預應力管樁加固深厚復雜軟土地基的優勢探討

■ 天津華勘集團有限公司 張林鋒

1.概述

高速鐵路路基加固，對于其施工質量有著重要影響，尤其是對復雜深厚的軟土地層的地基加固要求更高。目前，高速鐵路路基加固方法有很多，如水泥攪拌樁加固法、CFG樁加固法、排水固結法等，但是上述地基加固方法僅對于普通地質條件的路基加固效果較好，而對于復雜地層如濕陷性黃土、深厚軟土底層的路基加固效果不甚理想。隨著地基加固方法的不斷進步和發展，預應力管樁在復雜深厚軟土地層加固方面發揮了重要作用。從部分地基加固工程的應用成效層面來看，預應力管樁在復雜軟土地層加固方面具有一定的技術和經濟優勢。本文以某客貨共線鐵路工程為例，就預應力管樁加固在深厚復雜軟土地基的優勢進行探討。該工程鋪筑路基為軟土地層且地質較復雜、層深較厚，常規地基加固方式難以滿足施工要求。根據已有地基加固的施工經驗，通過多種地基加固方法技術及經濟的綜合比較，并結合預應力管樁在地基加固施工中的研究及應用，確定該段軟土路基采用預應力管樁進行地基加固，并取得了較好的應用效果。

2.深厚復雜軟土地基常用加固方法及存在問題

由于復雜深厚軟土地層地質條件的特殊性，應用常規方法對所在地層地基進行加固時，不僅加固效果無法滿足路基工程設計和施工的要求，而且還會對路基施工產生其他影響。由此可見，常用地基加固方法在軟土地層地基加固方面存在諸多局限性，具體如表1所示。

表1 常用地基加固方法在軟土地層加固方面的局限性

3.預應力管樁加固復雜軟土地基的優勢分析

3.1 預應力管樁的經濟優勢

在加固面積為100m2、路基4m ～8m填土高度并考慮加固樁帽等條件下，根據目前路基加固施工的成本造價，將預應力管樁與其他地基加固樁型進行綜合比較，以分析預應力管樁在地基加固方面的經濟優勢，具體如表2所示。

表2 預應力管樁地基加固經濟優勢表

3.2 預應力管樁與類似樁型的工程技術優勢

相對于其他地基加固樁型，預應力管樁可大規模預制，施工工期較短。通過對壓樁速度、每個接樁節點時間及平均成樁速度三個方面的綜合比較，預應力管樁的工程技術優勢較為明顯，具體如表3所示。

表3 預應力管樁與類似樁型工程技術優勢比較表

相對于水泥攪拌樁、旋噴樁、CFG樁等地基加固方法，加固土層地質條件及地下水位不會對預應力管樁地基加固施工產生影響，可以充分保障地基加固成樁質量及樁體強度。同時，預應力管樁地基加固深度也優于其他地基加固方法，采用預應力管樁進行地基加固深度可達40m，且省去了預成孔及成孔養護兩個施工過程。預應力管樁地基加固雖然沒有進行預成孔和成孔養護，但并不影響地基加固質量及后續路基穩定性。

預應力管樁地基加固選用靜壓法進行進樁施工，相對于動壓進樁施工方法，預應力管樁采用靜壓進樁的施工噪聲相對較小，對于施工現場及環境條件的要求相對較低，且進樁施工過程中不會產生影響環境的施工廢水及棄渣，能較好地適應施工現場周圍存在的環境敏感點。

預應力管樁通過布置樁網結構進行地基加固，路基加固后90%的荷載由預應力管樁樁身承擔，加固后的路基穩定性較好，沉降變形較小。

4.深厚復雜軟土地基預應力管樁加固效果的探討

4.1 工程地基預應力管樁加固的應用現狀

隨著經濟發展水平提高和綜合國力的不斷增強，近年來，我國大力建設公路、鐵路及其他交通運輸工程，不僅完善了我國交通運輸建設網，其所涉及的路基工程施工也大力推動了地基加固新技術的研究和應用，并在不同地層地基加固工程實踐中取得了較好的效果，積累了豐富的施工經驗，尤其是預應力管樁為復雜深厚軟土地層的地基加固提供了可靠而又經濟的施工方法。

