賈劍青，劉 杰，賴遠(yuǎn)明，李明正

(1.蘭州交通大學(xué)交通 運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；3.中鐵十七局集團(tuán)有限公司 第三工程有限公司，河北 石家莊 050227)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，高壓噴射注漿技術(shù)逐漸應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的迅猛發(fā)展，高壓噴射注漿技術(shù)廣泛應(yīng)用于軟土地基加固處理、基坑支護(hù)及邊坡防護(hù)等工程領(lǐng)域[1-4]，并形成了一系列施工工法和技術(shù)[5-6]。單管高壓旋噴樁是利用高壓泵噴嘴中噴射出的高壓漿液沖擊破壞巖土體，同時(shí)借助于注漿管的提升和旋轉(zhuǎn)，使?jié){液與崩落土體混合攪拌并凝結(jié)，在土體中形成圓柱狀固結(jié)體[7-9]。單管施工法的固結(jié)體直徑較小，一般樁徑為0.4～1.4 m，單樁垂直極限荷載約為500～ 600 KN[8]。由于單管高壓旋噴樁技術(shù)具有適用范圍廣、施工簡(jiǎn)便、振動(dòng)噪音低及加固效果顯著等特點(diǎn)，因此在軟土地(路)基工程實(shí)踐中得以廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著高壓旋噴樁技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也針對(duì)其加固效果、工法及穩(wěn)定性等問題開展了廣泛的研究工作。 Croce P等[2]在樁體室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分析研究了旋噴樁樁體變形模量與單軸壓縮強(qiáng)度的相互關(guān)系及其變化規(guī)律；Shen S L等[9-10]通過(guò)試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，分析了樁體周圍黏土剪應(yīng)力的變化規(guī)律，并建立了深層混合樁施工過(guò)程中樁周超孔隙壓力的計(jì)算方法；Wu Y D[11]在對(duì)某高速公路旋噴樁加固軟土路基沉降監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，分析研究了該工程的加固效果以及該路基沉降的變化規(guī)律及特點(diǎn)；任連偉等[12]分析了高噴插芯組合樁的加固原理、施工工藝及其設(shè)計(jì)與質(zhì)量檢測(cè)要求及方法；李小杰[13]計(jì)算分析了旋噴樁復(fù)合地基承載力與試驗(yàn)樁數(shù)的變化規(guī)律以及樁體加固深度與承臺(tái)寬度的比值對(duì)復(fù)合地基沉降量的影響等；安關(guān)峰等[14]模擬分析了旋噴群樁的彈性模量、樁長(zhǎng)、樁徑以樁距等對(duì)復(fù)合地基承載力的影響；王志豐等[15]以圓形斷面自由紊動(dòng)射流理論為基礎(chǔ)，建立了高壓旋噴樁直徑的確定方法，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。本文以某鐵路樞紐西南環(huán)線鐵路路基加固改造工程為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論計(jì)算及數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究高壓旋噴樁的成樁質(zhì)量及單樁復(fù)合地基承載力。

1 工程概況

某鐵路樞紐西南環(huán)線所經(jīng)地區(qū)為沖積、海積平原，地形平坦，地勢(shì)開闊，大部分為坑塘、洼地，局部為農(nóng)田及貨場(chǎng)。本文選取了DK12+200—DK12+235工點(diǎn)為研究對(duì)象，地基地質(zhì)勘查結(jié)果見表1。

表1 地質(zhì)勘查結(jié)果

該軟土路基采用高壓旋噴樁加固技術(shù)，樁體采用32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，水灰比1.0；樁間距1.4 m，樁體采用等邊三角形布置，樁徑0.6 m，樁長(zhǎng)14 m，置換率為16.7%。高壓旋噴樁布置圖如圖1所示；施工參數(shù)見表2。

圖1 高壓旋噴樁布置圖(單位:m)

噴漿壓力/MPa轉(zhuǎn)速/(r·min-1)噴射流量/(L·min-1)提升速度/(m·min-1)每延米用料量/kg2015～2090～1000.15～0.20水泥∶濕土∶水=210∶486∶210

