树根桩在码头基槽开挖支护中的应用

徐艳亮， 李 珍， 周春儿

(1. 江西省港航建设投资集团有限公司， 江西 南昌330008；2. 广东省航运规划设计院有限公司， 广东 广州510050)

随着国家基础建设的蓬勃发展以及港口岸线的开发利用， 越来越多的码头需要在边界条件不利的条件下实施， 例如码头前沿线距离后方护岸或邻近构筑物距离近， 无法放坡开挖基槽等。 如何保证基槽开挖时后方护岸及构筑物的稳定性，是此类项目急需解决的一个难题。

常规的基槽开挖放坡护坡处理远远无法满足后方护岸及构筑物的稳定性要求， 因此本文结合实际工程经验， 论述在基槽开挖前采用树根桩结构进行支护， 以保证护岸稳定的理论研究及实际实施情况。

1 工程概况

1.1 地质条件

广东阳江某码头拟建场区上覆土层为第四系全新统至晚更新统淤泥类土或砂性土、 花岗岩风化残积层、 下伏燕山期全风化花岗岩、 强风化花岗岩、 中风化花岗岩和微风化花岗岩(图1)。

图1 码头地质横向典型断面

土体主要指标见表1、 2。

表1 土体物理力学参数(用于边坡稳定计算)

表2 各岩土层地基容许承载力及桩基参数建议值

续表2

1.2 建设规模

码头建设规模为2 个3 000 吨级多用途泊位(兼靠5 000 吨级)， 岸线长254 m， 码头北侧建临时护岸。 建筑物等级为Ⅱ级， 拟采用重力式基础。 荷载要求: 码头前沿作业地带按堆放20′(6.1 m)及40′(12.2 m)重箱2 层考虑。 码头前方4 m 范围内，q1=20 kPa； 4 ～11.5 m 范围内，q2=30 kPa； 后方均载考虑30 kPa， 其他为流动机械荷载。

本项目护岸前沿原泥面高程平均约为1.25 m，基槽开挖最深处至-14.0 m， 后方陆域高程为5.0 m(某基地北护岸)。 基槽开挖最深处至-14.0 m， 基槽开挖对与码头前沿线距离仅约15 m的邻近码头及其护岸产生极大的影响， 同时邻近码头的船舶吨位较小， 停泊水域水深较小，设计底高程为-3.70 m， 而本项目停泊水域设计底高程-8.1 m， 停泊水域开挖至-8.1 m 的高程，对于邻近码头的高桩梁板码头和岸坡稳定均造成影响(图2)。

图2 基槽开挖树根桩支护局部平面布置(高程: m； 尺寸: mm。 下同)

1.3 基槽开挖支护设计方案

首先考虑常规的灌注桩地连墙墩台支护方案。 设置22 根φ1 500 mm @1 700 mm 的灌注桩地连墙， 并在墩台内部设置5 根φ1 500 mm 灌注桩支撑桩基组成。 地连墙桩基底高程为-23.0 m，以中风化岩为持力层， 顶高程为2.6 m， 嵌入上部墩台100 mm。 基槽开挖必须在桩基墩台段所有的主体结构完成并达到设计强度后进行。 此方案造价高， 施工难度大， 工期长， 且稳定及桩基承载力计算较难通过。 因此， 引入树根桩支护方案。 树根桩直径150 mm， 间距0.8 m， 正三角形布置， 其中前排桩采用直径600 mm 的高压旋喷桩封堵， 树根桩桩底进入强风化花岗岩2.09 ～4.09 m， 要求桩身混凝土强度达到C20， 树根桩支护结构达到设计强度后方能进行码头基槽开挖。

其中桩距是根据边坡稳定计算及现场典型试验段检验结果确定的。 经验证， 若桩距过大(超过6 倍桩径)， 则很难形成复合地基效应， 无法发挥树根桩的作用； 若桩距过小(＜3 倍桩径)， 则容易出现断桩等现象， 同时造成浪费。

