(廈門安能建設有限公司，福建 廈門 316000)

1 引 言

河道整治是著眼于泄洪除澇、水土保持和航運功能的河道疏浚和護岸建設。南方地區(qū)臨河而居已成一種生活傳統(tǒng)，河道整治拓寬往往會遇到局部房屋密集區(qū)域。目前，河道兩側的支護形式多為剛性擋墻結構，這類型護岸往往涉及到大范圍土方開挖，需征用大量土地，也對沿岸的村民生活造成干擾，為社會和諧發(fā)展帶來隱患[1-2]。這就要求我們積極探索新技術。鋼管模袋擠密樁復合結構是綜合應用“控制性水泥灌漿工藝”[3]“濾排水式壓入水泥漿液的施工方法”[4]等發(fā)明專利技術而形成的新型復合支護體系，可對周邊建筑進行有效的保護，并且將臨時性的基坑圍護結構與永久性結構有機結合，可應用于軟土地基處理、軟土基坑圍護、河道邊坡加固和擋土墻修筑。

鋼管模袋擠密樁新型復合結構的構建方法為：采用地質鉆機直接在淤泥地層中鉆孔，在鉆孔內安裝鋼管、灌漿設施、排水設施和模袋裝置等，通過控制性灌漿方法將漿液灌入模袋，模袋樁體逐漸擴大并擠壓周邊淤泥。因此，周邊淤泥中的液相和氣相經過預先埋設的排水設施排出地表，樁體周邊淤泥得到一定程度固結；在模袋樁本體形成和模袋樁體之外的淤泥被擠壓固結之后，通過在模袋樁內部預先設置的灌漿裝置，對樁體底部淤泥進行控制性灌漿，在樁底向外推擠淤泥并形成新“巖體”。鋼管模袋樁按柱列式布置，并通過樁頂圈梁和斜拉模袋錨固樁將鋼管模袋樁連接成墻，用以承受側向土壓力。

鋼管模袋擠密樁新型復合結構的優(yōu)勢在于：?模袋材質為常規(guī)的雙層土工布，利用模袋來控制水泥漿在軟弱淤泥層中的無序竄漿和擴散現(xiàn)象，不僅能形成有效的樁體，而且可以降低支護結構成本；?充分利用灌漿壓力將水泥漿液灌入模袋，在模袋不斷膨脹—飽滿—結實的成樁過程中，使部分淤泥體得到一定程度固結；?在樁體中加入鋼管構成的一種組合材料，可加強樁體的抗拉性能，改善樁體力學性質；?通過對樁底淤泥進行控制性灌漿，漿液迅速凝結為膏狀凝膠體，逐漸向外推擠周邊淤泥，凝膠體在擠出的空間中硬化成樁端部擴大頭新巖體，大幅提升復合結構的承載力；?樁頂采用圈梁將柱列式鋼管模帶擠密樁連接成一體，斜拉模袋錨固樁將樁體錨固于岸堤內，穩(wěn)定性好。

2 工程概況

梧垵溪發(fā)源于晉江市的高州山，主河道長10.1km。梧垵溪洪澇災害頻繁發(fā)生，直接影響到沿線人民的生命財產安全和經濟發(fā)展。為此，晉江市及石獅市高度重視，實施河道治理工作。該治理工程的難點在于河道右岸(石獅地界)用地極為緊張，堤線距離建筑物較近，特別是石獅市供水公司的進水管道、制水及供水車間位于河道邊，不僅河道拓寬受限，稍有不慎，將造成中心城市供水中斷。因此，該段河道整治方式不能采取常規(guī)的開挖清淤再建擋墻的方案，必須先采取圍護樁的形式進行岸坡防護，再進行清淤疏浚。根據地質勘察報告分析，該部分河段地層為粉質黏土、淤泥、殘積土，淤泥層厚度為5.8～15.5m，擋土高度約為5.0m。最初考慮單排鉆孔灌注柱加預應力擴孔錨索和雙排鉆孔灌注柱兩種方案，但由于在現(xiàn)有建筑物下進行錨索施工存在困難[5]，又無建筑物樁基設計資料，在建筑物下方施打擴孔錨索存在安全隱患；而且“雙排樁”方案需要較寬的施工場地綁扎鋼筋籠和澆筑混凝土，施工時需要大型設備，進場施工需要通過供水箱涵，加上施工鉆孔位置距離供水箱涵較近，存在諸多難以控制的施工風險，而放棄這兩種方案。最后，通過大量技術論證，決定采用鋼管模袋擠密樁新型復合結構，并在石獅自來水公司供水箱涵段開展試驗研究。

