高速鐵路巖溶地區(qū)樁基后壓漿試驗研究

白丁偉,馬建林,李興國,孫衛(wèi)星

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.京沈鐵路客運專線京冀有限公司,北京 100161； 3.中交第三航務(wù)工程局,上海 200940)

隨著我國大型橋梁和超高層建筑的飛速發(fā)展，各種類型的灌注樁使用越來越多，對地基承載力的要求越來越高，單一類型的灌注樁往往不能滿足要求[1-2]。為滿足高標(biāo)準(zhǔn)的承載特性和位移控制，工程上常采用的方式有增加樁身尺寸和樁基后壓漿，而后者能帶來更顯著的經(jīng)濟(jì)效益，有效降低施工難度[3]。

后壓漿理論落后于工程實踐，各規(guī)范上相關(guān)計算并未考慮土層條件及注漿形式的不同，尚未有一個準(zhǔn)確可靠的后壓漿大直徑鉆孔灌注樁承載力理論估算方法[4-5]。通常需要現(xiàn)場試驗來確定相對準(zhǔn)確的承載性能，胡春林等[6-8]結(jié)合72個工地186根靜載試樁，分析表明，在壓漿灰量達(dá)到合理壓漿灰量時，后壓漿灌注樁單樁極限承載力增幅可達(dá)54.67%，郭志業(yè)等[9]通過對幾例鉆孔灌注樁樁底壓漿和地基土水泥壓漿分析后，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)摩阻力提高140%，單樁豎向承載力提高36%～40%，沉降量減少20%～80%，并指出，地層顆粒越粗，承載力提高越大，沉降量減少程度越明顯。

近年來樁基后壓漿技術(shù)在高層建筑及公路橋梁領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而在高速鐵路領(lǐng)域應(yīng)用甚少[10-11]。文獻(xiàn)[12-14]將后壓漿技術(shù)應(yīng)用于京滬高鐵軟土地區(qū)橋梁樁基加固技術(shù)，旨在通過后壓漿技術(shù)縮短軟土地區(qū)高鐵橋梁樁基靜置時間，減小沉降，增強(qiáng)軟土地區(qū)橋梁的整體穩(wěn)定性。在鄭西客運專線渭南車站段，利用后壓漿技術(shù)對黃土地區(qū)橋梁樁基進(jìn)行了加固處理[15]。

順義特大橋是京沈高鐵的控制性工程，其189號、190號墩下為深覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)，項目原設(shè)計樁長79.5 m，樁徑2 m，需穿越大量巖溶地層區(qū)域?，F(xiàn)通過樁基后壓漿、溶洞注漿，實現(xiàn)縮短樁長、避開巖溶地層、降低施工難度的目的。

為掌握在巖溶地區(qū)后壓漿鉆孔灌注樁的承載性能，推廣后壓漿技術(shù)在京沈高鐵建設(shè)中的應(yīng)用，在順義特大橋189號墩附近開展了靜載試驗研究。采用后壓漿技術(shù)后，現(xiàn)189號墩樁基設(shè)計樁長45 m，樁徑1.25 m，190號墩樁基設(shè)計樁長35 m，樁徑1.25 m。

1 靜載試驗概況

1.1 工程地質(zhì)概況

順義特大橋處于北京市東北部沖洪積平原區(qū)，地形較平緩，橋址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系人工堆積層素填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂，第四系上更新統(tǒng)坡洪積層粉土、粉質(zhì)黏土及粗礫土，下伏基巖為白云質(zhì)灰?guī)r。

189號墩處于巖溶發(fā)育區(qū)，且為深覆蓋型巖溶，溶洞高0.4～1.5 m，溶洞無充填～全充填，填充物主要以中細(xì)砂為主，含小礫石。本墩臺鉆孔遇洞率100%，鉆孔線溶率為2.2%～26.1%，按線溶率評價，巖溶發(fā)育程度為中等～強(qiáng)烈。

190號墩位于巖溶發(fā)育區(qū)，且為深覆蓋型巖溶，溶洞高0.2～5.1 m，溶洞無充填～全充填。本墩臺鉆孔遇洞率100%，鉆孔線溶率為12.8%～42.9%，按線溶率評價，巖溶發(fā)育程度為中等～強(qiáng)烈。試驗場地地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 地質(zhì)剖面(單位：m)