成樁28 d后，采用鉆孔取芯法在樁徑1/4處、全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)垂直鉆芯，鉆取了3個(gè)不同深度的芯樣試件并測(cè)試了其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果表明，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均不小于1.6 MPa。抽芯取樣樣本如圖2所示(由于篇幅有限，本文僅給出1#樁取樣樣本)；芯樣測(cè)試結(jié)果見表3。

圖2 1#高壓旋噴樁芯樣

編號(hào)鉆進(jìn)深度/m抗壓強(qiáng)度/MPa評(píng)價(jià)0～4.02.29合格1#4.0～10.01.73合格10.0～14.01.62合格0～4.02.34合格2#4.0～10.01.81合格10.0～14.01.67合格0～4.02.42合格3#4.0～10.01.98合格10.0～14.01.71合格

2 復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，旋噴樁結(jié)構(gòu)的完整性可劃分為4類：一類樁為樁身完整；二類樁為樁身存在輕微缺陷；三類樁為樁身存在明顯缺陷；四類樁為樁身存在嚴(yán)重缺陷或斷樁[16]。為確保旋噴樁的完整性[17]，對(duì)本工點(diǎn)的356根樁體均進(jìn)行了低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

成樁28 d后對(duì)單樁復(fù)合地基進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，并要求單樁復(fù)合地基承載力不小于150 kPa；試驗(yàn)選取4#，5#和6#樁進(jìn)行。試驗(yàn)采用地錨法，最大加載300 kPa；試驗(yàn)用荷載板為方形厚鋼板，邊長(zhǎng)1.33 m，壓板面積1.77 m2。承壓板底高程與基礎(chǔ)底面設(shè)計(jì)高程一致；壓板下鋪設(shè)中粗砂找平，厚度約20 mm，試驗(yàn)基坑寬度大于荷載板直徑的3倍。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，共分10級(jí)施加荷載，分級(jí)荷載為設(shè)計(jì)極限荷載的1/10，即30 kPa；每級(jí)荷載施加完成后，分別按時(shí)間間隔10，10，10，15和15 min測(cè)量地基沉降量，其后每隔30 min測(cè)量1次。當(dāng)連續(xù)2 h內(nèi)每小時(shí)的沉降量小于0.1 mm時(shí)，則認(rèn)為地基下沉趨于穩(wěn)定，可施加下一級(jí)荷載。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

復(fù)合地基荷載—沉降曲線如圖3所示。

圖3 單樁復(fù)合地基荷載—沉降曲線

由圖3可見：當(dāng)加載至300 kPa時(shí)，3組試驗(yàn)的壓板沉降量為21.97～23.91mm，荷載—沉降曲線均呈緩變形，比例界限和極限荷載不明顯, 在試驗(yàn)過(guò)程中復(fù)合地基承載力未達(dá)到極限狀態(tài)；在豎向荷載作用下，地基的壓密、局部剪切破壞和完全破壞特征不明顯。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[18]的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)荷載—沉降曲線是平緩的光滑曲線時(shí)，復(fù)合地基承載力特征值可按相對(duì)變形值確定。 取s/d=0.006(d為方形荷載板邊長(zhǎng)，本試驗(yàn)荷載板邊長(zhǎng)為1.33m；s為荷載板沉降量)，即s=0.006d=7.98 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)荷載值為單樁復(fù)合地基承載力特征值；計(jì)算所得單樁復(fù)合地基承載力特征值見表5。

表5單樁復(fù)合地基承載力特征值

編號(hào)最終荷載/kPa最終沉降/mm承載力特征值/kPa4#30021.971815#30023.291696#30023.91176

由表5可知：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得單樁復(fù)合地基承載力特征值為169～181 kPa，按相對(duì)變形值確定的地基承載力特征值不應(yīng)大于最大加載量的一半[18]，即單樁復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa，故滿足設(shè)計(jì)要求。

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》給出的高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值fspk計(jì)算式為

(1)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，本文取λ=1；m為面積置換率；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可取0.4～0.8，本文取β=0.4；Ap為樁的截面積，m2；R?為單樁豎向承載力特征值，kN，可分別按式(2)和式(3)計(jì)算，并取2式計(jì)算結(jié)果的較小值。

(2)

R?=ηfcuAp

(3)