選擇距引水箱涵7.5m處為試驗工程段。模袋樁孔中心間距為0.6m，模袋樁樁徑為0.5m，共16個模袋充灌樁。造孔深為14m，其中樁上段8m為通長模袋樁體，下段6m為控制性水泥灌漿加固區(qū)域，如圖1所示。模袋樁體系布置為單排豎向主體鋼管模袋樁+斜拉模袋錨固樁，如圖2所示。斜拉模袋錨固樁采用通體模袋樁，按長度1.2m間隔跳孔布置。為保證模袋樁體的形成和控制，在樁頂預先設置了定位鋼梁，鋼管模袋擠密樁新型復合結構的現(xiàn)場效果如圖3所示。

圖1 鋼管模袋擠密樁新型復合結構體剖面 (單位：mm)

圖2 鋼管模袋擠密樁和斜拉樁剖面 (單位：mm)

圖3 鋼管模袋擠密樁新型復合結構現(xiàn)場效果 (單位：mm)

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 監(jiān)測內容

為了驗證和完善鋼管模袋擠密樁新型復合結構在加固軟弱地基的有效性、復合結構的安全穩(wěn)定性和對周圍建筑物影響的可控性等，對試驗段的支護結構和周圍土體變形和受力特征進行了系統(tǒng)的監(jiān)測研究。監(jiān)測點布置主要選擇在6～11號樁體靠供水箱涵側，具體如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點平面布置

采用DS2型自動安平精密水準儀對6號樁后地表垂直位移進行監(jiān)測，并配有測微器、銦瓦水準尺，3個垂直位移監(jiān)測點距離6號樁中心的距離分別為1m、3m、6m；采用振弦式鋼筋應力計對7號和10號樁應力進行監(jiān)測，鋼筋應力計與鋼管進行焊接，沿每根樁身自上至下布置8個鋼筋應力計，間距為1m；為了減少斜拉樁對土壓力測試的影響，在8號和9號樁之間設置3個鉆孔，每個孔內自上至下布置10個土壓力盒，間距為1.5m；在11號樁后設置3根測斜管測試土體深層水平位移；為了檢驗鋼管模袋擠密樁新型復合結構的支護效果，在供水箱涵的側邊頂部土體布置位移監(jiān)測點，對供水箱涵頂部土體的垂直和水平位移進行測量。

3.2 監(jiān)測結果和分析

3.2.1 深層水平位移結果與分析

在鋼管模袋樁靠供水箱涵側布設3根測斜管，分別距離模袋樁中心距離為1m、3m和6m，管長都為18m?？臻g效應對該位置的位移影響較小，可近似認為是平面應變狀態(tài)。深層水平位移的正值表示往供水箱涵方向偏移，負值則相反，3個孔的深層水平位移如圖5所示。其中，0天表示測斜管安裝之后，鋼管模袋樁施工之前；鋼管模袋樁和斜拉模袋錨固樁在0～0.5天期間施工完成；鋼管模袋樁底部淤泥的控制性灌漿在0.5～1天期間完成；河道開挖在29～30天期間完成，挖深5m；45天代表河道開挖完成后15天。

由圖5(a)可以看出，鋼管模袋樁施工之前，地層深層水平位移沿深度方向變化不大。隨著鋼管模袋樁和斜拉樁的施工，鋼管模袋樁周邊土體呈現(xiàn)較大的向供水箱涵方向的水平位移趨勢。鋼管模袋樁體和斜拉樁施工完后(0.5天時)，通過對測斜管監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，地層水平位移呈現(xiàn)較大的向供水箱涵方向的趨勢，并且土體深層水平位移隨深度增大而增大，當深度大于8m以后，地層深層水平位移接近0。分析可知，模袋樁體和斜拉樁施工是通過控制性灌漿技術將漿液灌入模袋，隨著模袋樁體的擴大，模袋樁體之外的淤泥受到擠壓變形，這就造成測斜管發(fā)生變形；另外，由于模袋樁和斜拉樁只有8m深，因此，模袋樁體施工對深度8m以下的地層水平位移影響不大。在模袋樁本體形成后，通過在模袋樁內部預先設置的灌漿裝置，對樁體底部范圍內淤泥進行控制性灌漿，引起測斜管深度8～14m范圍內出現(xiàn)較大的地層水平位移。這主要是由于樁底控制性灌漿對周邊土體持續(xù)擠壓造成。雖然樁底控制性灌漿是在深度為8～14m內進行，但是8m以上范圍內的測斜管也有一定的水平位移，分析可知，由于測斜管是埋設在較軟的淤泥里，而測斜管又有一定的剛度，測斜管底部由于樁底控制性水泥灌漿發(fā)生較大的位移，這就造成測斜管上部也產生了一定位移。河道在第29天進行開挖，因此在第30天的水平位移較第1天有少量減小，這表明河道開挖會造成鋼管模袋樁背部土層發(fā)生水平位移，但位移只有5～30mm。第45天對深層水平位移進行了復測，第45天和第30天的深層水平位移相比大致不變，表明河道開挖后土體深層水平位移基本停止。