4.2 復雜軟土地基預應力管樁加固實例

某客貨共線高速鐵路，最高設計時速260km/h，經過內陸湖長期沉積作用形成的深厚復雜軟土地層在工程全線多處分布。由于內陸湖沉積過程的成因和作用機理極其復雜，導致該工程全線多處軟土地層分布特征極不規律，各處軟土地層的埋深較大，部分地段軟土層厚度大于40m。受復雜的分布特征及較大的埋深影響，該工程全線分布的軟土地層物理力學指標都較低，尤其是以淤泥、泥炭為代表的軟土地層物理力學指標極低，這也直接導致了常用的地基加固方法無法滿足實際的施工需要。

由于擬加固地基里程段的工程地質條件較差，經過對經濟及技術優勢的比較分析，該深厚復雜軟土地基加固可行的地基加固方法為CFG樁地基加固法以及預應力管樁地基加固法。為了比較CFG樁地基加固法與預應力管樁地基加固法對于該深厚復雜軟土路基的加固效果，在該深厚復雜軟土地基里程段內，選取部分軟土地基進行CFG樁地基加固和預應力管樁地基加固現場成樁實驗，具體成樁試驗結果如表4所示。

表4 CFG 樁與預應力管樁成樁試驗結果

根據現場成樁試驗結果，針對該工程軟土地層復雜深厚的情況，經過綜合考慮采用預應力管樁的施工方法對工程全線的軟土地層進行地基加固。此次擬加固地基里程段內分布有2橋、4涵洞，根據施工設計要求，結合預應力管樁地基加固施工方案，確定加固后的地基沉降控制標準，如表5所示。

表5 地基預應力管樁加固沉降控制標準

以該工程DK8+923 ～DK9+445里程段為例，該里程段經過前期地質勘查鉆探顯示基底土層包括粉質黏土、淤泥、泥炭質土，土層組成較為復雜、土質較為松軟，為典型的深厚、復雜軟土層。其中，粉質黏土層厚為0 ～3m，淤泥土層厚度為4m ～11m，泥炭土層厚度為15m ～26m。由于各土層類型及厚度的差異，各土層的物理力學指標也不同，具體如表6所示。根據各土層的力學指標及土層厚度可知，該里程段的工程地質條件極差。經過設計、計算及核算，該處軟土地層需要加固的深度為20m ～28m。

根據表6中所示的該軟土層的物理力學指標，通過單樁承載力對采用預應力管樁進行加固后的地基整體穩定性進行綜合分析計算，以此確定預應力管樁地基加固的各種施工參數，具體如表7所示。

表6 地層物理力學指標表

表7 預應力管樁地基加固施工參數

根據以上施工參數實施施工方案，具體的預應力管樁加固結構如圖1所示。

圖1 軟土地基預應力管樁加固結構布置圖

此次復雜軟土地基預應力管樁加固施工時，共投入3臺壓樁機分段同時進行施工，歷時23天，至該里程段地基加固預應力管樁全部沉樁完成，共計施工完成預應力管樁3428根，總加固深度為94886m。為檢測預應力管樁成樁質量，分別選取總樁數的10%及總樁數的5%，分別采用低應變動測法及靜載荷試驗檢測法進行預應力管樁成樁質量檢測。經檢測結果分析統計，受檢測的已成樁預應力管樁均符合單樁承載力設計值，其中，98%的樁身為I類樁、2%的樁身為Ⅱ類樁。為進一步檢驗地基加固的穩定性，路基填土完成后對其進行連續3個月的沉降觀測，觀測結果顯示最大沉降量出現在路基填土完成后的前一個月內，一個月后的沉降值變化很小并趨于穩定，能夠滿足后續路基長期穩定的要求。

根據上述實際工程實踐得出，對于埋深大于15m的深厚復雜軟土地層采用預應力管樁進行地基加固相比于其他地基加固方法具有明顯的經濟、技術優勢，特別是對于現場施工條件差、工期緊、沉降控制要求高等具有特殊要求的地基加固施工，選用預應力管樁進行地基加固更是優先選擇。