現澆薄壁筒樁在深厚層軟基處理中的應用

周 坤,葉春林

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

現澆混凝土薄壁筒樁又稱現澆薄壁筒樁,是一種新型剛性復合地基處理技術,具有擠土少、深成樁、高承載力、樁徑不受限制、無泥漿污染等優點。近年來在沿海高等級公路、市政、水利及航運碼頭等軟基加固和基坑支護工程中得到廣泛應用,取得了良好的社會和經濟效益。

1 現澆薄壁筒樁加固臺州站深厚層軟基方案由來

1.1 臺州站原設計情況

1.1.1 場地工程地質及水文地質條件

臺州站地處浙江省臺中市黃巖區林附近,地形平坦開闊,辟為農田、村舍,屬海積平原。表層為第四系全新統黏土,褐黃色,軟塑,厚約 2～3m;下為淤泥,灰色,流塑,有機質含量較高,層厚 10～25m;淤泥質黏土 ,灰色 ,流塑,層厚 5 ～ 10m;下為粉質黏土 ,黃色,硬塑,厚 2～5m;細圓礫土,淺黃色,中密,飽和,層厚 10 m,礫石約占 50%,直徑為 0.2～2 cm;黏土,灰黃色,軟塑,厚 4～10 m;底部為中密狀砂類土或凝灰巖風化層。

第四系孔隙潛水較發育,水位埋深較淺,為 0.5～2.0m,地下水對混凝土無侵蝕性。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB19306)及《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006),本場地抗震設防烈度小于 6度,地震動峰值加速度≤0.05g。

1.1.2 原設計加固措施

甬臺溫鐵路北起浙江省寧波市,南至溫州,線路全長 282.393 km,為設計時速 200 km客貨共線鐵路,是沿海通道的重要組成部分。軟土地基路堤工后沉降控制值:正線為 ΔS≤15 cm,沉降速率 ＜4 cm/年;橋路過渡段 ΔS≤8 cm。采用復合模量計算工后沉降。

臺州站路堤填高 5～6m,正線及站線主要依據軟土厚度和工后沉降的大小分別采用了攪拌樁、CFG樁和預應力管樁加固,樁頂設置 0.5m厚碎石墊層,并夾鋪一層 10 cm厚的高強土工格室。攪拌樁加固深度 8～20 m,樁徑 0.5m,間距 1.3m,三角形布置;CFG樁加固深度 20～28m,樁徑 0.5m,間距 1.8m,正方形布置;預應力管樁加固深度 28～45m,樁徑 0.5m,間距 2.4m,正方形布置。共設計攪拌樁 85 367m/6 313根,CFG樁 173 775m/7 482根,預應力管樁563 625m/14 358根。CFG樁加固地段代表性設計橫斷面見圖1。

圖1 臺州站 CFG樁軟基加固代表性橫斷面(單位:m)

1.2 調整地基加固方案的原因

施工單位于 2006年 9月在 DK147+110附近進行了 3根試樁,設計單樁承載力檢測合格。2006年 10月進行大面積施工,累計成樁 3 034根。同年 12月對4根 CFG樁進行了單樁載荷試驗,發現單樁承載力都只能達到 300 kN左右,沉降量過大,不滿足設計要求,后經小應變無損檢測發現每根樁都存在斷樁現象。2007年 4月進行 5根 CFG樁的鉆探取芯驗證,發現每根樁在 5m左右發生錯斷,且錯位方向基本一致,即與打樁前進的方向相反。

由于臺州站 CFG樁的施工工藝基本一致,初步判定已施工的 3 034根 CFG樁都發生了斷樁現象,不能滿足設計要求,對 CFG樁已施工地段必須進行地基補強加固,而對 CFG樁未施工地段必須進行加固方案的調整。

1.3 各種軟基加固方案的經濟技術比選

目前,加固高標準鐵路(客運專線)深厚層軟土地基的措施不外乎 CFG樁、旋噴樁、預應力管樁、碎石樁、碎石注漿樁、攪拌樁、鉆孔灌注樁等,而 CFG樁在本工點出現斷樁錯位現象。由于受到施工機械、場地條件、技術和經濟等各種因素的影響,結合本工點的實際情況,每種方案都有各自的優缺點,見表1。

表1 軟基加固方案經濟技術比較情況

從表1可以看出,在臺州站這個特定的地質背景和工程背景前提下,采用現澆薄壁筒樁技術加固深厚層軟土具有明顯的綜合優勢。

(1)場地空間條件完全滿足施工機械的走行和作業要求。

(2)現澆薄壁筒樁的有效加固深度完全滿足沉降控制要求,樁體完整性較好。

(3)可結合 CFG樁施工情況布置筒樁樁位,與CFG樁一道形成多元復合地基。

(4)筒樁間距較大,具有一定的經濟優勢。

2 現澆薄壁筒樁在臺州站現場試樁情況

2.1 試樁目的

雖然現澆薄壁筒樁已多次應用于深厚層軟土地基加固和基坑支護工程,但在鐵路工程中尚屬首次,有必要進行現澆薄壁筒樁的試樁試驗,目的是為了明確現澆薄壁筒樁的各項施工工藝,檢驗樁各項設計技術參數,檢測其單樁承載力和樁體完整性,以便指導和完善下步的設計和施工。

2.2 試樁地點及數量

在 CFG樁未施工的 DK147+049.68地段做 3根試樁,進行成樁及檢測試驗,主要做單樁載荷試驗和無損檢測試驗;在 CFG樁已施工的 DK147+066.23處做3根試樁,進行成樁及檢測試驗,主要做單樁多元復合地基承載力試驗和無損檢測試驗。

