素混凝土钻孔桩在松软地基处理中的应用

2012-05-14王金艳

铁道勘察 2012年4期

王金艳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

素混凝土桩是在碎石桩中加入适量的中砂、水泥和水将其搅拌，形成一种黏结度较高的刚性桩体。素混凝土桩与CFG桩在受力和变形特性方面非常相似:具有一定的强度，为刚性桩，工作性状于散体材料桩有很大不同，不需要周围土体的约束作用就可以将竖向荷载传递到深部土层或者持力层上。素混凝土刚性桩复合地基提高承载力幅度大(一般能使地基承载力提高50% ～100%)，变形模量高。根据不同的配比，素混凝土桩桩身混凝土强度可任意调节，通过改变桩长、桩径、桩距、桩身强度、垫层厚度等设计参数，满足地基处理加固要求。素混凝土钻孔桩相对于CFG桩施工工艺钻孔成桩方式要多，更能适应场地的选择。

2 设计理论

2.1 复合地基承载力设计计算

(1)计算公式

复合地基承载力

式中 m——桩土面积置换率;

Ap——桩的面积/m2;

α——桩间土强度提高系数，本次设计可取值1;

β——桩间土强度发挥系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，本线在设计中取值0.85;

Ra——单桩竖向承载力特征值(kN)可按下式计算

式中 up——桩周长/m;

n——桩长范围内所划分的土层数;ιi——第 i层土的厚度/m;

qsi、qp——桩周第 i层土的侧摩阻力、桩端阻力特征值/kPa。

2.2 复合地基变形计算

在荷载作用下，复合地基的总沉降量s包含两部分(褥垫层的变形很小，可以忽略不计):加固区压缩量s1+下卧层压缩量s2。下卧层的压缩量s2用分层总和法计算，具体计算根据《建筑地基基础设计规范》的有关规定进行计算;加固区压缩量s1存在以下几种计算方法。

(1)计算方法的选取

应力修正法:根据复合地基桩间土分担的荷载，按照桩间土压缩模量，采用分层总和法计算桩间土的压缩量，将计算得到的桩间土的压缩量视为加固区土层的压缩量，该法称为计算复合地基加固区压缩量的应力修正法。公式中采用的桩土应力比与桩土相对刚度、荷载大小及施压方式、置换率、褥垫层及下卧层物理力学性质等因素有关。

桩身压缩量法:假定桩体不发生上下刺入而通过桩身的压缩量来计算加固区的变形，一般适用于柔性桩或下卧层刚度比较大的情况，显然素混凝土桩复合地基处理深厚软土地基采用这种方法不合适。

复合模量法:CFG桩复合地基在行业规范(《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79))中规定的设计方法。该方法在理论上还存在较大的缺陷，最大的问题是在桩土协同变形前提下加固区沉降如何发生。该方法采用了较多的经验系数，严格意义上说，只是一个经验公式，可能在总沉降的计算上具有一定的可靠度，很难做到将各地层沉降去分别分析研究。从这个意义上讲，其沉降发生机理研究还是一件值得做和需要做的事情。

(2)素混凝土桩理论计算

首先确定前提条件:压缩层厚度根据附加应力/自重应力不大于0.1;路堤成形后静置沉落期按6～12个月考虑;路堤本体压密沉降不计入工后沉降;复合土层的压缩模量。

复合模量法考虑桩土协同承载，计算时复合土层分层与天然地基相同，复合土层的模量等于该层天然地基模量的ζ倍，ζ值可按下式确定

式中 fak——天然地基承载力特征值/kPa;

fspk——复合地基承载力特征值/kPa。

复合地基主固结沉降计算可按下式进行

式中 n1——加固区范围内土层分层数;

n2——沉降计算深度范围内土层总的分层数;

p0——线路中心处的附加应力，kPa;

Esi——地面下第i层土的压缩模量，MPa;

Zi、Zi－1——地面至第 i层土、第 i－ 1 层土底面的距离/m;

ψ——沉降计算修正系数，可按表1取值。

表1 修正系数的取值

表中¯Es为变形计算深度范围内压缩模量的当量值，应按下式计算

式中 Ai——第i层土附加应力沿土层厚度积分值;