1.2 試驗方案

項目對其承載性能的研究采用了錨樁法，如圖2所示。試驗現(xiàn)場布置4根試樁進(jìn)行靜載試驗，S1不作壓漿處理，S2、S3、S4均進(jìn)行樁端樁側(cè)聯(lián)合壓漿。S1、S2加載至極限破壞狀態(tài)，S3、S4分別加載至2倍、4倍設(shè)計荷載(設(shè)計工作荷載為3 600 kN)。其中試樁設(shè)計樁徑均為1.25 m，樁長均為30 m。

圖2 樁基靜載試驗反力裝置立面(單位：cm)

為達(dá)到更好的壓漿效果，樁側(cè)壓漿管均位于砂性土底部。試樁中1號樁側(cè)壓漿管距樁頂13.7 m，2號樁側(cè)距樁頂24.7 m。試樁壓漿情況見表1。

表1 試樁S2-S4壓漿情況

試驗將鋼筋計安裝在樁身主筋上，以測量樁在不同土層中的分層摩阻力。每隔2 m設(shè)置1個測試斷面，每個測試斷面對稱布置2根鋼筋計，每根試樁共設(shè)置16個測試斷面，共布置32個鋼筋計。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 壓漿前后極限承載力分析

圖3為試樁S1(未壓漿)、S2(后壓漿)加載至極限荷載狀態(tài)下的樁頂荷載-樁頂位移曲線。圖4、圖5分別為試樁S1、S2的對數(shù)時間-樁頂位移曲線。根據(jù)圖3、圖4、圖5和上述規(guī)范極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，比較分析壓漿前后樁的極限承載力。

圖3 試樁S1、S2 P-S曲線

圖4 試樁S1 S-lgt曲線

圖5 試樁S2 S-lgt曲線

試驗結(jié)果表明S1實測極限承載力為13 500 kN，S2實測極限承載力為25 000 kN。對于極限承載力，壓漿樁比未壓漿樁提高了85.1%，壓漿樁比未壓漿樁規(guī)范值提高了215%。

基于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2014)的壓漿前后極限承載力，壓漿前極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：Quk=7 932.93 kN；壓漿后極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：Quk=22 318.75 kN。

2.2 樁身軸力分析

(1)圖6為試樁S1在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。25～30 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻相對低；2.5～5.0 m段軸力曲線變化相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻逐漸變高。第13級荷載(11 700 kN)作用下，樁底層軸力開始明顯變大，表明樁頂荷載已經(jīng)傳遞至樁底，樁身側(cè)阻開始向極限狀態(tài)發(fā)揮。對應(yīng)極限加荷值時(13 500 kN)，最大端阻力2 224.5 kN，端阻占總荷載的16.48%，側(cè)摩阻占總荷載的83.52%。

圖6 S1各級荷載下樁身軸力

(2)圖7為試樁S2在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。5～8 m，17～23 m段軸力曲線相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻力逐漸變高，8～17 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻相對較低。在25 000 kN之前端阻力基本呈線性增加；25 000 kN時，端阻力明顯增大，說明樁的側(cè)阻發(fā)揮到極限狀態(tài)。對應(yīng)極限加荷值時(25 000 kN)，最大端阻力3 549.18 kN，端阻占總荷載的14.20%，側(cè)摩阻占總荷載的85.80%。

圖7 S2各級荷載下樁身軸力

圖8 S3各級荷載下樁身軸力

(3)圖8為試樁S3在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。10～20 m段軸力曲線相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻力逐漸變高，0～10 m，20～30 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻相對較低。在最終加荷值(7 500 kN)作用下，發(fā)揮的最大端阻力327.23 kN，端阻占總阻力的4.36%，側(cè)摩阻占總阻力的95.64%，遠(yuǎn)未達(dá)到樁的極限破壞狀態(tài)。

(4)圖9為試樁S4在各級荷載作用下的樁身軸力曲線。12～18 m段軸力曲線相對較緩，表明該段樁身側(cè)阻力逐漸變高，0～12 m段軸力曲線相對較陡，表明該段樁身側(cè)阻力相對較低。在最終加荷值(14 250 kN)作用下，發(fā)揮的最大端阻力1 258.9 kN，端阻占總阻力的8.83%，側(cè)摩阻占總阻力的91.17%，遠(yuǎn)未達(dá)到樁的破壞狀態(tài)。

圖9 S4各級荷載下樁身軸力

各樁軸力曲線可分析得到：對于后壓漿樁，在距樁頂10 m以內(nèi)以及樁端附近，軸力曲線較陡，在距樁頂10 m以下，軸力曲線較緩，而對于未壓漿樁，這一趨勢不如壓漿樁明顯。說明，壓漿效果在距樁頂10 m以下更為明顯，并隨樁頂荷載增加上述趨勢增強(qiáng)。