图3 为基槽开挖树根桩支护典型断面。

图3 基槽开挖树根桩支护典型断面

2 树根桩加固理论及相关计算

树根桩技术是20 世纪50 年代由意大利的F.LIZZI 首先提出并在实际工程中采用的。 美国联邦公路局(FHWA)和法国合作于1993 年对此进行研究并提出树根桩对解决基础和边坡稳定问题的潜在能力和良好的发展前景[1]。 我国于1987 年初， 延安东路越江隧道的盾构穿越黄浦江后到达浦西， 向市中心推进， 沿线的外滩原天文台、 纺织品仓库等建筑先后采用了树根桩托换、 加固，取得了良好的效果， 并积累了施工经验[2]。

树根桩可用于地基加固、 在既有建筑物下施工地下隧道时对既有建筑物基础进行托换， 或用于边坡上建筑物以及码头下提高地基承载力和边坡稳定性。 适用于淤泥、 淤泥质土、 黏土、 粉土、砂土、 碎石土、 黄土和人工填土等地基土上的加固工程。

树根桩具有以下优点:

1)由于使用小型钻机， 故所需施工场地较小，只要有平面尺寸1 m×1.5 m 和净空高度2.5 m 即可施工。

2)施工时噪声小， 机具操作时振动也小， 即使在不稳定的地基土中也可以进行施工。

3)施工时因桩孔很小， 故对地基土不产生任何次应力， 仅仅是在灌注水泥砂浆时使用压力不大的压缩空气， 所以加固时不扰动地基土。

4)压力灌浆使桩的外表面比较粗糙， 使桩和土之间的附着力增加， 从而使树根桩与地基土紧密结合， 使桩和基础(甚至和墙身)联结成一体，因而经树根桩加固后结构整体性得到大幅度改善。

5)造价低， 工期短， 施工工艺单一。

针对本项目， 树根桩的设计计算主要为边坡稳定性计算[3-4]。 根据GB∕T 50783—2012《复合地基技术规范》， 复合地基稳定性可采用圆弧滑动总应力进行分析。 本工程采用瑞典简单条分法进行地基稳定性分析(图4)。

采用Slide 软件进行边坡稳定性计算。 树根桩加固区土体参数按照复合地基考虑。 工程设计时，考虑树根桩与桩间土形成类似重力式挡土墙的结构， 其抗剪强度主要取决于内插钢管抗剪强度，一般不考虑桩体混凝土的抗剪作用， 混凝土主要起到保证桩土共同作用以及防止桩间土绕流的作用。 树根桩内插Q235 钢管， 其抗剪强度设计值fv=125 MPa， 单根树根桩抗剪强度为T树根桩=πφ钢管δfv=260 kN。 考虑折减系数1.5， 取T树根桩=175 kN； 土体参数采用表1 参数。 计算工况主要是使用期工况， 前方已开挖至前沿设计底高程-14.0 m， 后方为5.0 m 的基地。

图4 整体稳定计算典型断面

3 施工要点

施工工序: 施工准备→钢管制作→钻孔(泥浆护壁)→第一次清孔→放入钢管一填瓜米石→第二次清孔→浆液制作→一次注浆→二次注浆→验收。

1)施工准备: 原材料进场； 机具进场、 安装；质量、 安全技术交底； 施工工作面清理。

2)钻孔: 用钻机钻孔， 采用正循环钻进工艺，钻进过程应进行泥浆护壁； 因桩底须进入强风化花岗岩， 所以须采用合适的钻具， 以保证顺利钻进； 孔径不小于150 mm， 孔位偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于1%。

3)第1 次清孔: 在成孔后， 将钻头提离孔底20 cm， 开启慢速回转， 利用钻具进行清孔。第1 次清孔应采用比重1∶1.5 ～1∶2.5 的浓泥浆，加大水泵压力， 把孔内的泥皮及少量的细砂粒彻底从孔内带出。 第1 次清孔一定要彻底， 为第2 次清孔做好准备工作。

