基于螺桿樁的高鐵梁場軟土地基加固技術研究

成孝玉

(中鐵十六局集團第四工程有限公司 北京 101400)

1 引言

第四系耕表土、粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土廣泛分布在長江中下游地區和沖積湖積平原，其中淤泥質粉質黏土層具壓縮性高、強度低、靈敏度高、透水性低等不良工程特征，天然地基承載力不足、沉降較大，一般不能滿足工程建設的需求，因此需要進行地基處理。該地區軟土層較厚，地基處理費用高。螺桿樁是近年來發明的一種新型樁，它由上部普通圓柱形部分和下部螺紋部分組成。螺桿樁應用廣泛，工藝簡單，環保，處理效果好，節約成本。自其興起以來，在我國巖土工程中得到了迅速而廣泛的應用。

本文以南沿江城際鐵路金壇西梁場制、存梁臺座軟土地基處理為背景，從技術可靠性、經濟可行性等方面，詳細介紹了梁場臺座軟土地基處理的螺桿樁基礎處理方法的設計、施工工藝、配套措施及高鐵梁場軟土地基處理應用效果[1]，為高速鐵路梁場軟土地基處理提供了一種新的方法[2－3]。

2 工程概況

南沿江城際鐵路金壇西梁場位于江蘇省常州市金壇區，占地118畝，負責631片32 m簡支箱梁預制，梁場設置了8個制梁臺座，70個存梁臺座[4]。梁場位于典型的長江下游湖積平原上，地表覆蓋著較厚的第四系耕表土、粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土等，承載力較差，不能滿足高鐵梁場制、存梁的需要。

根據梁場巖土工程勘察報告，場地內及附近未發現斷層，地層構造簡單，軟土地層較厚。場地埋深約25 m范圍內，揭露的地層為厚度不等的第四系耕表土、粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土，工程性質較差，其下為工程性質相對較好的角礫土、泥灰巖。根據現場勘察和室內試驗，按照《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)，結合以往的經驗，在現場勘測報告中推薦的各土層的設計參數如表1所示。

表1 地基各土層設計參數

3 螺桿樁加固軟土地基方案的確定

高速鐵路梁場制梁、存梁臺座對地基承載力和沉降控制有很高的要求。根據金壇西梁場巖土地勘資料，本項目地層中軟土層厚度大，達到持力層時，樁基長度需達到25 m以上。

CFG樁、水泥攪拌樁、旋噴樁等常用的地基加固方法，當樁長達到上述長度時，成樁質量可靠度較差，不易達到高鐵梁場要求的處理效果，技術可靠性較差。鉆孔灌注樁、預應力管樁可滿足梁場制梁存梁的地基加固要求，這兩種處理方法在國內高鐵梁場軟土地基加固方面都有成功的案例，技術可靠。

根據現有的施工經驗，當直徑差較小時，鉆孔灌注樁和預應力管樁的相差不大，但與鉆孔灌注樁相比，預應力管樁在成本和工期方面具有很大的優勢[5]。項目在進行市場調查時發現，江蘇常州地區預應力管樁使用廣泛，管樁市場需求量大，單價相對較高，且管樁生產廠家對收款時限要求苛刻。若采用預應力管樁方案，施工成本較其他地區高，經濟可行性較差，且將對項目前期現金流造成較大困難，財務可行性較差。

在相同樁徑和樁長條件下，螺桿樁單樁極限承載力和復合地基承載力比CFG樁顯著提高[6－7]。近年在我國鐵路深厚軟土路基處理中，螺桿樁得到了大量應用，它能顯著提高軟土路基復合地基承載力，有效控制軟土路基的不均勻沉降，取得了良好的軟土地基加固效果[8]。與CFG樁相比，螺桿樁具有混凝土用量少、節省工期和成本、無塌孔、縮徑和樁端空土、取土量小、無泥漿、減少大量泥漿處理和運輸工作等優點，并具有無振動、低噪聲、無污染的綠色樁型等特點。與預應力管樁相比，螺桿樁的每延米施工成本顯著較低；它能通過螺紋將荷載傳遞到較好的土層，充分利用下部土層承載力高的特點，能更好地調整樁間土承載力發揮效應，提高復合地基承載力，有望降低樁身長度，減少總打樁長度，降低施工成本。隨著螺桿樁施工機械功能的不斷完善進步，施工機械的市場保有數量不斷增加，螺桿樁的施工成本還有望進一步降低。

基于以上分析，螺桿樁相比其他樁基，具有比較明顯的成本優勢，是可以適用于高鐵梁場制梁、存梁臺座軟土地基加固的。根據制梁、存梁不同工況，對螺桿樁的樁徑、樁長、間距、布置位置等參數進行合理設計。精心組織施工，嚴格過程控制，確保成樁質量，并對螺桿樁成樁質量進行檢測，對制存梁臺座使用情況進行沉降觀測，以驗證螺桿樁在本工程中的適用性。

