李清林

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南 長沙 410008)

0 前言

隨著國民經濟的發(fā)展，西部高速公路建設迅猛發(fā)展。西部山區(qū)的地形、地質條件十分復雜，高速公路走廊帶資源稀缺，故大量西部山區(qū)高速公路橋梁必須架在高陡橫坡上，其橋墩和基礎多采用雙樁柱一體式。高陡邊坡雙樁柱式橋墩基礎既具有普通樁基承荷作用，又具有抗滑樁的阻滑作用，受力機理十分復雜，對樁周及樁底環(huán)境改變相當敏感。本文通過貴州水盤高速公路某特大橋高陡橫坡路段雙柱式橋墩差異沉降加固處治設計為實例，探討注漿微型鋼管樁設計、施工等問題。

1 工程概況

橋梁位于貴州水盤高速公路俄腳段，上部結構為4 ×40 m+51 × 30 m 預應力砼連續(xù) T 梁，全長1 696 m，產生差異沉降橋墩為該橋右幅8 號墩，橋墩所在位置(見圖1)橋梁主要技術指標:

圖1 橋梁布置圖

1)聯(lián)長90 m，橋面單幅寬度為10.75 m，縱坡為3.8%，橫坡為2%，位于直線段;

2)上部3 ×30 m 先簡支后連續(xù) T 梁，右幅8 號墩下部為雙樁柱式橋墩，設計樁長為45 m，端承樁，樁徑1.8 m，墩徑1.4 m，墩高20 m，設置兩級系梁，墩梁固結。

右幅8 號橋墩下部構造于2009年11月開工，2011年5月完工，2011年7月至 10月完成 T 梁架設及橋面附屬工程施工，臨時開放交通后不久，即發(fā)現(xiàn)該橋墩系梁出現(xiàn)裂縫(如圖2)。

隨即建立完整監(jiān)測網(wǎng)對該橋墩進行高精度監(jiān)測，從監(jiān)測結果看該橋墩差異沉降仍有不斷發(fā)展的趨勢，其沉降還遠未進入穩(wěn)定狀態(tài)，必須進行加固，使其短期內沉降穩(wěn)定，保證橋梁正常使用。

圖2 橋墩系梁裂縫示意

2 采用注漿微型鋼管群樁加固的由來

右幅8 號墩外側樁基(稱右幅8#－1 樁基)設計樁長45 m，施工時揭露上層碎石厚度達32 m，下部為灰?guī)r(見圖3)。因施工條件限制，采用挖孔樁，在挖孔及成孔過程中多次出現(xiàn)塌孔，重新開挖成孔后澆筑樁基。用橋梁博士軟件對該橋墩進行框架結構受力分析，結合監(jiān)測資料判斷右幅8 號墩樁基差異沉降是引起系梁開裂的原因。

2.1 地質概況

根據(jù)地質勘察資料，右幅8#－1 樁基所在位置地層如下:

1)碎石。

以褐黃色為主，干，稍密，碎石成份為強風化玄武巖。其中:1.0～3.70 m 碎石粒徑介于0.2～2.5 cm，最大約5～6 cm，呈亞棱角狀，含量約占40%;3.70～4.0 m 夾灰黑色，碎石質硬，粒徑介于 1.5～7 cm，含量約占50%，含泥質;4.0～5.0 m 夾褐紫色，碎石質軟，呈全風化狀，粒徑介于2～8 cm，含量約占60%，含泥質;5.0～5.40 m 夾灰黑色，碎石質稍硬，呈棱角狀，粒徑 1～3 cm，含量約占 45%，5.40～13.40 m 夾灰褐色，碎石部分已全風化，質稍軟，呈棱角狀，局部夾玄武巖塊石，呈全風化狀，粒徑介于0.5～4.5 cm，最大約 7～9 cm，含量約占 55%～60%;13.40～33.30 m 碎石呈強風化狀，少量呈全風化狀，粒徑介于0.4～3.5 cm，呈亞棱角－棱角狀，含量約占35%～45%，含泥質;33.30～33.80 m碎石為中風化玄武巖，呈棱角狀，粒徑介于1～10 cm，含量約占50%，含泥質。