4)吊放钢管: 钢管采用套焊连接， 接头长度不小于2 倍钢管直径。

5)填瓜米石: 回填料采用清洗过的粒径为5 ～10 mm 的瓜米石； 瓜米石应尽量投入孔口填料漏斗中， 直至填满桩孔， 填入量应不小于计算体积的0.9 倍； 在初凝过程中桩顶可能有一定数量的石子沉落， 应及时投入瓜米石至桩顶。

6)第2 次清孔: 利用钢管一边注入清水清孔，一边灌填瓜米石， 直至孔口返出清水为止， 比重不大于1.05。

7)一次注浆: 注浆压力控制在0.2 ～0.5 MPa，注浆流量32～47 L∕min， 使浆液均匀上冒， 直到孔口泛出纯水泥浆为止； 二次注浆: 待一次注浆初凝时(约2 h)， 利用钢管进行二次注浆， 注浆压力控制在1 ～2 MPa， 直到孔口泛出纯水泥浆为止；现场设置注浆量自动计量设备， 记录每根注浆量和总注浆量， 注浆充溢系数不小于1.3[5]。

由于本项目是在软土地基中进行树根桩的施打， 因此为保证成桩质量并避免对已施打树根桩产生影响， 建议采用跳孔工序施工[6]， 并采用早强水泥或加入早强剂以保证混凝土强度； 设置定位筋， 每隔3 m 沿管壁焊接3 根； 配钢筋环箍，加大底部入岩段的抗拔力； 钢管底部采用3 根钢筋焊接， 底部预留100 mm 高空隙， 以便清除钢管底部残积的泥水， 并有利于返浆； 钢管下部3 m范围每隔300 mm 沿钢管周边均匀开3 个6 mm 的小孔， 根据净空限制分段制作， 钢管露出孔口。采用42.5R 普通硅酸盐水泥， 水泥浆水灰比为0.6， 桩体水泥用量不小于50 kg∕m。

通过钻芯法检测混凝土强度及桩身混凝土均匀性。

4 支护效果检验

质量检验: 质量检验应满足JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》的规定， 桩身完整性采用低应变试验检测， 检测数量不少于总桩数的10%，且不得少于10 根。

检测结果显示: 桩基综合判定类别为I 类，桩身完整。

通过钻芯法对桩身混凝土强度进行检测， 结果显示强度满足设计要求。

另外， 通过对结构进行深层水平位移测斜仪观测来判断稳定性， 从而检验支护效果。 深层水平位移测斜仪主要观测土体不同深度点水平位移读数， 根据位移和时间的变化曲线分析土体稳定性， 可作为施工控制辅助手段。 观测起始时间为码头基槽开挖至码头后方陆域回填， 共约4 个月， 频率为监测期内每天监测1 次。 观测布置点见图5。

图5 观测点布置

通过深层水平位移观测发现， 从基槽开挖开始， 观测点最大位移速率约为4. 6 mm∕d， 逐步稳定后位移速率呈下降趋势， 至后期约为2. 99 mm∕d。 最大累计位移约3. 5 cm。 各观测点位移量均未超过预警值， 部分变化曲线如图6所示。

图6 部分测斜观测典型曲线

检测与观测结果显示， 树根桩支护效果良好，达到了设计要求。

5 结语

1)树根桩应用于重力式码头基槽开挖支护可达到理想的加固效果；

2)树根桩设计底高程宜穿透软土层， 进入较好的土层作为持力层， 并通过稳定验算， 宜穿过圆弧滑动面以下不小于2 m；

3)树根桩布置的置换率直接影响到加固效果，间距宜取3～6 倍桩径， 以形成复合地基效应；

4)影响树根桩施工质量的关键因素主要有是否跳打、 注浆压力和流量、 清孔质量、 充溢系数等， 必要时通过典型试验段施工确定各工艺参数；

5)树根桩支护宜进行深层水平位移观测， 根据观测数据及时采取相关措施进行处理， 以保证边坡稳定。