式中：l為樁的周長(zhǎng)，m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，可取0.4～0.6，本文取αp=0.4；qp為樁端端阻力特征值，kPa，本文取qp=120 kPa；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，本文取η=0.25；fcu為樁身材料立方體抗壓強(qiáng)度，kPa，本文取fcu=5.0 MPa。

由式(1)—式(3)可得高壓旋噴樁單樁復(fù)合地基承載力特征值為248.7 kPa。從理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，理論計(jì)算所得高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值大于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值，且計(jì)算值是β與αp均取最小值時(shí)的結(jié)果，如果β與αp在取值范圍內(nèi)取較大的值，計(jì)算值將比實(shí)測(cè)值更大[13-16]。究其原因，雖然載荷試驗(yàn)是目前復(fù)合地基承載力試驗(yàn)的最常用方法之一[17]，但在工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，往往由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，試驗(yàn)過(guò)程中荷載并未施加至復(fù)合地基的極限狀態(tài)，因而也就不可能充分發(fā)揮復(fù)合地基的承載力作用，進(jìn)而也就不能獲得復(fù)合地基承載力的極限值。另外，按相對(duì)變形值確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載荷載的一半，由于最大加載值小于試驗(yàn)極限荷載值，導(dǎo)致按該方法所確定的復(fù)合地基承載力安全系數(shù)大于2[19-20]，使得承載力特征值取值偏于保守，因此出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值小于理論計(jì)算值的結(jié)果。

3 復(fù)合地基數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬

本文采用ABAQUS有限元模擬軟件建立高壓旋噴單樁復(fù)合地基的有限元模型，模型的長(zhǎng)、寬和高分別為20，20和30 m；模型邊界條件為：土體表面為自由邊界，四周為水平約束，底部為固定邊界。土體采用Mohr-Coulomb塑性模型[1,8]，樁體采用線彈性模型，高壓旋噴樁和土體均采用C3D8R單元模擬；網(wǎng)格劃分時(shí)，先在樁體及樁周邊緣布種，然后采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)。為使模擬過(guò)程更貼近工程實(shí)際，模擬加載共包括10個(gè)分析步。土體及樁體的物理力學(xué)參數(shù)見表6。

表6 樁體及土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬所得樁土應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示，復(fù)合地基荷載—沉降曲線圖如圖5所示。

由圖4可看出：隨著試驗(yàn)荷載的不斷加大，樁體沉降對(duì)樁周土體的影響也逐漸增大；以樁體為中心，樁周3 m范圍內(nèi)土體的沉降量較大，5 m以外土體的沉降量較小。

由圖5可看出：數(shù)值模擬所得單樁復(fù)合地基承載力特征值為155 kPa；數(shù)值模擬所得荷載—沉降曲線和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)荷載—沉降曲線的變化趨勢(shì)相同，且其比例界限和承載極限同樣不明顯；隨著荷載的不斷增加，復(fù)合地基沉降速率不斷增大；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得單樁復(fù)合地基承載力特征值略大于數(shù)值模擬計(jì)算值。這是因?yàn)殡S著施加荷載的增大，土體壓縮模量也隨之增加，而在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，彈性模量為常數(shù)；其次，工程施工過(guò)程中旋噴樁的樁徑在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)并不一致，樁體一般會(huì)呈葫蘆狀，且樁周表面粗糙，而在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)將樁體假設(shè)為圓柱體，且表面光滑。

圖4 不同荷載作用下樁土應(yīng)變?cè)茍D

圖5 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的復(fù)合地基荷載—沉降曲線

4 結(jié) 論

(1)該工點(diǎn)的356根高壓旋噴樁中，一類樁占95.5%，二類樁占4.5%；樁體強(qiáng)度均大于1.6 MPa。

(2)理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試所得復(fù)合地基承載力特征值均大于150 kPa，滿足該工程設(shè)計(jì)要求。

(3)試驗(yàn)測(cè)試所得高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值小于理論計(jì)算值，表明當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件有限，加載無(wú)法達(dá)到其極限狀態(tài)時(shí)，旋噴樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的取值標(biāo)準(zhǔn)偏于保守，所得復(fù)合地基承載力特征值偏小。

(4)數(shù)值計(jì)算所得高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值略小于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，但其差值較小，故當(dāng)不具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算的復(fù)合地基承載力特征值可作為設(shè)計(jì)施工的參考。