Esi——第i层土压缩模量值/MPa，桩长范围内按复合土层的压缩模量取值。

3 工程实践

3.1 工程概况

本工程位于站场内，线路以填方通过，地形较平坦开阔。路堤中心填高7.2 m，边坡最大高度7.5 m。

地层:粉质黏土，黄褐色，软塑，局部硬塑，含大量铁质氧化物，土质均匀，其中0～0.3 m为耕植土，3.8～4.7 m为褐灰色，厚约5.8，承载力140 kPa;中砂，褐灰色，稍密，5.8～6.1 m为潮湿，6.1～8.1 m为饱和，土质不均匀，黏粒含量较高，含少量云母碎片，厚约1.45 m，承载力190 kPa;细砂，褐黄色，稍密，饱和，主要成份为长石、石英，含少量云母碎片，厚约4.9 m，承载力140 kPa;粗砂，灰黄色，中密，饱和，主要成份为长石、石英，含10% ～15%的圆砾，其中16.8～17 m为粉质黏土夹层，厚约5.3 m，承载力140 kPa;中砂，浅灰色，中密，饱和，主要成份为长石、石英，承载力300 kPa。

原设计地基加固采用CFG桩，桩长28～28.4 m。线路在某处与220 kV高压电线相交，与线路大里程方向交角为80°2'46″，交叉范围内距原地面最小距离为11 m，高压线设计改移方式为抬高。因高压线改移施工工期尚不确定，CFG桩施工设备较高，无法在现状下施工，需改变加固措施，进行变更设计。

3.2 地基处理要求和方案比选

根据本段地质勘察资料和线路轨道设计标准，为满足稳定和沉降等要求，需进行地基处理。无碴轨道工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm;沉降比较均匀、长度大于20 m的路基，允许的最大工后沉降量为30 mm。路基的稳定安全系数考虑列车荷载作用时不小于1.25。

地基处理的方法很多，为选出最优的地基处理设计方案，从经济、技术、施工、处理后的复合地基承载力等方面进行简单的对比(如表2所示)。

表2 地基处理方案比选

综上所述，素混凝土桩能够节约大量钢材，加固后的地基承载力大幅度提高，施工机械能满足要求，初步决定采用素混凝土桩进行地基加固处理。

3．3 素混凝土桩地基加固设计

(1)设计参数

素混凝土桩径采用500 mm，首选砂层为桩端持力层，桩长28 m。采用矩形布置，间距1.5 m。桩身混凝土采用C20强度等级(如表3所示)。

表3 路基系数

(2)结论

根据公式，选取地质参数地质剖面中柱状图计算，计算单桩承载力最小值600 kN，但考虑到地层有一定的起伏及其不良地质影响，实际取用单桩承载力特征值为600 kN。

计算地基变形需要预估算路基在施工期间和预压铺轨期间的地基变形值，以便预留有关部分的净空，选择连接方法和施工顺序。一般路基在施工期间完成的沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已完成80%以上，对于其他低压缩性土可认为已完成最终沉降量的50%～80%，对于中压缩性土可认为已完成20% ～50%，对于高压缩性土可认为已完成5% ～20%。本工程经计算得出总沉降为32 mm，按照铺轨运营之前完成60%，满足规范要求。

3．4 影响沉降计算精度的因素

鉴于无砟轨道路基沉降控制标准已经到了毫米级的精度，对于沉降计算精度提出了更高的要求，但是土质地基毕竟不是精密仪器，土力学理论发展到今天，变形计算误差尚无法保证控制在厘米范围。下列因素直接导致了地基变形计算很难提升精度:

①钻孔取样难以避免的扰动，试件存放，化验过程中仪器、操作人员水平的差异将直接导致误差发生。

②从设计计算方法可以看出，有很多经验系数，其取值范围往往相差很大，其峰值与谷值的差别远远超出了计算精度要求。

③CFG桩及预制管桩虽然在我国目前采用的设计方法中并不相同，但是对于路基荷载而言，其作用方式并无很大区别。两种方法在形式及设计思路上存在较大差异。本工程素混凝土桩采用的计算理论同CFG桩，因复合地基理论本身具有一定假定条件，对于路基荷载而言，其作用方式与其假定也较大差异，是否合理有待进一步试验、研究确定。

④压缩层厚度的确定也存在较大差异，不同的确定标准直接导致的沉降差异已经远远超过了无砟轨道变形控制标准。法国以路堤底宽的3倍来确定压缩层厚度;德国采用按附加应力等于0.1倍自重应力确定。

⑤桩体复合地基上基础刚度大小、是否铺设垫层、垫层厚度等都对复合地基受力性状有较大影响，在桩体复合地基承载力和沉降计算中都要考虑这些因素影响。

复合地基技术正在发展，不少新的复合地基形式得到应用，应该说复合地基的计算理论还很不成熟，需要加以研究、发展、提高。