2.3 樁側(cè)摩阻力分析

在無壓漿樁S1的極限荷載(13 500 kN)和后壓漿加固S2的極限荷載(25 000 kN)作用下，樁側(cè)摩阻力曲線見圖10。在極限荷載作用下，S1、S2實測側(cè)摩阻值均遠(yuǎn)超極限側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值。在黏性土層中實測側(cè)摩阻值S2約為S1的2.2倍，在粉細(xì)砂層中實測側(cè)摩阻值S2約為S1的1.7倍，在中砂層中實測側(cè)摩阻值S2約為S1的2.1倍。此時S1的黏性土極限端阻力為1.81 MPa，S2的黏性土極限端阻力為2.89 MPa。

砂層中的壓漿效果比黏性土更優(yōu)，而中砂的壓漿效果又比粉細(xì)砂更優(yōu)，同樣在砂層中粒徑越大效果越好。

圖10 極限荷載作用下樁側(cè)摩阻力曲線

各土層對應(yīng)的規(guī)范極限側(cè)摩阻力值與實測側(cè)摩阻值見表2、表3。

表2 實測側(cè)摩阻與《建筑樁基規(guī)范》極限側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值對比

表3 實測側(cè)摩阻與鐵路橋涵規(guī)范值對比(S1、S2極限荷載作用下)

2.4 相同沉降條件下樁身內(nèi)力比較

(1)各樁在沉降量為3.5 mm時，各樁測試結(jié)果見表4，樁身軸力見圖11。從樁頂軸力觀察，S2比S1超出50.79%，S3比S1超出19.04%，S4與S1基本持平。

表4 沉降3.5 mm時各樁情況

圖11 各樁樁身軸力(沉降3.5 mm)

(2)各樁在沉降量為7 mm時，各樁測試結(jié)果見表5，樁身軸力見圖12。從樁頂軸力觀察，S2比S1超出40.74%，S4與S1基本持平。

表5 沉降7 mm時各樁情況

圖12 各樁樁身軸力(沉降7 mm)

(3)各樁在沉降量為10 mm時，各樁測試結(jié)果見表6，樁身軸力見圖13。從樁頂軸力觀察，S2比S1超出35.71%，S4比S1超出13.10%

現(xiàn)場壓漿過程中，由于冒漿導(dǎo)致S4樁側(cè)壓漿量明顯不如S2、S3，故在相同沉降量下，樁頂軸力S4僅略大于S1，但小于S2及S3。但從端阻占總阻力百分比觀察，S2、S3、S4的值均明顯小于S1，說明壓漿有利于側(cè)摩阻力的發(fā)揮。另外，隨著沉降量的增大，中砂層摩阻力增大趨勢更為明顯，這與2號樁側(cè)壓漿管設(shè)置在中砂層底部及中砂層實際壓漿效果更佳有關(guān)。

表6 沉降10 mm時各樁情況

圖13 各樁樁身軸力(沉降10 mm)

3 結(jié)論

本項目依托樁基后壓漿技術(shù)在京沈高鐵順義特大橋上的應(yīng)用，通過對4根試驗樁進(jìn)行現(xiàn)場靜載試驗，開展了高速鐵路橋梁樁基后壓漿加固的現(xiàn)場試驗，就試樁極限承載力、樁頂沉降、樁身內(nèi)力等進(jìn)行了試驗研究。通過試驗結(jié)果整理分析，得出主要結(jié)論如下。

(1)樁端、樁側(cè)壓漿樁相比未壓漿樁而言，極限承載力提高了85%，極限側(cè)摩阻在黏性土中提高了120%，在粉細(xì)砂層中提高了70%，在中砂層中提高了110%，極限端阻力在黏性土中提高了60%。

(2)壓漿樁與未壓漿樁在相同軸向荷載作用下，壓漿樁樁頂沉降大幅減少。以未壓漿樁的極限荷載為例，后壓漿加固樁的樁頂沉降僅為無壓漿樁的40%～70%。在相同沉降量下，采用后壓漿工藝的試樁，加載值提高10%～50%，樁端阻力占總阻力的百分比減小30%～50%。

(3)在距樁頂10 m以下，壓漿樁樁側(cè)極限摩阻力明顯增強(qiáng)(相對于未壓漿樁)，且在砂層中極限摩阻力增強(qiáng)比例明顯大于黏土層。

順義特大橋區(qū)域進(jìn)行工程樁注漿時，宜將樁側(cè)壓漿管置于砂層中(靜載試驗顯示粒徑越大效果越佳)。為防止冒漿，壓漿應(yīng)遵循先上后下，先樁側(cè)后樁端的原則。

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