現澆薄壁筒樁樁長約 26 m,單樁承載力為 900 kN,復合地基承載力為 146.6 kPa。

2.3 試樁點的工程地質概況

表層為第四系全新統黏土,褐黃色,軟塑,厚 2m;下為淤泥,灰色,流塑,有機質含量較高,層厚 14.3m左右;淤泥質黏土,灰色,流塑,層厚 7.2m;粉質黏土,黃色,硬塑,厚 8.1m;下為第四系上更新統圓礫土,淺黃色,中密,飽和,礫石約占 50%,直徑約為 0.2～2 cm,層厚 10m。

2.4 試樁工藝流程

現澆薄壁筒樁的施工工藝流程如下:

放樣→樁尖埋設→樁機就位→振動沉管→澆筑并拔管→樁機移位→樁頭插筋振動搗密→保養→相關檢測。

2.5 質量檢測

依據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106—2003)和《建筑樁基技術規范》(JGJ94—94)以及《鐵路工程基樁無損檢測規程》(TB10218—1999),對達到齡期的筒樁進行相關檢測,各項指標均滿足設計要求。

(1)低應變動力檢測

采用中國武漢巖海公司生產的 RS-1616K(P)基樁檢測儀對 6根樁的樁身混凝土完整性進行了檢測,結果表明 6根樁均為Ⅰ類樁。詳見低應變檢測成果(表2)。

表2 低應變無損檢測成果

(2)基樁靜載試驗

采用慢速分級堆載法對 1號和 6號試樁進行了單樁靜載試驗。單樁承載力設計值為 900 kN,預計最大加載力 1 800 kN,實測加載為 2 340 kN,對應沉降量分別為 37.2mm和 38.75mm(表3)。

采用慢速分級堆載法對 6號試樁進行了單樁多元復合地基載荷試驗,荷載板尺寸為 3.6m×3.6m。設計復合地基承載力為 146.6 kPa,設計荷載為 1 900 kN,預計最大加載 3 800 kN,實測加載 3 800 kN,累計沉降量為 18.69mm。

表3 單樁靜載試驗成果

(3)混凝土試塊強度

由于現澆薄壁筒樁是按照樁網結構或剛性樁復合地基理論加固深厚層軟土地基的,要求樁體混凝土強度等級不小于 C20。為此,按照 C20混凝土強度進行配比,并現場采取部分樁頭混凝土制作了 6組混凝土試塊,其抗壓強度均達到設計強度的 120%以上。

3 臺州站現澆薄壁筒樁的變更設計

(1)DK146+712.5～DK146+955.25和 DK147+011.35～DK 147+137.5 CFG樁未施工地段筒樁間距3.2m,正方形布置。

(2)DK 146+728.7 ～DK146+750.3、DK146+829.5～ DK146+849.3、DK146+863.7 ～ DK146+883.5、DK 146+930.3～DK146+941.1和 DK147+067.1～DK147+135.5CFG樁已施工地段筒樁間距3.6m,正方形布置,見圖2。

圖2 CFG樁已施工地段加固設計橫斷面(單位:m)

(3)筒樁直徑 1.0m,壁厚 0.12m,樁長 21.2～28.5 m,樁底伸入持力層不小于 2m。筒樁單樁承載力不小于 1 142 kN,單樁多元復合地基承載力不小于146.6kPa。

(4)間距 3.6m的筒樁筒內換填 30 cm C15混凝土;間距 3.2m的筒樁樁頂設 C30鋼筋混凝土蓋板,正方形,邊長 1.8m,厚 0.35m,蓋板與樁體采用螺紋鋼筋連接。

(5)樁頂鋪設 0.6 m厚碎石墊層,夾鋪二層土工格柵(T≥110 kN/m)。

4 加固效果

4.1 基樁檢測

根據施工單位自檢和第三方檢測的報告顯示,筒樁混凝土試塊強度及單樁承載力或復合地基承載力均滿足設計要求,所檢測基樁均為Ⅰ類樁。

4.2 路基填筑

自 2007年 2月筒樁施工完并經檢測合格后,立即開展了路堤填筑工作,歷時 6個多月完成路基土石方約 25萬 m3,中心沉降觀測成果詳見圖3。

圖3 DK 146+800路基中心沉降-時間 -荷載曲線

由圖3可見,該段路基采用薄壁筒樁加固后施工期的中心沉降約 40mm。根據雙曲線法預測該段路基工后沉降量約 15mm,滿足沿海鐵路客運專線有砟軌道路基工后沉降標準。

5 結論

(1)現澆薄壁筒樁是在預應力管樁基礎上研發而成的一種新型軟基加固技術,已成功地應用于沿?？瓦\專線鐵路甬臺溫線臺州站的深厚層軟土地基加固和補強工程,與預應力管樁方案相比,節約投資約 40%,取得了良好的社會和經濟效益,具有較高的推廣應用價值。

(2)現澆薄壁筒樁的樁徑一般 0.8～1.5m,壁厚12～18 cm,加固深度可達 32m,適應于非夾層和持力層較好的深厚層軟土地基加固;具有一次成樁、自動排土、施工速度快、節約資源、無污染、承載力高、施工質量易于控制等突出優點。

(3)由于其樁體剛度較大,新建地段宜按剛性樁復合地基或樁基原理進行軟土地基加固設計。

(4)因為現澆薄壁筒樁是一種新型軟基加固技術,在使用時應選擇具有施工經驗的施工單位,根據地層情況進行必要的工藝性成樁試驗。

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