樹根樁在碼頭基槽開挖支護中的應用

徐艷亮， 李 珍， 周春兒

(1. 江西省港航建設投資集團有限公司， 江西 南昌330008；2. 廣東省航運規劃設計院有限公司， 廣東 廣州510050)

隨著國家基礎建設的蓬勃發展以及港口岸線的開發利用， 越來越多的碼頭需要在邊界條件不利的條件下實施， 例如碼頭前沿線距離后方護岸或鄰近構筑物距離近， 無法放坡開挖基槽等。 如何保證基槽開挖時后方護岸及構筑物的穩定性，是此類項目急需解決的一個難題。

常規的基槽開挖放坡護坡處理遠遠無法滿足后方護岸及構筑物的穩定性要求， 因此本文結合實際工程經驗， 論述在基槽開挖前采用樹根樁結構進行支護， 以保證護岸穩定的理論研究及實際實施情況。

1 工程概況

1.1 地質條件

廣東陽江某碼頭擬建場區上覆土層為第四系全新統至晚更新統淤泥類土或砂性土、 花崗巖風化殘積層、 下伏燕山期全風化花崗巖、 強風化花崗巖、 中風化花崗巖和微風化花崗巖(圖1)。

圖1 碼頭地質橫向典型斷面

土體主要指標見表1、 2。

表1 土體物理力學參數(用于邊坡穩定計算)

表2 各巖土層地基容許承載力及樁基參數建議值

續表2

1.2 建設規模

碼頭建設規模為2 個3 000 噸級多用途泊位(兼靠5 000 噸級)， 岸線長254 m， 碼頭北側建臨時護岸。 建筑物等級為Ⅱ級， 擬采用重力式基礎。 荷載要求: 碼頭前沿作業地帶按堆放20′(6.1 m)及40′(12.2 m)重箱2 層考慮。 碼頭前方4 m 范圍內，q1=20 kPa； 4 ～11.5 m 范圍內，q2=30 kPa； 后方均載考慮30 kPa， 其他為流動機械荷載。

本項目護岸前沿原泥面高程平均約為1.25 m，基槽開挖最深處至-14.0 m， 后方陸域高程為5.0 m(某基地北護岸)。 基槽開挖最深處至-14.0 m， 基槽開挖對與碼頭前沿線距離僅約15 m的鄰近碼頭及其護岸產生極大的影響， 同時鄰近碼頭的船舶噸位較小， 停泊水域水深較小，設計底高程為-3.70 m， 而本項目停泊水域設計底高程-8.1 m， 停泊水域開挖至-8.1 m 的高程，對于鄰近碼頭的高樁梁板碼頭和岸坡穩定均造成影響(圖2)。

圖2 基槽開挖樹根樁支護局部平面布置(高程: m； 尺寸: mm。 下同)

1.3 基槽開挖支護設計方案

首先考慮常規的灌注樁地連墻墩臺支護方案。 設置22 根φ1 500 mm @1 700 mm 的灌注樁地連墻， 并在墩臺內部設置5 根φ1 500 mm 灌注樁支撐樁基組成。 地連墻樁基底高程為-23.0 m，以中風化巖為持力層， 頂高程為2.6 m， 嵌入上部墩臺100 mm。 基槽開挖必須在樁基墩臺段所有的主體結構完成并達到設計強度后進行。 此方案造價高， 施工難度大， 工期長， 且穩定及樁基承載力計算較難通過。 因此， 引入樹根樁支護方案。 樹根樁直徑150 mm， 間距0.8 m， 正三角形布置， 其中前排樁采用直徑600 mm 的高壓旋噴樁封堵， 樹根樁樁底進入強風化花崗巖2.09 ～4.09 m， 要求樁身混凝土強度達到C20， 樹根樁支護結構達到設計強度后方能進行碼頭基槽開挖。

其中樁距是根據邊坡穩定計算及現場典型試驗段檢驗結果確定的。 經驗證， 若樁距過大(超過6 倍樁徑)， 則很難形成復合地基效應， 無法發揮樹根樁的作用； 若樁距過小(＜3 倍樁徑)， 則容易出現斷樁等現象， 同時造成浪費。

