地鐵車站蓋挖法樁端后注漿對單樁承載力影響的研究

曾超

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 概述

隨著我國城市化進程的不斷加速，城市用地日趨緊張，地鐵車站往往敷設(shè)在城市主干道人流量大、建筑物密集的位置。為減少對地面交通的影響，地鐵車站往往在環(huán)島等交叉路口交通繁忙處采用局部蓋挖法施工。蓋挖法施工主要分為蓋挖逆作法、蓋挖順作法，本文以蓋挖逆作法為例研究單樁承載力，在單樁承載力不滿足設(shè)計要求時，考慮采用樁端后注漿措施來提高單樁承載力。后注漿法是成樁后，待樁身混凝土具有一定的強度后進行高壓注漿。后注漿法可以進行樁底注漿，也可以進行樁側(cè)注漿，其目的都是為了改善樁與樁端和樁側(cè)土的接觸條件，提高樁的承載力以及減少不均勻沉降。鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)作為一種比較先進的施工技術(shù)，具有提高單樁承載力、降低建筑物沉降量、節(jié)約成本、縮短工期等優(yōu)點，其功效已被大量的工程實踐所證明。

2 工程概況

長春市地鐵5 號線工程某站，車站總長316.4m，寬21.7m，地下兩層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，本站位于長春市主干道，車站小里程端位于環(huán)島處，環(huán)島處為五路交匯，交通繁忙，管線眾多，主體跨路口部分采用蓋挖法施工，剩余部分主體采用明挖法施工。蓋挖法施工段覆土約為3.6m，基坑深度約為18.3m。本站為松遼平原東部高平原地貌，車站范圍內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)地層，由粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化巖層組成。穩(wěn)定水位埋深2.3m，進入車站主體結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，基本位于結(jié)構(gòu)頂板上頂面。

3 設(shè)計方案的選定

蓋挖法車站工法比選:

結(jié)合車站功能要求，綜合場地環(huán)境條件、工期等因素本站局部采用蓋挖法施工，蓋挖法車站主要的施工工法為：蓋挖順作法和蓋挖逆作法，工法優(yōu)缺點對比如表1。

表1 工法對比表

從工法優(yōu)缺點對比可以看出，蓋挖逆作法基坑整體穩(wěn)定性更高，對周邊建筑物破壞較小，又結(jié)合全國及長春地區(qū)蓋挖法車站施工經(jīng)驗，本站的設(shè)計方案擬采取蓋挖逆作法來進行設(shè)計。

4 后注漿對單樁承載力的影響分析

單樁的極限承載力由極限摩阻力和極限端阻力構(gòu)成，欲提高單樁承載力可增加樁徑、樁長或混凝土強度、提高樁端阻力及樁側(cè)摩阻力。

后注漿承載力計算是一項經(jīng)驗性很強的工作，雖然后注漿技術(shù)在工程實踐中取得了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益，但關(guān)于后注漿承載力的理論計算仍然有待完善。下面為長春市地鐵5 號線工程某站的單樁承載力計算實例：

4.1 計算過程及分析

4.1.1 基本計算參數(shù)

樁直徑2m，樁長15m，頂板0.9m，中板0.4m，頂梁1.5X1.6m，中梁1.2X1.0m，鋼管柱柱距8.5m，鋼管柱長10.72m，地面超載20KN/m2，車站覆土深度按3.6m 計算，跨度取21.7m 計算，鋼筋混凝土容重25kN/m2。鉆孔灌注樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值85kpa，鉆孔灌注樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值1200kpa（如圖1）。

圖1 蓋挖段基坑平面布置圖

4.1.2 單樁承載力計算

中樁單樁（面荷載轉(zhuǎn)換成線荷載）：(6.3+9.2)/2=7.75柱下樁基自重：3.14*1*1*18*25+3.14*0.4*0.4*10.72*25+0.45*10.72*10=1595.9kN

覆土自重：20*3.6*8.5*(6.3+9.2)/2=4743kN

地面超載：20*8.5*(6.3+9.2)/2=1317.5kN

結(jié)構(gòu)自重（板、梁自重）：25*0.9*(6.3+9.2)/2*8.5+25*1.5*（1.6-0.9）*8.5+25*0.4*(6.3+9.2)/2*8.5+25*（1-0.4）*1.2*8.5=2517.1kN

荷載總重:1595.9+4743+1317.5+2517.1=10173.5kN

單樁承載力根據(jù)規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008中5.3.6 章節(jié)公式計算：

單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值：3.14*2*1*0.928*85*18+3.14*1*1*0.928*1200=12413.3kN

單樁承載力特征值：12413.3/2=6206.7kN＜10173.5kN

單樁承載力不滿足要求，需采取后注漿措施（本文僅考慮樁端后注漿措施），對土體進行加固從而提高承載力。

后注漿單樁承載力根據(jù)規(guī)范《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008 中5.3.10 章節(jié)公式計算：

