹽環(huán)境是影響混凝土耐久性的重要因素之一,需要采取專門的防護(hù)措施來確保混凝土的使用壽命。 為了應(yīng)對(duì)氯鹽-硫酸鹽環(huán)境的侵蝕,混凝土的配合比控制至關(guān)重要。 一般來說,采用高性能混凝土、控制水灰比、使用礦物摻合料等方法可以提高混凝土的抗侵蝕性能,同時(shí)還可以提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

混凝土的密實(shí)度作為評(píng)判混凝土質(zhì)量的重要依據(jù),對(duì)提高樁身混凝土的抗鹽侵蝕能力具有重要作用。在提高混凝土的密實(shí)度的同時(shí),也會(huì)使混凝土的孔隙率下降,從而使侵蝕溶液不易通過孔隙滲透進(jìn)入樁身內(nèi)部,降低其與混凝土反應(yīng)生成的有害產(chǎn)物,從而增強(qiáng)混凝土自身的強(qiáng)度,在氯鹽-硫酸鹽環(huán)境作用下抗開裂能力也就越強(qiáng)。 而混凝土的密實(shí)度又與混凝土自身水灰比有著直接的關(guān)系。

NEHDI 和 HAYEK 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水膠比越大,試件抗硫酸鹽侵蝕能力就越差[20]。 方祥位通過試驗(yàn)得出,水膠比越大,膠砂比越小,則試件在硫酸鹽腐蝕下破壞的速度就越快[21]。 大量實(shí)驗(yàn)研究表明,適當(dāng)降低水膠比或者增大膠砂比可提高混凝土密實(shí)性,從而提高其抗硫酸鹽侵蝕能力。

在螺釘樁混凝土實(shí)際施工中,按照現(xiàn)場(chǎng)施工需求,設(shè)計(jì)了3 種滿足要求的配合比(見表1)。

表1 每立方混凝土拌和物材料用量

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3 種不同混凝土拌和物進(jìn)行性能試驗(yàn),得到結(jié)果見表2。 由表2 可知,通過適當(dāng)調(diào)整水膠比及外加劑,混凝土的含氣率、表觀密度都有顯著提升。 對(duì)2 號(hào)拌和物的耐久性進(jìn)行測(cè)試,得到結(jié)果見表3,其56 d抗硫酸鹽結(jié)晶破壞等級(jí)遠(yuǎn)大于普通規(guī)范要求值。

表2 混凝土拌和物性能結(jié)果

在滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求的前提下,同時(shí)結(jié)合節(jié)約建設(shè)資金的原則,最終采用2 號(hào)配合比。 經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),混凝土泵送性能良好,未出現(xiàn)堵管等質(zhì)量問題,滿足現(xiàn)場(chǎng)螺釘樁澆筑混凝土泵送需求。

3 施工效果及評(píng)價(jià)

3.1 螺釘樁單樁承載力分析

通過對(duì)螺釘樁試樁現(xiàn)場(chǎng)承載力檢測(cè),得到螺釘樁單樁承載力Q-S曲線,同時(shí)結(jié)合檢測(cè)報(bào)告分析得出樁基沉降量和回彈量,見圖9 及表4。

表4 樁基承載力檢測(cè)

由圖9 可知,在加載階段,3 根試樁均呈現(xiàn)緩慢的線性變化趨勢(shì),無明顯陡降;3 根試樁加載到設(shè)計(jì)承載力特征值的2 倍時(shí),其最大累計(jì)沉降量均接近18 mm,最大回彈量平均值也接近在7 mm。 其中,48 號(hào)樁的累計(jì)沉降量和回彈量略低于3 根試樁的平均值。 另外,3 根試樁的承載力特征值大于單樁承載力設(shè)計(jì)值(228.15 kN),且最大累計(jì)沉降均小于允許沉降(40 mm)。 綜合所述,3 根試樁承載力均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求,滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

3.2 螺釘樁復(fù)合地基承載力分析

對(duì)6 根螺釘樁復(fù)合地基進(jìn)行靜載試驗(yàn),加載到設(shè)計(jì)承載力特征值的2 倍,得到其沉降Q-S曲線及沉降回彈量(見圖10)。

圖10 螺釘樁復(fù)合地基承載力Q-S 曲線

由圖10、表5 可知,螺釘樁復(fù)合地基承載力Q-S曲線呈規(guī)則排列,其6 號(hào)樁的累計(jì)沉降量最大值達(dá)到21.5 mm,最小值為18.86 mm,均小于規(guī)定要求值136 mm,最大回彈量在6～8 mm 之間,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)均能達(dá)到《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》的要求,并滿足實(shí)際鐵路中對(duì)復(fù)合地基承載力規(guī)定要求。

表5 復(fù)合樁基承載力檢測(cè)

4 結(jié)論

螺釘樁復(fù)合地基作為近年來興起的一種新型地基,已廣泛應(yīng)用于各實(shí)際工程中。 依托包銀高速鐵路螺釘樁施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論。

(1)擠土效應(yīng)作為螺釘樁的施工過程遇到的主要問題,可以通過調(diào)整打樁順序、打樁速率及混凝土配合比等措施來降低擠土效應(yīng)對(duì)成樁身質(zhì)量的影響。

(2) 采用高性能混凝土、控制水灰比、使用礦物摻合料等方法,可以提高混凝土的抗侵蝕性能,同時(shí)還可以提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性。 通過現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)合質(zhì)量檢測(cè)表明,采用螺釘樁復(fù)合地基處理氯鹽-硫酸鹽環(huán)境土體取得預(yù)期效果,滿足高速鐵路路基沉降變形要求,同時(shí)具有較好的成樁質(zhì)量和單樁承載力。