圖3 為基槽開挖樹根樁支護典型斷面。

圖3 基槽開挖樹根樁支護典型斷面

2 樹根樁加固理論及相關計算

樹根樁技術是20 世紀50 年代由意大利的F.LIZZI 首先提出并在實際工程中采用的。 美國聯邦公路局(FHWA)和法國合作于1993 年對此進行研究并提出樹根樁對解決基礎和邊坡穩定問題的潛在能力和良好的發展前景[1]。 我國于1987 年初， 延安東路越江隧道的盾構穿越黃浦江后到達浦西， 向市中心推進， 沿線的外灘原天文臺、 紡織品倉庫等建筑先后采用了樹根樁托換、 加固，取得了良好的效果， 并積累了施工經驗[2]。

樹根樁可用于地基加固、 在既有建筑物下施工地下隧道時對既有建筑物基礎進行托換， 或用于邊坡上建筑物以及碼頭下提高地基承載力和邊坡穩定性。 適用于淤泥、 淤泥質土、 黏土、 粉土、砂土、 碎石土、 黃土和人工填土等地基土上的加固工程。

樹根樁具有以下優點:

1)由于使用小型鉆機， 故所需施工場地較小，只要有平面尺寸1 m×1.5 m 和凈空高度2.5 m 即可施工。

2)施工時噪聲小， 機具操作時振動也小， 即使在不穩定的地基土中也可以進行施工。

3)施工時因樁孔很小， 故對地基土不產生任何次應力， 僅僅是在灌注水泥砂漿時使用壓力不大的壓縮空氣， 所以加固時不擾動地基土。

4)壓力灌漿使樁的外表面比較粗糙， 使樁和土之間的附著力增加， 從而使樹根樁與地基土緊密結合， 使樁和基礎(甚至和墻身)聯結成一體，因而經樹根樁加固后結構整體性得到大幅度改善。

5)造價低， 工期短， 施工工藝單一。

針對本項目， 樹根樁的設計計算主要為邊坡穩定性計算[3-4]。 根據GB∕T 50783—2012《復合地基技術規范》， 復合地基穩定性可采用圓弧滑動總應力進行分析。 本工程采用瑞典簡單條分法進行地基穩定性分析(圖4)。

采用Slide 軟件進行邊坡穩定性計算。 樹根樁加固區土體參數按照復合地基考慮。 工程設計時，考慮樹根樁與樁間土形成類似重力式擋土墻的結構， 其抗剪強度主要取決于內插鋼管抗剪強度，一般不考慮樁體混凝土的抗剪作用， 混凝土主要起到保證樁土共同作用以及防止樁間土繞流的作用。 樹根樁內插Q235 鋼管， 其抗剪強度設計值fv=125 MPa， 單根樹根樁抗剪強度為T樹根樁=πφ鋼管δfv=260 kN。 考慮折減系數1.5， 取T樹根樁=175 kN； 土體參數采用表1 參數。 計算工況主要是使用期工況， 前方已開挖至前沿設計底高程-14.0 m， 后方為5.0 m 的基地。

圖4 整體穩定計算典型斷面

3 施工要點

施工工序: 施工準備→鋼管制作→鉆孔(泥漿護壁)→第一次清孔→放入鋼管一填瓜米石→第二次清孔→漿液制作→一次注漿→二次注漿→驗收。

1)施工準備: 原材料進場； 機具進場、 安裝；質量、 安全技術交底； 施工工作面清理。

2)鉆孔: 用鉆機鉆孔， 采用正循環鉆進工藝，鉆進過程應進行泥漿護壁； 因樁底須進入強風化花崗巖， 所以須采用合適的鉆具， 以保證順利鉆進； 孔徑不小于150 mm， 孔位偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于1%。

3)第1 次清孔: 在成孔后， 將鉆頭提離孔底20 cm， 開啟慢速回轉， 利用鉆具進行清孔。第1 次清孔應采用比重1∶1.5 ～1∶2.5 的濃泥漿，加大水泵壓力， 把孔內的泥皮及少量的細砂粒徹底從孔內帶出。 第1 次清孔一定要徹底， 為第2 次清孔做好準備工作。