樁基位于泥巖層，根據(jù)規(guī)范取值，后注漿灌注樁端阻力增強系數(shù)βp 取2.2，側(cè)阻力增強系數(shù)βsi 取1.7。

后注漿非豎向增強段的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值：3.14*2*1*85*（18-12）=3202.8kN

后注漿豎向增強段的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值：3.14*2*1*1.7*85*12=10889.5kN

后 注 漿 總 極 限 端 阻 力 標(biāo) 準(zhǔn) 值 ：2.2*1200*3.14*1*1=8289.6kN

后注漿單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：（3202.8+10889.5）*0.928+8289.6*0.928=20770.4kN

后注漿單樁極限承載力特征值：20770.4/2=10385kN＞101 73.5KN，滿足豎向承載力要求。

4.2 有限元數(shù)值分析

為保證設(shè)計方案的可行性及工程安全性，設(shè)計過程中采用MIDAS-GTS 有限元計算軟件，建立有限元模型，模擬樁基采用后注漿措施后對周圍土層的影響，從而提高單樁承載力，達到指導(dǎo)設(shè)計的目的。

模擬施工步驟：

4.2.1 施作車站兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)、中間鋼管柱及樁下基礎(chǔ)。

4.2.2 開挖基坑至蓋挖頂板底，施作蓋挖段頂板。

4.2.3 回填頂板上方覆土，恢復(fù)交通。

4.2.4 開挖負一層土方，施作車站負一層側(cè)墻及中板。

4.2.5 開挖負二層土方，施作車站負二層側(cè)墻。

4.2.6 開挖至基坑底,施作底板（如圖2）。

圖2 有限元計算模型

模擬計算結(jié)果（如圖3-4）。

圖3 未采用后注漿措施工況

通過數(shù)值模擬分析可知，采用后注漿措施后，樁基沉降量減少，單樁承載力得到提高。在實際工程中由于承載力增加的幅度有限，因此存在一個最優(yōu)注漿量的問題。注漿量在實際工程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場試樁資料和當(dāng)?shù)氐钠渌こ痰慕?jīng)驗來確定。

5 后注漿技術(shù)要求及在工程中應(yīng)用

5.1 鉆孔灌注樁后注漿的定義

鉆孔灌注樁后注漿是指鉆孔灌注樁在成樁后，由預(yù)埋的注漿通道用高壓注漿泵將一定壓力的水泥漿壓入樁端土層和樁側(cè)土層，通過漿液對樁端沉渣和樁端持力層及樁周泥皮起到滲透、填充、壓密、劈裂、固結(jié)等作用來增強樁側(cè)土和樁端土的強度，從而達到提高樁基極限承載力，減少樁基沉降量的一項技術(shù)措施。

5.2 注漿方案的設(shè)計

注漿方案的設(shè)計主要是根據(jù)巖土工程勘察報告的閱讀及周邊環(huán)境的調(diào)查情況，結(jié)合周邊已有建筑注漿工程的類比，針對工程上部荷載特點及承載力變形的要求，最終確定經(jīng)濟合理、施工方便、節(jié)約工期的一套設(shè)計優(yōu)化方案。

5.3 樁端注漿樁的豎向抗壓承載力設(shè)計

樁端后注漿灌注樁的單樁極限承載力，應(yīng)通過靜載試驗確定。經(jīng)過樁端后注漿，不但端阻力有了較大的提高，樁側(cè)摩阻力也有了較大的提高。單樁豎向抗壓極限承載力在砂礫層中一般可提高40%，中砂層中可提高30%，粉砂層中可提高25%，粘土層和淤泥質(zhì)土層中可提高10%～15%，基巖中提高15%來設(shè)計，主要與樁底土層性狀、樁底注漿的注漿量及注漿工藝有關(guān)。

5.4 中間柱下樁基試樁技術(shù)要求

圖4 采用后注漿措施工況

中間樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑2000mm，樁長為15m，樁基承載力特征值≥10000。

中間樁基施工前應(yīng)做單樁豎向抗壓靜載試驗（不可做樁的原位試驗），試驗樁數(shù)不少于3 根，應(yīng)由有資質(zhì)的檢測單位、依照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011 實施。試驗數(shù)據(jù)隨時反饋設(shè)計，試驗樁的單樁承載力不應(yīng)小于設(shè)計的單樁承載力，樁頂沉降不應(yīng)大于設(shè)計要求，否則應(yīng)通知設(shè)計，做相應(yīng)調(diào)整。樁基施工也應(yīng)按照上述規(guī)范要求逐根進行樁身完整性檢測。

樁基靜載試驗中應(yīng)注意中間樁基的有效樁長范圍，準(zhǔn)確反應(yīng)承載力。

6 結(jié)論

大量工程實踐表明：樁端后注漿技術(shù)和樁側(cè)后注漿技術(shù)用于鉆孔灌注樁能成功的解決鉆孔灌注樁存在的問題，大幅度的提高鉆孔灌注樁的承載力、減小鉆孔灌注樁的沉降。同時，該技術(shù)對各種地層具有較強的適應(yīng)性，并且對施工設(shè)備、施工工藝的要求簡單，經(jīng)濟、社會效益十分明顯。