X型截面現澆混凝土樁在軟土上的公路施工性能

周鵬飛 （安徽建工集團投資管理公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

目前各種樁用于支撐公路施工路堤，以抵抗車輛荷載力，如PCC 樁、土工格柵包裹石柱、深層攪拌柱、噴射灌漿樁和石柱。上述樁通常設計為圓形或環形截面，與周圍的軟粘土相互作用，從而產生側阻力以滿足實際工程要求。根據摩擦力理論，軸周圍的側阻力與樁的周長有關。與多邊形截面樁相比，傳統圓樁在相同截面積時周長較小，說明多邊形截面樁對上述路堤具有較大的側阻力。為了在軟粘土上樁支撐路堤的設計中具有實際的經濟意義，因此需要樁提供較高的側阻力，可以通過增加樁與其周圍軟土之間的接觸面積來實現。目前已有學者指出XCC 樁可有效增加側阻力，同時XCC 樁因為其承載力顯著且沉降量少，目前已有在砂土上的成功應用。但在打樁過程中會對周圍土壤進行擾動，如土壤位移較大、過量的孔隙水壓力。在XCC 樁支撐路堤的載荷安裝過程中，由于多邊形段和樁的干擾作用，周圍土壤會發生不同位移，這與傳統圓樁施工過程中的相應變化不同，且XCC 樁的性能現場試驗結果在文獻中很少。

基于此，本文首先介紹了工程實用的XCC 樁，包括其物理特性、樁安裝設備、成樁過程和安裝機制。然后，進行現場試驗，以評估XCC 樁安裝過程中的軟土響應，并評估XCC 樁承護路堤在垂直荷載下的性能。

1 XCC樁性能

1.1 XCC樁物理特性

XCC 樁的截面尺寸可由3 個參數確定，如圖1 所示，圓直徑a、圓弧端點b 和圓弧角θ。工程實踐中采用的斷面尺寸參數范圍為a=500～1000mm，b=100～250mm，θ=90°～130°。在周長相同的情況下，XCC 樁的經濟成本比圓截面樁低。

1.2 XCC樁安裝設備

XCC 樁作為一種新型的截面樁，必須設計專用的打樁設備來安裝，以滿足實際使用的需要。XCC樁安裝設備如圖2 所示，包括底盤、控制臺、提升機、門架、鋼模、斗、錘、樁腳。底盤由H 型鋼制成，具有較大的剛度和相當的穩定性，為上部設備提供了平臺。控制臺控制機器的運動、設備的開關、錘的振動頻率和樁模的拉速。提升機是動力系統的核心裝置，為移動打樁機、拉起樁模提供動力。門架為樁模和錘提供支撐。樁模具由x型鋼模具、料斗、法蘭板和x 型鋼樁腳組成，是整個設備中最重要的部分。料斗為澆筑混凝土提供容器。錘提供振動力來驅動樁模。樁腳由四個拱形閥組成，其垂直投影為X 形。用法蘭板連接錘和樁模。

圖2 XCC樁安裝設備

1.3 XCC樁安裝

試驗設定長12～22m 的XCC樁進行現場澆筑，分成6 段。每根XCC 樁的施工步驟相同，樁截面控制為a=610mm，b=120mm，θ=130°。本文選取一樁深約12m 的原位澆筑XCC 樁，研究樁身安裝過程中的土體響應。XCC樁周土體提前設置測量目標，監測土層徑向位移、水孔壓力和土體應力。將三個傾斜儀安裝到15m 的深度，并牢固地嵌入到粉質砂中，以監測土壤的徑向位移。在6m 和9m 深度的預鉆孔中安裝6 個孔水壓力表，測量孔水壓力的變化。將土壓力傳感器固定在預制鋼筋框架上，然后通過在預鉆孔中推動預制鋼筋框架，將壓力傳感器安裝到目標深度3m 和6m。在此過程中，保證這些壓力單元的法線方向指向樁心。

1.4 XCC樁成型工藝

在施工現場定位樁模。將樁模打入地面前，關閉閥門樁尖。通過錘在樁模頂部施加載荷，將模具打入軟黏土中。閥門樁頭應保持關閉，以防止周圍的土壤在此過程中進入模具，將混凝土填入預埋模具，混凝土由靠近樁模頂部的漏斗填充到鋼殼中，在每次退出前，套管必須振動30s，提取鋼模。樁模通過振動拉起，一般速度范圍為1.2～1.5m/min。對于軟土層，拉拔速度設置在0.8～1.0m/min之間為宜。隨后，每抽拔0.5～1.0m，應暫時停止拉拔，使套管振動5～10s，以保證完全抽拔并壓實混凝土樁。

2 結果與討論

2.1 表面徑向位移

圖3為XCC 樁安裝過程中在不同半徑處測得的地表位移。使用SSPM（淺應變路徑法）對不同半徑的圓形樁進行相應預測。為預測末端封閉樁安裝所引起的地表位移，按相同格式繪制與現場實測位移進行對比，進一步明確XCC 樁安裝過程中的地面響應。由圖可知，地表位移隨半徑r 的增大而減小。測量的表面徑向位移明顯低于R=Rou的預測值。當XCC 樁為封閉式圓形樁，即R=Req（給封閉式圓形樁相同體積的位移土壤）時，測量的表面徑向位移通常高于R=Req要求的預測值。這說明XCC 樁的安裝往往會產生較大的位移變化，這可能是由于樁的多邊形性質所致。

