劲性复合桩治理航道施工质量检测研究

◎ 龚裕霞 江西省赣江船闸通航中心

劲性复合桩是一种水泥搅拌桩初凝前打入预制混凝土桩的同芯复合加固桩构型式，既能发挥高韧性、高强度、高载承能力材料和结构的工程效能，又能够在一定程度上降低工程成本。案例工程在加固内河航道坡岸中，应用劲性复合桩加固技术，在软土基础上应用实现该技术，加强施工过程中的结构和施工质量检测，是工程质量和安全的必不可少的技术保障。下文将结合案例应用，梳理介绍劲性复合桩加固内河航道坡岸现场质量检测相关内容和技术要点，以为劲性复合桩航道坡岸加固及现场质量检测应用提供技术参考。

1.工程概况

为某内河航道治理工程是省级重点工程项目，治理里程长达19.09km，按照IV级航道进行整治。所在区域海拔介于5.00～10.00m之间，属于低平河谷平原。广泛分布着深厚的粉土、粉质黏土和淤泥质粉质黏土，抗剪强度低，含水率偏高，易发生压缩变形，厚度达10多米。

为控制工后沉降，确保航道治理质量，须对软弱土层实施加固处理。原设计采用PHC管桩加固，但考虑该方法存在强度不足、抗滑能力差等不足。后决定采用等芯劲性复合桩加固，其芯桩为PHC管桩，径值30cm，壁厚5.50cm，外芯为水泥搅拌桩，桩径70cm，复合桩长度8.00m，桩间距1.70～2.00m，由内向外编号1#～4#。工程作业包括基础加固、C25混凝土重力护岸、挖掘土方、填筑坡岸等方面。

2.劲性复合桩工艺

2.1 工艺流程

劲性复合桩工艺流程：

（1）预制钢筋混凝土桩。

（2）制作水泥搅拌桩，实施4搅2喷工艺，严格遵守试桩所确定的钻杆沉入和提升速度，充分破碎桩位岩土。

（3）在水泥未完全凝固前（不宜超过6小时）进行PTC管桩插打，垂直度误差低于1.00%，水泥搅拌桩中心与劲芯误差低于3cm。

（4）养护时间至少为28天。

2.2 布桩方案

管桩原设计方案采用交错布设方式，在混凝土挡墙下设置管桩，并将桩顶与护岸之间铺设50cm厚碎石垫层，纵向桩间距为1.00m，横向桩间距为1.20～1.50m。复合桩也是在砼挡墙下方采用交错布设的方式，但纵向桩间距为1.00～1.20m，横向桩间距1.70～2.00m。

对于护岸下方地基土的加固，原管桩方案的坡岸稳定性和载承力功效准备比较充分，但所选PHC管桩的长度较长，桩径较宽，造价较高，同时每行均需要额外配置1根PHC管桩。复合桩方案采用壁薄PTC管桩，与最大直径的水泥搅拌桩搭配使用，区域内加固面积更广，且在施工时所需数量较原设计方案少。这种方法利用了土体自身的强度，因此其承载能力不亚于造价更高的钢管桩。水泥土桩采用粉喷工法，可以吸收多余水分，提高土体的有效应力，更适合在雨季或者在含水率较高的场地制桩。

2.3 回填进度安排

项目在建设年7～8月完成桩顶垫层施工，在8月下旬开始坡岸浇注作业，9月下旬开始坝墙后回填作业。具体分2个阶段：9月20日～9月28日作业日，从护岸内侧下沿开始，填方0～5.40m；10月31日～11月12日作业日，每天平均填方高度0.60m，完成5.40～9.30m回填作业。

3.现场施工安全和质量检测分析

为保障岸坡和建筑物的安全稳定，施工过程中每项作业都进行严格施工检测。虽然混凝土护岸浇注、开挖河道和回填护岸后体的作业时间稍有不同，但不影响同时检测。为利于对比分析，本研究所关注的4个监督断面，南北向处于同一直线。检测工作从护岸底部测斜管开始，历时18个月，经历了土压计的安装、延长测斜管至护岸顶部等准备工作和后续的测量。