4)吊放鋼管: 鋼管采用套焊連接， 接頭長度不小于2 倍鋼管直徑。

5)填瓜米石: 回填料采用清洗過的粒徑為5 ～10 mm 的瓜米石； 瓜米石應盡量投入孔口填料漏斗中， 直至填滿樁孔， 填入量應不小于計算體積的0.9 倍； 在初凝過程中樁頂可能有一定數量的石子沉落， 應及時投入瓜米石至樁頂。

6)第2 次清孔: 利用鋼管一邊注入清水清孔，一邊灌填瓜米石， 直至孔口返出清水為止， 比重不大于1.05。

7)一次注漿: 注漿壓力控制在0.2 ～0.5 MPa，注漿流量32～47 L∕min， 使漿液均勻上冒， 直到孔口泛出純水泥漿為止； 二次注漿: 待一次注漿初凝時(約2 h)， 利用鋼管進行二次注漿， 注漿壓力控制在1 ～2 MPa， 直到孔口泛出純水泥漿為止；現場設置注漿量自動計量設備， 記錄每根注漿量和總注漿量， 注漿充溢系數不小于1.3[5]。

由于本項目是在軟土地基中進行樹根樁的施打， 因此為保證成樁質量并避免對已施打樹根樁產生影響， 建議采用跳孔工序施工[6]， 并采用早強水泥或加入早強劑以保證混凝土強度； 設置定位筋， 每隔3 m 沿管壁焊接3 根； 配鋼筋環箍，加大底部入巖段的抗拔力； 鋼管底部采用3 根鋼筋焊接， 底部預留100 mm 高空隙， 以便清除鋼管底部殘積的泥水， 并有利于返漿； 鋼管下部3 m范圍每隔300 mm 沿鋼管周邊均勻開3 個6 mm 的小孔， 根據凈空限制分段制作， 鋼管露出孔口。采用42.5R 普通硅酸鹽水泥， 水泥漿水灰比為0.6， 樁體水泥用量不小于50 kg∕m。

通過鉆芯法檢測混凝土強度及樁身混凝土均勻性。

4 支護效果檢驗

質量檢驗: 質量檢驗應滿足JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》的規定， 樁身完整性采用低應變試驗檢測， 檢測數量不少于總樁數的10%，且不得少于10 根。

檢測結果顯示: 樁基綜合判定類別為I 類，樁身完整。

通過鉆芯法對樁身混凝土強度進行檢測， 結果顯示強度滿足設計要求。

另外， 通過對結構進行深層水平位移測斜儀觀測來判斷穩定性， 從而檢驗支護效果。 深層水平位移測斜儀主要觀測土體不同深度點水平位移讀數， 根據位移和時間的變化曲線分析土體穩定性， 可作為施工控制輔助手段。 觀測起始時間為碼頭基槽開挖至碼頭后方陸域回填， 共約4 個月， 頻率為監測期內每天監測1 次。 觀測布置點見圖5。

圖5 觀測點布置

通過深層水平位移觀測發現， 從基槽開挖開始， 觀測點最大位移速率約為4. 6 mm∕d， 逐步穩定后位移速率呈下降趨勢， 至后期約為2. 99 mm∕d。 最大累計位移約3. 5 cm。 各觀測點位移量均未超過預警值， 部分變化曲線如圖6所示。

圖6 部分測斜觀測典型曲線

檢測與觀測結果顯示， 樹根樁支護效果良好，達到了設計要求。

5 結語

1)樹根樁應用于重力式碼頭基槽開挖支護可達到理想的加固效果；

2)樹根樁設計底高程宜穿透軟土層， 進入較好的土層作為持力層， 并通過穩定驗算， 宜穿過圓弧滑動面以下不小于2 m；

3)樹根樁布置的置換率直接影響到加固效果，間距宜取3～6 倍樁徑， 以形成復合地基效應；

4)影響樹根樁施工質量的關鍵因素主要有是否跳打、 注漿壓力和流量、 清孔質量、 充溢系數等， 必要時通過典型試驗段施工確定各工藝參數；

5)樹根樁支護宜進行深層水平位移觀測， 根據觀測數據及時采取相關措施進行處理， 以保證邊坡穩定。