微型鋼管-旋噴復合樁在軟土區的試驗研究

吳越琛 王進明

(浙江省巖土基礎公司，浙江寧波 315000)

0 引言

隨著公路、鐵路、碼頭、軌道交通等交通設施及大型工用民用設施的大量興建，軟土地質條件下建筑物的沉降變形和承載力要求越來越高，建筑物地基加固成為工程界關心的重點與難點。

微型鋼管樁的概念是19世紀50年代由意大利的Lizzi[1]提出，并被Fondedile[2]公司首先開發利用，從1930年開始，歐洲不僅在橋墩，還在高層建筑物、構筑物上都增加了鋼管樁的使用。日本在19世紀50年代中期開始使用微型鋼管樁[3]，目前鋼管樁和微型鋼管樁已構成日本鋼樁的主體，其用途也逐漸多樣化。黃 濤[4]肯定了微型鋼管樁在地基加固中的作用，介紹了微型鋼管樁的施工工藝、應用范圍以及承載力計算方法。方家強[5]在對某沿海地區軟土地區建筑物基礎加固時，采用微型鋼管樁控制其沉降，現場對3根微型鋼管樁進行單樁豎向抗壓靜荷載試驗，對加固后建筑物的沉降進行了觀測，表明微型鋼管樁有良好的抗壓強度。

微型鋼管樁已被大量應用在邊坡抗滑、基坑圍護、軟土地基加固、建筑基礎加固等領域，取得了較多的研究成果，其中對軟土地區抗壓、抗拔、普通微型樁的單樁和群樁承載力均有所研究。不過采用微型鋼管--旋噴復合樁施工工藝的工程實踐資料和研究試驗較少，開展對該項技術施工工藝的研究以及技術試驗，對該技術的承載力、可靠性進行試驗論證，研究其承載加固特性具有十分重要的現實和經濟意義。

1 試驗場地工程地質概況

試驗場地地形平坦開闊，屬第四系濱海沖湖積平原，場地工程地質概況見表1。

表1 場地工程地質概況

2 施工工藝與流程

2.1 施工設備

多功能履帶式鉆機、高壓注漿泵、移動式空壓機、潛孔沖擊器等。

2.2 施工材料

普通硅酸鹽水泥P·O42.5、DZ20無縫鋼管等。

2.3 工藝流程

設計微型鋼管--旋噴復合樁施工工藝流程見圖1，該工藝能滿足在狹窄、限高等臨近既有建(構)筑物場地靈活施工的要求。

圖1 微型鋼管--旋噴復合樁施工工藝流程

2.4 工藝參數

微型鋼管--旋噴復合樁采用單重管高壓旋噴施工工藝，水泥漿水灰質量比0.8，旋噴壓力25 MPa，提升速度20～30 cm/min，轉速20 r/min。旋噴施工完畢后壓入鋼管樁，鋼管樁采用無縫鋼管特制螺紋絲扣連接，規格為φ108～127 mm，鋼管外周設置螺旋筋增大摩阻力。

3 試驗方案

設計單樁承載力試驗五組，分別為微型鋼管--旋噴復合樁鋼管抗壓承載力試驗、微型鋼管--旋噴復合樁復合抗壓承載力試驗、微型鋼管--旋噴復合樁鋼管抗拔承載力試驗、微型鋼管--旋噴復合樁鋼管水平承載力試驗以及高壓旋噴樁單樁抗壓承載力試驗。

4 試驗結果

4.1 水泥土抗壓強度

根據鉆芯法結果顯示，本試驗中高壓旋噴樁的水泥土30 d強度平均值為8.38 MPa，60 d強度平均值為9.35 MPa，90 d強度平均值為10.72 MPa。(見表2)

4.2 承載力試驗

本次試驗均為破壞性試驗，試驗曲線均呈陡降型，試驗結果見表3。試驗結果顯示：

(1)高壓旋噴樁單樁抗壓承載力遠小于理論計算值，僅為理論值的57.4%。

(2)微型鋼管--旋噴復合樁鋼管抗壓承載力與復合抗壓極限承載力數值接近。

(3)微型鋼管--旋噴復合樁抗壓極限承載力較高壓旋噴單樁有大幅提升，增加幅度達到旋噴樁理論極限承載力的188%，達到現場旋噴樁實際極限承載力的401.4%。

(4)微型鋼管--旋噴復合樁在水泥土樁的基礎上增加了抗拔承載性能。

(5)試驗結束均未觀察到微型鋼管有明顯變形破壞。

(6)開挖驗證回填層內樁體膠結質量差，見完整樁體直徑450～500 mm。

表3 靜載試驗成果匯總表

4.3 應變監測

采集承載力試驗中樁身應變數據，以復合樁抗壓試驗為例，可以在鋼管樁應變曲線圖2中看到，鋼管樁主要應力集中在3.0～4.5 m范圍內，在試驗后期逐漸傳遞至深部。圖3為微型鋼管抗拔試驗鋼管應變曲線圖，由于試驗過程受擾動，只采集到前期部分數據，可看到鋼管受拉荷載達到175 kN時，應力主要集中在6 m深度以上，還未傳遞至深部，按11 m鋼管長度計算抗拔力與最終試驗結果基本吻合。由于應變片在鋼管壓入過程中的存活率不高，監測數據十分有限，未能取得更多的數據結果。

