小直徑鉆孔樁在軟基處理中的應用

■劉文剛

(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

1 工程概況

寧德市某城市主干路，全長2.153km，道路在K1+081～K1+115段下穿沈海高速橋。該段現狀地面標高約3.2m～4.4m，路面設計標高約5.5m～5.7m，路基填方高度為2.5m。該段沈海高速橋梁底標高14.7m，凈空約9m。

本項目場地屬于近海相沖海積平原地貌，場地上覆素填土(厚度1.5m～2m)，較松散，其力學性能較差，厚度較薄；其下淤泥層厚度總體較大(16m～20m)，淤泥呈軟塑狀，天然含水率73.4%，強度低、壓縮性高、靈敏度大，其工程性能差；下伏全風化凝灰熔巖。

由于道路鄰近沈海高速橋，路基填筑后在其荷載作用下會產生不均勻沉降及路基失穩，進而影響高速公路橋的穩定。因此，軟基需進行特殊處理。

2 軟基處理設計方案

2.1 方案比選

軟基處理的方法較多，應充分考慮地質條件、道路條件、施工條件和工期要求等，選擇合適的處理措施[1]。

對于深厚軟土，目前條件比較成熟且常見的處治措施有：采用塑料排水板、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、CFG樁、管樁、小直徑鉆孔樁等。

本項目的特點是下穿已建高速公路橋，由于凈空限制，高大型機械無法施工。由于塑料排水板、水泥攪拌樁、CFG樁、管樁的施工機械高度均較高(超過9m)，所以無法采用以上方案。結合本項目情況，選用高壓旋噴樁及小直徑鉆孔樁進行方案比選(如表1所示)。

高壓旋噴樁是利用鉆機等設備，通過鉆桿的旋轉、提升，高壓水泥漿由水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流，以此切割土體并與土拌合形成水泥土豎向增強體，與周圍土共同承受荷載。

小直徑鉆孔樁是采用不同的鉆孔方法，在地層中形成一定尺寸的孔洞，然后將鋼筋籠吊入孔洞，澆筑混凝土形成樁體來承載的一種樁體。

根據項目所在區域的軟土特征、軟土厚度、施工條件及周邊構筑物情況等綜合考慮，本項目采用小直徑鉆孔樁處理方案。

2.2 設計參數

根據CJJ194-2013城市道路路基設計規范[2]，本項目的容許工后變形≤0.1m。為保證橋梁的安全穩定，根據相關規范，軟基處理后鄰近橋樁的水平位移≤6mm。

根據地質勘察資料，軟基處理設計參數如表2。

表1 軟基處理方案比選

表2 軟基處理設計參數

2.3 處理方案

本道路路基寬度53m，由中分帶、機動車道、綠化帶、非機動車道及人行道組成，沈海高速2#、3#橋樁位于本道路綠化帶內。根據本項目特點及地質情況，設計采用小直徑鉆孔樁復合地基處理。樁在平面上呈正方形布置，處理至路基坡腳處。軟基處理設計方案見圖1。

圖1 軟基處理設計圖

小直徑鉆孔樁徑采用50cm，樁長20m，樁體穿透軟土層進入下部硬土層不小于1m，樁端持力層為粉質粘土或全風化凝灰熔巖，樁間距為2m，樁身混凝土采用C25強度等級，配置6根Φ16縱筋和Φ8@25螺旋箍筋，采用回旋鉆成孔、泥漿護壁施工工藝。單樁設計承載力為400kN，樁頂設置30cm厚邊長為1m的正方形C30砼樁帽。為避免軟基施工對橋樁造成不利影響，小直徑鉆孔樁與橋樁凈距為3m，且靠近橋樁周邊兩排樁頂設置連系梁。為確保土拱的形成，充分發揮樁間土作用，避免樁土頂面的差異沉降反射到路面，樁頂填土高度不小于2.5m，且樁頂鋪設50cm級配碎石砂墊層。加固后復合地基承載力不小于120kPa。

3 軟基處理對鄰近橋樁的影響分析

橋下路基范圍分布有大面積軟土，由于軟土有很大的壓縮性，路基填筑時會引起土體側向變形，進而會使橋樁產生變形甚至破壞。由于因土體移動產生的樁側荷載難以確定，因此軟基處理對鄰近橋樁的影響分析較復雜[3]。

(1)有限元分析模型建立

本文采用有限元軟件PLAXIS8.5進行分析，選用理想彈塑性模型[4]，土體材料采用Mohr-Coulumb本構模型，橋樁、小直徑鉆孔樁采用板梁單元模擬。模型邊界條件設置：底部為固定邊界，左右為水平固定邊界。計算所用的樁體力學參數：彈性模量為30GPa，密度為 2500kg/m3，泊松比為0.2。

圖2 有限元分析模型

根據場地尺寸、地基參數及邊界條件，有限元分析模型長度方向經試算取160m，深度方向取70m，有限元分析模型見圖2。模擬過程：初始地應力平衡→設橋樁→打鉆孔灌注樁→堆填路基土。

(2)軟基處理對橋樁的影響分析

小直徑鉆孔樁及路基填土施工完畢，土體最大累計位移10.6mm，且最大值發生于小直徑鉆孔樁與路基填土周圍，橋樁周圍土體位移微小，由于道路左半幅存在一層粉質粘土，地質相對右半幅較差，因此左半幅位移相對較大，2#橋樁位于左半幅，施工完成后累積位移約3.5mm；3#橋樁位于右半幅，累積位移約3.2mm。

橋樁為摩擦樁，樁長較大，土體位移引起的沉降較小，影響橋梁正常使用的主要是橋樁的側向位移。根據有限元分析結果：2#橋樁最大水平位移為2.3mm，3#橋樁最大水平位移為2.1mm。

軟基處理后橋樁位移較小，故認為小直徑鉆孔樁施工及路基堆填對橋樁及周圍土體無明顯影響。道路范圍土體及橋樁整體位移詳見圖3。

4 軟基處理效果評價

(1)施工完成后，第三方檢測單位抽取了總樁數5%的樁進行低應變試驗，檢測結果顯示樁的完整性較好。

(2)隨機抽取了3根樁進行復合地基載荷試驗，復合地基承載力fak≥120kPa，達到了設計要求。

(3)為保證道路及周邊構筑物安全，本工程進行了軟基監測及周邊橋樁變形監測。本道路于2017年10月投入使用，根據施工期間及運營期間的監測結果，軟基沉降量為1.6cm，鄰近橋樁整體位移為2.9mm，且變形已趨于收斂。

根據道路檢測、監測結果及運營情況，軟基處理后的變形在規范和設計允許范圍之內，取得了較好效果。

圖3 模型整體位移(單位：mm)

5 結語

軟土路基是市政道路工程建設中的常見問題，選擇合理的處理措施是保證路基穩定的關鍵，需綜合考慮工程區域的地質條件、場地條件及周邊環境。

在下穿高速橋軟基段，軟基處理施工凈空有限，且距離鄰近橋樁較近。由于小直徑鉆孔樁施工機械小、成樁工藝簡單、場地適用性強、樁身強度高，通過在本工程中的成功應用，表明該處理方式特別適用于此類工程。

在軟基路段填筑路基時會引起土體側向變形，進而對周邊構筑物造成一定影響，在設計時，可采用有限元數值模擬方法進行分析。本工程監測結果與有限元分析結果雖有一些出入，但誤差可控，可通過不斷積累實際工程經驗來合理選擇參數，從而提高分析結果精度。