石旭东,张太雄,刘 斌,王定顺
(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)
20世纪70年代末，我国引入高压旋喷桩技术，在软土地基的加固当中，该技术可以显著地提高地基承载力.近年来，众多学者对高压旋喷桩复合地基承载力、桩土应力比及沉降开展了广泛的研究.贾剑青[1]、宋兴海[2]、何杰[3]等依托工程实际，结合理论设计和数值模拟研究了高压旋喷桩复合地基的承载力.王向平等[4]通过现场试验得出在不同荷载作用下桩顶应力、桩间土应力和桩土应力比的变化规律.李小杰[5]以具体工程为背景，对复合地基和旋喷桩单桩进行静荷载试验，绘制相应的P-S曲线，对比分析了高压旋喷桩复合地基的承载力及沉降值的实测值和计算值的差异大小.潘华林等[6]采取一系列与高压旋喷桩相关的现场载荷试验，对所得试验数据进行计算分析，研究了高压旋喷复合地基的承载特性与强度.
本文以既有中川铁路帮宽增建高速铁路为背景，该段采用高压旋喷桩进行地基处理，施工完成后需检测高压旋喷桩的成桩效果及单桩复合地基承载力，验证施工参数的合理性，为类似工程提供施工参考依据.
新建中卫至兰州铁路是我国“八纵八横”铁路网京呼银兰通道的重要组成部分，铁路设计时速250 km，铁路等级为客运专线，正线数目为双线.本文选取了K47+986～K49+181工点为研究对象，长1 195 m，以填方形式通过，路基边坡最大高度5.10 m，为既有铁路路基帮宽增建高速铁路路基工程.各地层土体工程地质特征详述见表1.
该段地基采用高压旋喷桩加固技术，现场采用单管法施工.桩长11～16 m，桩径0.5 m，桩间距1.4 m，桩平面采用正方形布置，路堤处理宽度内侧为距既有线坡脚2 m，外侧处理至既有线桩基范围边缘.高压旋喷桩布置如图1所示.施工参数见表2.
钻孔取芯检测是利用高速液压钻机，在旋喷桩成桩28 d后钻孔取芯，观察芯样的完整性、均匀性以及成桩效果，并对所取芯样检测其抗压强度是否符合设计要求.
表1 地层工程地质特征
图1 高压旋喷桩布置
表2 高压旋喷桩施工参数
本工点对高压旋喷桩进行钻孔取芯检测时，采用X-100型钻机、微机控制电子万能试验机，在桩径的1/4处进行钻芯取样，提钻、下钻慢速均匀.所取芯样经初步观察、分析后及时送实验室，对不同深度芯样进行无侧限抗压强度试验，在所有钻芯试验中选取10根桩，以表格形式描述每根桩最深处钻孔取芯结果见表3，现场检测如图2所示.
表3 芯样测试结果
图2 现场检测
桩身完整性描述：水泥土，灰色，芯样连续，胶结均匀；
主要呈长柱状，部分柱状～短柱状；
受机械作用破坏个别部位呈饼状，局部破碎，桩身完整、均匀，钻芯后的孔洞采用水泥砂浆灌注封闭.
检测桩长均大于设计桩长，表明桩长满足设计要求.高压旋喷桩严格按照施工工艺施工时，桩的强度随深度逐渐增大，且每一深度所测强度均大于设计要求的3 MPa，桩最深处无侧限抗压强度为7.3～11.5 MPa，符合设计要求.桩体有效直径为500～530 mm，不小于设计值500 mm.
3.1 试验设计
所选工点土层分布厚度同表1中地层工程地质特征，在高压旋喷桩成桩28 d龄期后，对桩头进行切割处理，从而进行后续的高压旋喷桩单桩复合地基静荷载试验.试验采用压重平台反力慢速维持荷载法加载.试验时采用的荷载板为方形厚钢板，边长为1.4 m，面积1.96 m2，压板下铺设0.02 m厚的粗砂垫层找平.所选桩的周围布设4个土压力盒并逐一编号，并读取初始读数f0，土压力盒为JMZX-50XX系列智能弦式数码压力盒，布置图如图3所示.承压板以桩为中心水平放置在铺好的垫层上，千斤顶放置于桩的中心位置，安装时要求混凝土试块安装水平，两边比重均衡，使用百分表测得加载时的沉降值，上部安装在水平的横梁上，底部与承载板接触，试验前将读数调整为0，现场试验如图4所示.
图3 土压力盒现场布置
图4 单桩复合地基静荷载试验
试验采用慢速维持荷载法，分7级施加荷载，第一级施加荷载为50 MPa，随后每一级增加50 MPa，每加一级荷载均应读取承压板沉降量1次及土压力盒读数，以后每0.5 h读记1次，当1 h内沉降量小于0.1 mm时，即可施加下一级荷载，最终施加的荷载大小为310 MPa.