圖2 抗壓試驗應變總圖

圖3 抗拔試驗應變總圖

段繼偉等[6]對水泥土樁的研究表明，單樁其最大應變發生在樁頂，對于單樁帶臺其最大應變不發生在樁頂，而是樁身3～4 m深度處，這是由于絕對剛性承臺帶動樁、土同時下沉，使靠近樁頂附近側摩阻力來不及發揮[6]。這一點與圖2顯示的結果類似，其最大應力發生在3 m測點處，其原因是本次試驗復合樁3 m以上樁身開挖接樁后形成了絕對剛性的鋼護筒混凝土樁身。

5 承載特性與傳力機制

靜載試驗的結果表明，高壓旋噴單樁在最大試驗荷載325 kN時已發生沉降破壞，微型鋼管-旋噴復合樁的抗壓承載力比旋噴樁理論承載力提高了188%，比現場實際承載力提高了401%。微型鋼管-旋噴復合樁在微型鋼管受壓的情況下可以取得與復合樁相同的抗壓承載力。

5.1 水泥土樁承載特性分析

根據已有對水泥土樁的研究與認識，水泥土樁承載力的關鍵在于淺層樁身強度，水泥土單樁的破壞模式表現為樁體材料強度破壞而造成的陡降型，增加樁長來提高樁體承載力是有一定限度的，存在有效樁長的問題[7]。水泥土樁存在著臨界樁長lc，約為14～17.7d(d為樁徑)，單樁樁身變形、軸力和側摩阻力主要集中在0～lc深度范圍內[6]。本次靜載試驗前處理樁頭過程中開挖3 m深度，發現上部回填土層成樁質量差，原土層樁體直徑較小，實際樁徑為450～500 mm，后在0～3 m范圍內采取了鋼護筒內澆搗混凝土的接樁措施。《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)中對于雙橋探頭靜力觸探資料確定單樁豎向極限承載力的公式見式(1)。

Quk=Qsk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(1)

根據式(1)計算有效樁長按14d得出的單樁豎向極限承載力為376 kN，按22 m樁長得出的單樁豎向極限側阻力值Qsk為1232 kN，極限端阻力值Qpk為100 kN。《復合地基技術規范》(GB/T50783—2012)中對于高壓旋噴樁由樁體材料強度可能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值應按式(2)計算。

Ra=ηfcuAp

(2)

根據樁身水泥土強度平均值按式(2)計算得出高壓旋噴單樁理論極限承載力值為1229 kN。

按有效樁長14d計算得出的理論極限摩阻力值仍然大于目前試驗得到的高壓旋噴樁單樁豎向抗壓極限承載力，分析原因一為高壓旋噴樁成樁過程中由于施工因素仍然可能存在樁身強度薄弱部位；二是結合開挖檢查及以往一些工程經驗來看，由于回填土區地質條件特點，特別是孔隙較大的塊石、碎石回填層水位高，成樁質量差，甚至有時形不成有效樁體，淺層樁體傳遞荷載效果不理想[8]。

5.2 鋼管與水泥土傳力機制

在復合樁體系中，存在鋼管--水泥土界面破壞和旋噴樁--樁周土界面破壞兩種模式，為充分發揮樁周摩阻力，必須保證鋼管--水泥土界面不先發生破壞。孫全德[9]介紹了日本學者曾針對鋼管與水泥土黏結強度進行過試驗，利用無螺紋鋼板、兩面帶螺紋鋼板埋入水泥土柱中進行拉拔試驗確認黏結強度與水泥土單軸抗壓強度的關系，其中帶螺紋鋼板的黏結強度為0.4倍水泥土單軸抗壓強度，無螺紋鋼板的黏結強度為0.04倍左右的水泥土單軸抗壓強度。周燕曉等[10]通過型鋼水泥土復合構件受拉試驗得到了黏結應力沿構件分布與變化規律，其黏結應力最大值達到了0.15倍水泥土抗壓強度值。大量的實例研究[11-13]表明管樁與水泥土的黏結強度約為0.12～0.2倍的水泥土單軸抗壓強度。在《勁性復合樁技術規程》(JGJ/T327—2014)中，明確規定勁性復合樁內芯側阻力特征值宜取室內相同配比水泥土試塊在標準條件下90 d齡期的立方體無側限抗壓強度的0.04～0.08倍。本次試驗鋼管--水泥土界面黏結強度計算式(3)如下：

s=fcu·η·ξ

(3)