2)灰?guī)r。

淺灰色，隱晶質結構，塊狀構造，中厚層狀，巖石較硬，微風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，多呈不規(guī)則分布，巖芯多呈塊狀，少量呈柱狀、半邊柱狀。其中:32.00～35.10 m、35.20～36.10 m、36.40～37.10 m、37.70～38.20 m、38.60～39.40 m、39.60～41.0 m、41.30～41.90 m、42.10～43.40 m、43.70～45.30 m 裂隙發(fā)育，巖芯呈塊狀;45.50～45.80 m 為張性裂隙，充填少量粘土，呈可塑狀;45.80～57.70 m 巖石較破碎，巖芯多呈塊狀夾柱狀;51.20～51.60 m 為溶隙，充填粘性土，52.60～52.80 m、53.00～53.20 m 為裂隙發(fā)育，掉鉆;57.70～57.90 m 為張性裂隙，充填少量粘土，呈可塑狀;57.40～58.80 m、59.0～59.50 m、59.60～60.40 m、61.0～63.70 m 巖石破碎，巖芯呈塊狀，其中58.80～59.0 m 為張性裂隙，無充填物;63.70～66.70 m 巖石較完整，巖芯多呈短柱狀，少量呈塊狀，在 64.20～64.50 m、65.70～66.0 m 巖芯呈塊狀。

圖3 右幅8 號墩工程地質橫斷面圖

2.2 加固方案比選

針對場地地形、地質情況，在確定加固方案時將扁擔樁和注漿微型鋼管群樁進行比選，若采用扁擔樁方案，需在現(xiàn)有樁基前后各增加1 根樁，樁基長度應≥45 m，雖然存在施工工藝較為簡單、工程費用略低等優(yōu)點，但在開孔過程中不可避免的存在工期較長、開孔作業(yè)對坡體擾動較大、挖孔作業(yè)安全隱患較大等缺點。

為確保施工和結構安全，在專家的建議下，選用了注漿微型鋼管群樁加固處治方案，該方案主要有如下優(yōu)點:

1)減少對邊坡擾動，保持山體穩(wěn)定;

2)通過微型鋼管樁壓漿可以填充樁周空洞(樁基開挖過程中塌孔形成)及填充樁周巖石裂隙，增加樁周摩阻力，提高原樁承載力;

3)微型鋼管群樁及樁頂承臺設計，壓漿后可以極大改善樁周一定范圍內碎石力學性能，減少基礎沉降，且能在樁周形成“樁瘤”，提高鋼管樁的承載力。

3 注漿微型鋼管群樁結構、設計計算及施工工藝

3.1 主要技術指標

1)鋼管樁:外套管 Q235Φ133 × 5 mm，內管Q235Φ108 ×8 mm，共計22 根，要求嵌巖3 m;

2)鉆孔:孔深45 m，孔徑150 mm(鋼管樁)，孔徑110 mm(注漿孔);

3)壓漿:水泥凈漿，強度等級為C30;

4)樁頂承臺:尺寸5.5 m ×6.3 m，強度等級為C30。

3.2 加固方案(見圖4)

沿原樁樁樁周共布置22 根鋼管樁，樁長45 m，為提高其豎向承載力和抗腐蝕能力，外層增設Φ133×5 mm 套管，沿樁長方向每隔2 m 梅花型設置2 cm 透漿孔。為提高原樁周摩阻力和鋼管樁施工鉆孔速度，內外圈鋼管樁間布置11 個注漿孔先進行部分注漿。樁頂設置承臺通過植筋方式與原樁相連。

3.3 設計計算

上部T 梁采用部頒通用圖，計算單樁荷載(恒+汽):Ra=8 681.7 kN。

1)結合現(xiàn)場實際情況布置鋼管樁，在專家的建議下，鋼管樁豎向承載力按摩擦樁估算。

單根鋼管樁豎向承載力(按摩擦樁且不考慮樁端受力):

式中:［Ra］為單根鋼管樁軸向受壓承載力容許值，kN;u 為樁身周長，m;n 為土的層數(shù);li為各土層厚度，m，有效樁長取35 m;qik為與li對應各土層與樁側的摩阻力標準值，kPa，取60 kPa 和400 kPa。

通過計算有［Ra］=734.8 kN。

取安全系數(shù)為 1.5，［Ra］×22 =16 165.6 kN≥1.5 ×8 681.7 kN=13 022.6 kN，豎向承載力滿足要求。

2)壓曲穩(wěn)定驗算。

全部進入土中的樁，如果不是土質極其軟弱，一般情況下當受到豎向荷載時，樁并不產生壓曲，但樁的細長比很大的情況下，就必須考慮壓曲的問題，根據(jù)L.Bjerrum 理論，樁在土中承受與水平方向變位成正比的反力時的壓曲極限荷載Pcr表示如下:

式中:Pcr為壓曲極限荷載，kN;n 為正整數(shù)，為使Pcr最小，取n =1;E 為樁材的彈性模量，kPa，E =2.06×105MPa;I 為樁的截面慣性矩，cm4，I=1 184 cm4;L 為樁的壓曲長度，cm，按兩端固接，取L =2 250 cm;K 為橫向地基彈性系數(shù)，取K=500 t/m4。

通過計算有:Pcr=480.9 kN。

Pcr×22 =10 579.8 kN≥8 681.7 kN，豎向承載力滿足要求。

因陡坡路段注漿微型鋼管群樁基礎受力機理十分復雜，目前尚未有可直接利用研究成果來指導其設計與施工，但參照該地區(qū)其他已經實施類似工程，結合現(xiàn)有理論研究計算，專家認為采用單樁承載力累加計算群樁承載力是偏保守，采用注漿微型鋼管群樁加固該橋右幅8 號樁柱式橋墩是安全、合適的。

3.4 主要施工工藝

3.4.1 主要工藝流程

樁周鉆孔→第1 階段壓漿→外圈逐孔鉆孔→下鋼管及第2 階段壓漿→內圈逐孔鉆孔→下鋼管及第3 階段壓漿→澆筑C20 砼平臺→原樁護壁及保護層鑿除→安裝樁帽及清理現(xiàn)場→植筋及綁扎承臺鋼筋→澆筑承臺→開裂系梁貼鋼板。

3.4.2 主要工序施工要點

1)鉆孔:為減少對坡體擾動，采用干鉆鉆進，位置與設計孔位偏差≤2 cm，開孔角度偏差≤2°，垂直度誤差≤1%，鉆進至設計深度后終孔，取出芯樣進行鑒定。

2)下鋼管:為減少后期沉降，清孔外層鋼管放至孔底后采用吊錘錘擊。鋼管接頭采用絲扣連接加點焊，鋼管頂部安裝由聯(lián)接器與厚度2 cm、面積30 cm×30 cm、45#方形鋼板焊連而成的樁帽，以分散應力。在承臺底部與樁帽頂之間設置2 層鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)距10 cm，筋距10 cm。

3)壓漿:自下而上分段注漿，分段長度不大于5 m。采用PO·42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.4～0.6，注漿壓力1～2 MPa，達到注漿終止條件后停止注漿。

4)植筋:植筋定位、鉆孔，清潔孔壁、鋼筋，植筋及靜定固化應嚴格按《公路橋梁加固施工技術規(guī)范》JTG/T J23 —2008 附錄 A 要求執(zhí)行。

4 工程效果

為動態(tài)掌握橋梁狀況，從工程初期開始就建立了完整監(jiān)測系統(tǒng)對該聯(lián)橋進行長期觀測，加固完成后，開放交通后對該聯(lián)橋進行動靜載試驗。結果顯示采用注漿鋼管微型群樁阻止了右幅8#－1 樁基繼續(xù)沉降(見圖5)，加固效果良好，動靜載試驗評價該聯(lián)橋承載力符合設計及規(guī)范要求。

圖5 右幅 8# －0，8# －1 樁基沉降示意圖

5 結語

1)通過本橋注漿微型鋼管群樁基礎設計、試驗、施工及通車后監(jiān)測證明:采用微型注漿鋼管群樁可以有效地解決山區(qū)陡坡路段雙柱式橋墩樁基差異沉降問題，且能更好地加固地基、改善土的力學性能，確保結構穩(wěn)定。在山區(qū)陡坡路段常規(guī)樁基施工方法受限條件下，具有較大的優(yōu)勢。

2)本工程微型鋼管樁長度達45 m，雖然依據(jù)參考資料進行了壓曲穩(wěn)定計算，但該公式的適應條件、準確性有待進一步求證。

3)由于目前很少工程采用注漿微型鋼管樁基礎，因此可借鑒的設計和施工規(guī)范很少，且理論計算體系不完善，設計僅能參考現(xiàn)有技術規(guī)范結合已有工程實踐經驗和試驗確定。地基土注漿后形成復合地基，其受力機理十分復雜，如何設計才能做到既經濟又安全是一個值得進一步探討的問題。

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