3.1 深层水平位移检测与分析

（1）检测方法。深层水平位移是判断护岸结构稳定性的重要指标。测斜仪可以检测挡土墙内部及土体的侧向形变。

为实现检测深层水平位移，须在挡土墙浇注过程中预埋测斜导管，并准备长电缆和测斜仪以搜集数据。测斜导管采用塑料管，其内壁开4条导槽，两两对称形成滑移轨道。测斜仪设有上下两组导向轮，用于沿测斜仪的导向槽定位和升降。显示器通过电缆与测斜仪连接，以实现供电和信号传导，并兼顾升降牵引索，每隔50cm电缆设一标记。开始检测时，测斜仪的感应侧对准平向移位方向，滑轮被引导到导槽中。滑到管底，稳定后，测试管口到管底的距离并计数，向上拉回测斜仪，每50cm测试一次，然后将测斜仪旋转180度读取，消除仪器本身的误差。

（2）检测结果与分析。因为现场条件限制，只在40K+775～40K+786、40K+795～40K+806、40K+855～40K+866等3区域完成了测斜管的埋设工作，因此本研究只获得了此3处深层水平位移检测数据。测试结果显示，3个区域最终出现了朝向坡岸且面对空旷的侧向移位。其中水平方向的移位最大出现在40K+795～40K+806区域，达到了18.60mm，而水平位移最小出现在40K+855～40K+866区域，只有12.90mm，平均值为15.70m，占沉降均值41.60%。平向移位随着深度增加呈逐渐扩大的趋势，8.50～11.50m区域的相对平向移位较小，而6.00～8.50m区域的发展速度很快，0.50～6.00m区域的位移增长缓慢。推断估测8.50～11.50m区域的测斜管位处粉质黏土层中，土壤的刚度和强度都比原来地表淤泥质粉质粘土较高，所以其抗形变能力较强；而6.00～8.50米区域的测斜管被水平推向开阔侧，0.50～6.00米区域的测斜管位于挡土墙内部，其弹性模量大于土体，造成内部形变不明显。测斜管的平向移位与填方进程相关，但其增长速度逐渐放缓。两次填方期间，深层平向移位曲线变化间隔比较大，显示平向移位发展比较迅速，第1次填方周期，平向移位从0增加到了0.70cm左右，而第2次填方周期，则从0.80cm左右增加到12.00～16.00mm范围。间歇期和固结期平向移位较少。在填方完成10天后，水平位移趋于稳定。所有回填完成后，曲线区间很小，甚至几乎完全重合，说明水平位移基本没有发展。

3.2 桩顶和桩间土压力的检测与分析

（1）检测方法。利用压力传感器测量复合桩的顶部和区域间土壤的土压。在桩顶垫层施工期间，预埋压力计并测量和记录复合桩顶部和区域间土压初始读数。检测设备包括土压计和频率仪。内芯处和区域间土壤土压测量，使用体积比较大的振弦土压计，按每截面3个土压计配置；外芯测量使用体积正常规格的振弦土压计，按每截面2个土压计配置。在安装压力检测传感器之前，须对其给予标定。安装时，将土压计受压膜的一面朝上，底部填充5cm左右的中砂和细砂应整平压实，以确保水平装配。装配后，在周围覆盖10厘米厚的中细砂并压实。在测试过程中，需要用频率计读取土压力计内振弦振动频率，然后通过计算转换成实际压力。

（2）检测结果与分析。从开始检测起的初期10天对应第1次填方周期，10～40天对应填石周期，40～50天对应为第2次填方周期，50天后对应为固结期。图1内外芯的桩顶与桩间土压力的时程曲线表明，四个试验段的内外芯桩桩顶压力呈相似的趋势。在初期15天内压力增升比较快，2#桩外芯达到100～120千帕，内芯的桩顶土压达到300～350千帕，3#桩外芯达到120～140千帕，内芯的桩顶土压达到400～450千帕，而桩间土压的增长则较慢，仅在20～25千帕。10～45天填方间期，5个区域的土压增长比较小，45～60天内，内外芯的桩顶土压保持继续增长，2#桩外芯达到120～140千帕，内芯的桩顶土压达到500～550千帕，3#桩外芯达到140～160千帕，内芯的桩顶土压达到600～700千帕，桩间土压力则基本未发生增长，保持在30～35千帕。因为靠近河流侧的坡岸很高，达到了4.31米，而靠内侧的坡岸比较低，因此2#桩的内芯桩顶土压力则提升幅度相对偏小，而3#桩内芯的桩顶土压力发生最显著提升。第2次填方期间，2#桩内外芯的桩顶土压其增长速度高于3#桩，是因为与挡土墙相比，第二填土区更靠后，对桩2顶部土压力的影响比桩3更明显。但是稳定之后，3#桩顶土压仍大于2#桩，是由于挡土墙重度相对填方更高所致。