圖3 表面徑向位移

2.2 孔隙水壓力

由圖4 可知，孔隙水壓力在樁端接近測壓高度時達到最大，隨著樁端深入，孔隙壓力逐漸減小。由垂直有效應力σv0歸一化得到的1m、3m、6m 和9m 處孔隙壓力Δu的徑向分布如圖4所示。

圖4 不同深度下孔隙水壓力變化

2.3 分層沉降

圖5 為軟土層沿深度的分層沉降。在施工階段，隨著路堤高度的增加，沉降有增加的趨勢。在2m 處沉降量最大，在2m、4m、6m、8m 和10m 處沉降量分別為412.0mm、371.5mm、316.5mm、236.0mm 和212.5mm，沿深度逐漸減小。并且與路堤填筑過程相比，路堤的沉降是延遲的，這可能是固結過程和固結系數減小的原因。在施工階段，土層沉降位移變化幅度較小，最大沉降達到200mm，且隨深度增加，沉降量呈降低趨勢，這主要是由于隨深度增加，土體在自重應力作用下，土體內部孔隙逐漸減少，進一步加大顆粒間的接觸面積，提高土體密實度。在施工階段完成后，不同深度下軟土層沉降位移較大，主要由于施工階段時間較短，土體沉降未完全開始，因此在施工結束后軟土層在土體自重應力及外荷載作用下會產生較大位移。隨著沉降時間增長，不同深度下土體沉降位移趨于穩定，變化幅度逐漸降低。究其原因為隨著時間增加，土體在自重應力下，軟土內部孔隙率減少，密實度得到提高。

圖5 不同深度沉降

實測的樁頂沉降和兩樁間土體表面沉降如圖6 所示。可以看出，施工階段（約140d）沉降有所增加。然而，即使填筑完畢，沉降仍在持續增加，直到約200d。這可能與軟粘土固結沉降有關。位于路堤中心、左右邊緣樁的沉降量分別為438mm、404mm 和377mm。同時可觀察到，XCC 樁附近的土沉降始終大于樁的沉降，這就有可能造成土拱和應力集中。由于土拱效應和應力集中，大部分荷載可能由土工格柵加筋墊層和樁傳遞，樁間土體承擔的荷載較少。

圖6 樁頂沉降

2.4 土壤和樁之間的荷載分布

XCC樁頭及其周圍土壤的垂直應力分布如圖7 所示。測量到的樁頭應力與其周圍土壤（即應力濃度）之間存在明顯差異，這歸因于差異結算，樁頭的應力隨著路堤高度的增加而增加，直到施工后軟粘土固結完成。樁間土應力隨填筑過程的變化不大。

圖7 樁頭和樁間土壤中的應力

2.5 橫向位移

施工階段沿XCC 樁支撐路堤深度的橫向位移如圖8 所示。可以看出，最大的橫向位移位于軟層的地表。這種橫向位移在路堤的施工階段迅速增加。相比之下，當XCC 樁施工完成后，橫向變形速度相對較慢。因為施工后的變形主要依賴于軟土的固結，而不是所施加的壓力。且可觀察到橫向位移隨深度增加呈非線性增加趨勢。隨監測時間增長，橫向位移變化幅度呈先上升后下降趨勢，在監測281d 時，橫向位移達到最大（5.4m）。監測36d 時，橫向位移為1.7m，較監測17d 有較大變化，主要由于其樁周土較為松散，在土壓力及負摩阻力的作用下，土體在前期會產生較大位移。

圖8 不同深度的橫向位移

圖9 樁頭與樁間土的表面沉降

2.6 地表沉降

實測的樁頂沉降和兩樁間土體表面沉降如圖9 所示?？梢钥闯?，施工階段（約140d）沉降有所增加。然而，即使填筑完畢，沉降仍在持續增加，直到約200d，這可能與軟粘土固結沉降有關。位于路堤中心、左右邊緣樁的沉降量分別為438mm、404mm 和377mm。且可觀察到，XCC 樁附近的土沉降始終大于樁的沉降，這就有可能造成土拱和應力集中。由于土拱效應和應力集中，大部分荷載可能由土工格柵加筋墊層和樁傳遞，樁間土體承擔的荷載較少。

3 結論

本文介紹了X 型斷面混凝土灌注樁處理路堤軟層的新技術，包括相應的打樁設備、加固原理和施工工藝。為研究XCC 樁在安裝過程中的土體響應，研究單樁和樁筏的承載力，開展了大規模的XCC 樁路基現場試驗，主要研究結果如下。

①在R=Req條件下，XCC 樁安裝過程中的徑向位移大于圓形樁，而在R=Rou條件下，XCC 樁的徑向位移小于圓形樁。XCC樁安裝過程中孔壓增量小于封閉式鋼管樁和開放式混凝土管樁。

②由于XCC 樁與周圍土體的沉降差異引起的拱效應，使XCC 樁頂的應力分布增大。XCC樁基礎的應力集中比隨路堤高度的增大而增大。在路堤施工階段，土拱系數減小。