4 螺桿樁復合地基臺座的設計與施工

4.1 制梁臺座及地基處理設計

32 m預制箱梁自重荷載約8 216 kN。箱梁從澆筑到初張前，自重荷載通過模板及模板支架均勻傳至臺座底板。臺座底板結構從下至少依次為級配碎石、素混凝土墊層和鋼筋混凝土底板。梁體在制梁臺座上初始張拉后，梁體中部起拱，梁體自重荷載全部由兩端支承，制梁臺座端部基礎需要特殊加固。制梁臺座端部地基采用直徑為500 mm的螺桿樁復合地基加固，每端設計螺桿樁12根，最大樁間距為160 cm，樁長15 m，其中直桿長度10 m，如圖1所示。螺桿樁參數取值:m＝0.094，β＝0.75，fsk＝120 kPa。根據地勘資料和規范，計算單樁豎向承載特征值Ra為770 kN，臺座端部復合地基承載力特征值452 kPa[9]。梁體張拉后制梁臺座端部地基荷載包括梁體、端部外模自重(按100 kN)和臺座底板結構自重荷載。梁體自重考慮超灌取1.05倍荷載系數，則計算得知，梁體及端部模板傳達至臺座端部基底應力約為200 kPa，小于臺座端部復合地基承載力特征值452 kPa，且有較大的富余系數。此種樁基布置方式能滿足制梁臺座的地基承載力要求。

圖1 制梁臺座及端部地基加固示意

4.2 存梁臺座及地基處理設計

存梁場最大存梁高度為2層，存梁臺座地基采用直徑為500 mm的螺桿樁復合地基加固，每個臺座下設計10根樁，樁間距為150 cm×150 cm，樁長25 m，其中直桿段17 m，如圖2所示。螺桿樁參數取值:m＝0.087，β＝0.75，fsk＝120 kPa。根據地勘資料和規范，計算單樁豎向承載特征值Ra為990 kN，存梁臺座下部復合地基承載力特征值為520 kPa。雙層存梁后，存梁臺座下部地基荷載包括雙層梁體和臺座承臺(結構尺寸為7.5 m×3 m×1.2 m)的自重荷載。梁體自重考慮超灌取1.05倍荷載系數，計算得知，梁體及臺座承臺傳達至臺座下部基底應力約為395 kPa，小于存梁臺座下部復合地基承載力特征值520 kPa。此種樁基布置方式能滿足制梁臺座的地基承載力要求。

圖2 存梁臺座及端部地基加固示意

4.3 螺桿樁復合地基制、存梁臺座施工控制要點

鑒于螺桿樁施工中，可能會遇到不可預測的因素，應先進行試樁，采用正旋轉鉆進成孔，反旋提升形成螺紋段[10]。螺桿樁正向下鉆速度與反向提鉆速度須保持一致，以形成完整螺牙狀，正旋提升形成直桿段，螺桿樁機鉆管內同步泵壓灌筑成樁。驗證工藝性試驗滿足施工要求，確定鉆進速度、提升速度及鉆桿轉速、施工設備電流、混凝土輸送泵壓力及混凝土坍落度等主要施工控制參數。

螺旋樁施工過程中，對原材料和工藝控制有嚴格要求，重點加強鉆孔垂直度和孔深、混凝土性能和澆筑質量、護樁等質量控制。如果成樁過程中有明顯缺陷，應進行補樁處理，保證臺座下地基加固質量。

4.4 螺桿樁復合地基實施效果檢測

樁身質量檢測采用低應變法，檢測頻率要求達到100%。成樁7 d后進行樁身質量檢測，28 d后進行單樁及復合地基承載力檢測[11]。金壇西梁場在進行樁基低應變檢測后，從中選取波形相對較差的樁進行了單樁豎向承載力和復合地基承載力檢測，檢驗樁基和復合地基的實際承載能力是否達到設計要求。

樁基質量檢測低應變反射波法只能解決螺桿樁樁長及直桿段成樁質量問題[12]，對螺桿段的螺紋葉片裂損、破壞，檢測效果不明顯，現場檢測應在低應變法樁基檢測的基礎上，選取一些樁進行靜載測試。施工并進行低應變檢測制梁臺座螺桿樁192根，存梁臺座螺桿樁1 400根，均合格。按梁場不同區域，選取了10根低應變波形較差的樁進行了單樁承載力和復合地基承載力檢測，其實際承載能力均達到或超過了設計推算的特征值。

5 結束語

金壇西梁場已全面投入使用，通過對各個制、存梁臺座在滿負荷狀態下的沉降觀測數據分析表明，各臺座均未發生超規范要求的沉降或不均勻沉降，各臺座穩定可靠，螺桿樁對高鐵梁場制、存梁臺座下軟土地基的加固達到了預期效果，可供類似工程參考。