图1 内外芯的桩顶与桩间土的压力时程变化曲线

在第一次填方周期内，土拱效应发挥作用，但其影响并不明显。因此复合桩内外芯的承载力没有明显差异。与桩顶土压力状态相比，桩间土压力增加最小。随着回填的进行，土拱效应越来越明显，桩顶应力集中明显，桩间土的承载影响变弱。表现为外芯桩顶土压呈现小幅增长，内芯桩顶土压力则增速加快，但桩间土压力增加幅度较小。回填期间，老土的沉降固结使内芯桩桩顶土压力略有上升，而外芯桩间土压力和桩顶压力基本不变。在第二次填土循环中，实际上复合桩承担了几乎所有的新回填土荷载。结果表明，外芯桩的桩顶土压力略有增加，而内芯桩的桩顶土压力增加较大，而桩间土压力基本不变。在固结期间，各区域的表现与回填期间相似。内芯桩桩顶土压力的增加趋势与回填高度的增加趋势一致。刚性复合桩的内芯承受很高的荷载，而水泥调拌桩的外芯只承受一部分荷载。

而桩间土所承担的垂向载荷量则非常有限。

3.3 护岸顶部与墙后填方沉降检测分析

（1）检测方法。护岸施工需加强顶部竖向位移观测，回填操作须进行墙体沉降状态观测，以确保护岸施工的质量和安全。

早期垂向移位测量点，沿两侧伸缩缝，布设于护岸的底板前，后期沉降移位测量点布设于墙体顶部的伸缩缝的两侧。观测站点采用预制埋设20x20x60cm砼桩在左右岸对称布设。测量钉布置在桩顶，测量基点为标高和平面位置的公共点。用极坐标法测量平面基点的位置，在首级控制点架设全站仪，对准中心轴线后，照准另一个首级控制点并旋转180度，再照准中心轴线，各测量1次，取均值作为测量结果。测量观测基点高程，在首级控制点和观测基点之间以水准仪结合平板测微器做闭合线路平差后确定高程，检测结果符合二级检测水准。左岸沉降测点检测时，在左岸测量基点上架设全站仪，对准中心轴线后，向右岸基点照准，获得检测结果，再在右岸测量基点上架设全站仪，对准中心轴线后，对准左岸基点得出测试结果，然后取平均值，即为测试结果。右岸沉降测点检测方法相反。测站后视设长度50cm，径值5cm左右的小木桩，其顶部配设钢钉，之后沉降观测点每增加1组，在视距中点区域配置木桩，固定测量线路和测站，最大程度控制降低测量误差。

（2）检测结果与分析。所获得的右岸4个检测断面的累计沉降时程变化曲线，变化曲线显示，40K+795～40K+806区域存在最大的断面沉降量，累积沉降量超过了43.00mm；而40K+855～40K+866区域的沉降量则最小，平均值约37.70mm。完成作业1年后，4个断面的沉降量都在35.00～45.00mm之间，并且沉降趋势总体相似。在施工操作开始后前3个月，沉降幅度比较大，但沉降幅度在3个月后明显趋缓，而半年之后则沉降量逐渐变化不大。检测还发现回填过程中，护岸顶部的沉降曲线其变化比较圆润，没有发生明显的分段状态，发生最快沉降速度时，是还未启动回填时，表明填方对沉降速度的影响不明显。系挡土墙下的刚性复合桩支撑了边坡和填土的重量，减缓了挡土墙浇筑和填土可能引起的沉降。

4.结语

案例内河航道治理工程应用劲性复合桩技术加固航道坡岸，基于工程应用，介绍了内河航道软土坡岸治理应用劲性复合桩工艺，内容涉及劲性复合桩工艺流程、布桩方案、回填进度安排等。从深层水平位移检测与分析、桩顶及桩间土压力检测与分析、护岸顶部与墙后填方沉降检测分析3个方面，重点介绍了案例工程所重视的劲性复合桩现场施工安全和质量检测的关注的检测内容及检测成果。案例检测成果显示，刚性复合桩的内芯承受很高的荷载，而搅拌桩的外芯只承受一部分荷载；桩间土所承担的垂向载荷量则非常有限；采取劲性复合桩后，挡土墙下方的劲性复合桩支撑了坡岸及填方重量，有效抵抗或减缓因挡土墙和回填土的浇筑而可能引起的渠道岸坡沉降。