圖5 深層水平位移沿深度的變化曲線

從圖5(b)可以看出，0.5天對應的深層水平位移較小，表明鋼管模袋樁和斜拉樁施工雖然會對周圍土體產生較大的擠壓，但3m處的土體受到的作用基本可以忽略不計。1天對應的深層水平位移較0.5天僅在深度8～14m處有明顯變化，這表明樁底控制性注漿會對3m處的土體產生影響，但最大位移只有20mm，說明樁底注漿的影響不大。1天以后的土體深層水平位移基本上沒有變化，這表明，河道開挖對3m處的地層沒有影響，鋼管模袋柱對河道周邊土體起到了很好的支護效果。

從圖5(c)可以看出，距離樁中心6m處的土體深層水平位移在任何時候的變化都很小，這表明鋼管模袋樁和斜拉樁施工、樁底灌漿以及河道開挖都對該處土體沒有影響、進一步證實了復合結構有較好的支護效果。比較圖5可以發(fā)現(xiàn)，對任意時間的地層深層水平位移來說，距離樁中心越遠，土體的深層水平位移越小，這表明：雖然模袋樁及淤泥硬化復合結構的施工會使周邊土體產生較大變形，但是這種影響隨距離越遠而逐漸減弱。

3.2.2 土壓力隨時間的變化特征

在支護結構設計中，土壓力的估算關系到工程安全，雖然目前有很多土壓力的計算理論，但是支護結構的復雜性使得土壓力分布特征也趨于復雜。由圖6(a)可以看出，對任意時間的土壓力來說，土壓力沿深度方向呈線性增大趨勢，大致符合經典土壓力理論給出的分布規(guī)律。比較0天和0.5天對應的土壓力可以發(fā)現(xiàn)，在0～8m深度范圍內土壓力有一定程度的增大。這主要是由于施工過程中產生沿軸向的擠壓對1m處的土體產生了一定的附加土壓力，這種附加土壓力大致分布在0～8m深度范圍內。其次，比較0.5天和1天對應的土壓力可知，8～14m范圍內的土壓力有明顯增大，這主要是因為樁底控制性注漿對1m處土體的擠壓力產生的附加土壓力。自第1天以后的土壓力沒有明顯的變化，說明土壓力趨于穩(wěn)定，與靜止土壓力比較接近，進一步證實了支護樁起到了很好的支護效果。從圖6(b)可以看出，樁底注漿過程中，8～14m范圍內的土壓力有一定程度增大，這是樁底灌漿產生的擠壓力所致。但其土壓力增大值僅為5kPa左右，要小于圖6(a)中土壓力的增大值，這說明樁底灌漿產生的擠壓力隨距離增大而減弱。而圖6(c)中土壓力隨深度變化的規(guī)律基本上不隨時間變化，證明復合結構施工和河道開挖對距離6m處的土壓力沒有影響，這也進一步印證了土體深層水平位移的變化規(guī)律。

圖6 土壓力沿深度方向的變化曲線

3.2.3 樁身截面彎矩分布特征

通過樁體內的鋼筋應力來計算鋼管模袋樁受到的彎矩，圖7給出2個典型斷面上鋼管模袋樁的彎矩分布。由圖7(a)可以看出，在鋼管模袋樁施工之前(0天)以及施工之后(28天)這段期間，樁身彎矩很小，沿深度方向的變化也很小。河道在第29天進行開挖，可見第30天的彎矩變化很大，沿深度方向呈現(xiàn)正負交替變化的趨勢。一般來說，河道開挖面以上的開挖側鋼筋受拉，非開挖側受壓，彎矩表現(xiàn)為正值；然而河道開挖面以下樁體的受力剛好相反，彎矩表現(xiàn)為負值。因此，鋼管模袋樁的某一深度處存在彎矩為零，即為反彎點。例如：第30天時，在樁身-2m和-7m位置分別出現(xiàn)正的最大彎矩值和負的最大彎矩值，表明這兩處分別受到較大的向河道開挖側和供水箱涵側的翹曲，反彎點大致在-5m處。并且，在第45天測得的彎矩和第30天的彎矩特征大致相同，表明河道開挖后鋼管模袋樁的受力變化很小。其次，比較圖7(a)和圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)：兩根鋼管模袋樁的彎矩特征大致相同，這進一步表明圍護結構受到的土壓力比較均勻。