3.2 桩土应力比
在单桩复合地基静荷载试验中选取3根桩进行刚性加载板下的桩顶应力、桩间土应力及桩土应力比测试与分析，所选桩的桩号为k47+480.5-5#、k47+458.1-3#、k47+886.9-2#，以下分别简称为1、2、3号桩，桩长分别为11.7、14.3、15.0 m.加载时土压力盒读取的频率值为fi，通过fi、f0以及标定系数计算出4个位置相应的桩间土应力，运用静力平衡计算出桩顶应力，最终得出桩土应力比.
高压旋喷桩桩顶应力、桩间土应力、桩土应力比随荷载变化曲线如图5～7所示.
图5 桩顶竖向应力曲线
图6 桩间土竖向应力曲线
图7 桩土应力比曲线
由图5～7可以看出：桩顶应力和桩间土应力随荷载的增大逐渐增大，桩顶应力的变化更为明显.随着荷载的增大，桩顶应力不断增大，且增长速率较快，桩间土应力增长速率相对较小.桩土应力比在50～200 kPa荷载作用下增长达66.01%；
250～310 kPa荷载作用下增长较为缓慢，为12.57%.因所选工点天然地基含水率较大，高压旋喷桩承受荷载远大于桩间土所承受荷载，故而桩土应力比较大，3根桩最终桩土应力比分别为27.49、27.16、25.42.
3.3 试验结果分析
现场试验测试所得复合地基荷载-沉降曲线如图8所示.
图8 单桩复合地基荷载-沉降曲线
由图8可知，所加荷载为310 kPa时，所选桩的沉降量达到21.94～24.88 mm，荷载-沉降曲线变化较缓，比例界限和极限荷载不明显，复合地基承载力未达到极限状态.根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)规定[7]，结合现场试验所得数据计算绘制的荷载-沉降曲线，本次试验承载力特征值确定方法为：取s/d=0.008(d=1.4 m；
s为试验测得的沉降量)，即单桩复合地基承载力特征值为s=0.008d=11.2 mm时对应的荷载值.结果如表4所示.
表4 单桩复合地基承载力特征值
由表4可知:通过现场试验所得的单桩复合地基承载力特征值为170.34～191.95 kPa，在进行现场试验时，加载至310 kPa仍未达到极限状态，因而根据规范确定单桩复合地基承载力为155 kPa，满足工点施工设计要求的高压旋喷桩处理段复合地基承载力不小于155 kPa.
《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)中高压旋喷桩复合地基承载力特征值fspk计算式为
(1)
式中：λ为单桩承载力发挥系数，本文取λ=1；
m为面积置换率；
β为桩间土的承载力发挥系数，本文取β=0.4；
Ap为桩的截面积；
Ra为单桩复合地基的竖向承载力特征值，可按式(2)计算.
(2)
式中：up为桩的周长；
qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，按照《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)中表5.3.5-1的取值，3层土的取值分别为20、21、21 kPa；
lpi为桩长范围内第i层土的厚度；
αp为桩端端阻力发挥系数，取αp=0.4；
qp为桩端端阻力的特征值，本文取qp=120 kPa.
通过式(1)和式(2)计算可得高压旋喷桩单桩复合地基承载力特征值为260.2 kPa，其值明显大于现场试验所得的承载力特征值.其原因在于设计要求高压旋喷桩复合地基承载力特征值大于155 kPa，在现场试验过程中施加荷载最大值为310 kPa，并未达到极限荷载，从而现场试验所得复合地基承载力特征值小于理论计算值.
通过对新建中卫至兰州铁路接入中川城际铁路区段既有路基帮宽填筑工点高压旋喷桩复合地基的研究，验证了施工参数的合理性，为高压旋喷桩的施工提供了参考依据，并得出以下结论：
1) 所选工点地基采用高压旋喷桩处理，通过钻孔取芯试验得出高压旋喷桩桩身完整、均匀；
检测桩长均大于设计桩长，桩径均大于50 cm，无侧限抗压强度均满足设计要求的3 MPa.
2) 随着荷载的增大，桩顶应力和桩间土应力逐渐增大，荷载施加至310 kPa时桩土应力比为25.42～27.49.
3) 荷载-沉降曲线是平缓的光滑曲线，荷载施加至310 kPa时桩的沉降量为21.94～24.88 mm，所得单桩复合地基承载力特征值为170.34～191.95 kPa，满足设计要求.
4) 理论计算所得高压旋喷桩单桩复合地基承载力特征值为260.2 kPa，大于现场试验所得数值，其原因在于现场试验条件限制，所施加的荷载未能使复合地基充分发挥承载力作用.
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