式中：fcu為室內相同配比水泥土試塊在標準條件下90 d齡期的立方體無側限抗壓強度平均值，kPa；ξ為鋼管--水泥土黏結強度與水泥土無側限抗壓強度比值，螺紋鋼管取0.15，光圓鋼管取0.08；η為樁體強度折減系數，取0.33(現場條件下樁體試塊強度)。

按照現場條件下取樁體強度折減系數0.33，計算結果得螺紋鋼管與水泥土黏結力fs達到1505 kN，高于破壞荷載。從荷載試驗結果來看，鋼管芯體受壓與微型鋼管--旋噴復合樁整體受壓效果基本相同，也證明了微型鋼管--旋噴復合樁的整體性，破壞發生在水泥土-樁周土界面。

5.3 抗壓承載特性分析

微型鋼管--旋噴復合樁鋼管抗壓與整體抗壓極限承載力值類似，且接近式(1)計算得出的單樁極限承載力理論值，但都小于鋼管樁與水泥土界面黏結力，即可得出破壞模式為復合樁體的整體剪切破壞，即水泥土與樁周土界面的破壞。

微型鋼管--旋噴復合樁體系利用上部高強度的鋼管芯體承擔大量荷載，通過鋼管--水泥土黏結界面將頂部荷載傳遞至旋噴樁，旋噴樁再通過樁周摩阻力將荷載傳遞至樁周土，以此形成有效的傳遞，形成了鋼管--水泥土、水泥土--樁周土的雙層應力擴散模式，充分發揮了水泥土樁側摩阻力大的優勢，彌補了其樁身強度薄弱的缺點，獲得了較高的承載力，現場試驗表明其抗壓承載力比旋噴樁理論承載力提高了188%，比現場實際承載力提高了401%。

5.4 抗拔承載特性分析

根據微型鋼管--旋噴復合樁豎向抗拔力靜載試驗數據，當鋼管芯體受拉荷載達到175 kN時，鋼管應變主要集中在0～6 m深度范圍內，6～11 m深度應變較小，還未達到破壞。根據微型鋼管--旋噴復合樁豎向抗壓靜載試驗結果推斷，抗拔最大荷載399 kN還遠遠未達到鋼管芯體與水泥土黏結界面的破壞，分析試驗結果為鋼管芯體與旋噴樁復合體的整體上拔破壞，0～11 m深度復合樁樁周摩阻力發揮完全，鋼管樁底部水泥土應力集中增長，產生裂紋并延伸貫通旋噴樁樁身截面破壞。

結合分析本試驗微型鋼管--旋噴復合樁鋼管抗拔試驗結果，按式(1)計算復合段樁周0～11.0 m深度范圍內極限側摩阻力達到622 kN，與試驗豎向抗拔極限承載力333 kN計算得總側摩阻力比值為λ=0.53，十分接近文獻[14]中研究得到的靜鉆根植竹節樁樁周水泥土與寧波軟土區總側摩阻力折減系數值，驗證了微型鋼管--旋噴復合樁在抗拔試驗中的破壞模式為鋼管樁底部附近復合樁整體破壞。

6 單樁承載力計算公式

在本次試驗結果的基礎上，結合《勁性復合樁技術規程》(JGJ/T327—2014)及《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2012)，提出建議微型鋼管--旋噴復合樁單樁承載力計算公式。單樁豎向抗壓承載力特征值應通過現場載荷試驗確定。初步設計時可按式(5)、式(6)估算，并取其中的小值。

(5)

Ra=u∑qsia·li

(6)

樁身材料強度值應同時滿足承載力要求。

對上述計算方法進行檢驗，計算得到單樁豎向抗壓承載力特征值Ra=443 kN，比現場實際承載力特征值小18%，可靠性較好。

7 結論

(1)針對現有建筑物地基基礎加固和功能區改造的實際需求，提出了一套微型鋼管--旋噴復合樁施工工藝，實踐證明能滿足在常規樁型難以施工的區域(塘渣層厚、場地狹小)快速成樁的要求，具有工程造價低、樁體承載力高、環保污染少的顯著特點。

(2)應用微型鋼管--旋噴復合樁施工工藝，通過鋼管芯體直接連接上部荷載的方式，解決了水泥土樁在復雜地質條件下荷載傳遞的問題，其抗壓承載力在現場高壓旋噴單樁的基礎上提高了401%，并且提供了一定的抗拔及水平承載力，為工程應用提供了技術數據支持。

(3)對微型鋼管--旋噴復合樁的承載特性及傳力機制進行了探索研究，分析揭示了其承載力大幅提高的原因，總結提出微型鋼管--旋噴復合樁承載力設計計算公式，為開展工程應用提供了理論基礎。