圖7 樁身彎矩沿深度方向的變化曲線

3.2.4 地表位移結果與分析

圖8為離鋼管模袋樁中心不同距離處的地表垂直位移隨時間的變化曲線。圖9為箱涵側邊頂部土體的水平位移和垂直位移。由圖8可以看出鋼管模袋樁和斜拉樁施工期間，3個不同位置處的地面均表現(xiàn)出不同程度的地表隆起，在鋼管模袋樁和斜拉樁施工完成以后，地表垂直變形趨于穩(wěn)定。分析可知，復合結構施工對土體有一定的擠壓，造成較大的地表垂直變形。比較這3種不同距離處的地表垂直位移可以發(fā)現(xiàn)，距離鋼管模袋樁中心越遠，地表垂直位移越小，說明鋼管模袋樁施工對土層變形的影響隨距離增大而逐漸減弱。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，供水箱涵的水平位移和垂直位移都很小，大致在2mm左右波動，這說明復合結構施工對供水箱涵的擾動很小，基本上可以忽略不計，并且河道開挖對供水箱涵的影響也很小，供水箱涵在整個施工過程中是安全的。

圖8 不同位置處地表垂直位移隨時間的變化曲線

圖9 供水箱涵側邊的土體水平位移和垂直位移隨時間的變化曲線

4 結 論

a.鋼管模袋擠密樁新型復合結構施工過程中，復合結構周邊土體均呈現(xiàn)明顯的水平位移，并且土體水平位移隨深度增大而減小。但是，隨著離樁中心的距離越遠，復合結構施工對土體變形的影響越小。其次，河道開挖以后，復合結構后土體的深層水平位移較開挖前變化很小，表明鋼管模袋擠密樁新型復合結構起到很好的支護作用。

b.土壓力沿深度方向為三角形分布，大致符合經典土壓力理論給出的分布特征。距離樁中心1m處的土壓力在樁體施工以及樁底注漿過程中有少量增大，這主要歸因于樁的施工造成的附加土壓力。但是，當距離樁中心3m處，僅樁底注漿會對土壓力有影響。距離樁中心6m處，樁體施工以及樁底注漿均對土壓力沒有影響。

c.河道開挖前，樁身彎矩很小，沿深度方向的變化也很小。河道開挖后，樁身彎矩沿深度方向呈現(xiàn)正負交替變化的趨勢。一般來說，河道開挖面以上的開挖側樁體受拉，非開挖側受壓，彎矩表現(xiàn)為正值；然而河道開挖面以下樁體的受力剛好相反，彎矩表現(xiàn)為負值。因此，鋼管模袋樁的某一深度處存在彎矩為零，即為反彎點。

d.鋼管模袋擠密樁新型復合結構的施工期間，樁周邊地面均表現(xiàn)出不同程度的地表隆起，施工完成以后，地表隆起趨于穩(wěn)定。并且距離越遠，地表隆起程度越小，說明復合結構施工對土層變形的影響隨距離增大而逐漸減弱。其次，供水箱涵的水平位移和垂直位移都很小，說明該復合結構施工和河道開挖對供水箱涵的影響很小。

綜上所述，本工程采用直徑為500mm的主體鋼管模袋樁，在樁頂設置圈梁，圈梁下方設置斜拉式模袋樁，具有顯著的錨固作用，形成有效的“立體”受力結構體系，說明本工程的鋼管模袋擠密樁新型復合結構體系的設計安全可靠。對柔性的模袋布體進行控制性水泥灌漿，由柔性體轉變?yōu)閯傂泽w，由套裝在鉆孔之內的小體積，膨脹擴大為大于鉆孔直徑的模袋樁體，能夠滿足承載要求的結構尺寸，可以有效解決在淤泥中建造承載樁體的施工困難等問題。其次，以造孔灌漿形成的模袋樁為載體，對模袋樁底部淤泥進行控制性灌漿，形成新成巖體，可以充分發(fā)揮承載樁體及其樁端擴大新巖體的聯(lián)合作用。