剛體排水樁的研究

馬鴻春 張宗賢 馬驄 （天津鴻海科技開發(fā)有限責(zé)任公司 天津300456）

剛體排水樁的研究

馬鴻春 張宗賢 馬驄 （天津鴻海科技開發(fā)有限責(zé)任公司 天津300456）

簡述了剛體排水樁的概念，分析了其總體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、制作、運轉(zhuǎn)、測試、設(shè)計等方面的要點，指出其性能和特點，得出剛體排水樁必然要取代現(xiàn)行的自然摩擦樁的結(jié)論。

剛體排水樁 摩擦 粘土 地基

1 剛體排水樁概念

剛體排水樁即增力摩擦樁，亦稱功能樁、樁土樁。它的機理不是通過加大樁與土的接觸面積來提高樁的承壓力，而是通過樁自身的排水排氣功能，把樁周土里面的水氣抽出去，增大土的摩擦系數(shù)來實現(xiàn)的。這種樁是剛性的，自身不存在剩余變形，它同時又能排水，可以改善樁周土的物理力學(xué)性質(zhì)，故稱剛體排水樁。剛體排水樁也是摩擦樁，因為它能提高樁的自身承載力，故又稱增力摩擦樁。樁體本身具有排水、排氣功能，亦稱功能樁，又因樁周土已固定到樁體上了，與樁成為一體，增大了樁的直徑，因此又稱樁土樁。

2 剛體排水樁的總體結(jié)構(gòu)

剛體排水樁共由5部分組成：①剛體排水樁樁體，它是承重抗滑的主體；②樁體內(nèi)的垂直與水平排水管，它是施加負(fù)壓，排水排氣的通道；③過濾層，它是防止土顆粒外流的隔離層；④加固區(qū)，通過排水排氣后，固定在樁體上土顆粒的范圍（見圖1）；⑤透水混凝土塞可以進水,能解除孔隙水壓力的頂托，避免沉樁時樁的反彈。

3 剛體排水樁的構(gòu)造

樁體溝槽（見圖2）；樁尖；透水砼；排水管出口；樁頂；排水板；排水管口；土工布；排水支管；排水干管；固定卡；密封蓋；進氣管伐門；進氣管；排水管伐門；出水出線管。

4 剛體排水樁的材質(zhì)

①剛體排水樁的樁體受力大，根據(jù)工程要求，可采用鋼筋混凝土、鋼管、鋼板、木材等材料。

②排水管，建議采用鋼管。

③過濾層，可采用各種高強度土工布。

④透水砼塞，可采用各種泡沫混凝土、爐碴混凝土等。

5 剛體排水樁的制作

5.1 鋼筋混凝土預(yù)制樁

做好樁的整體模板；預(yù)留混凝土溝槽；置入排水管；澆筑混凝土；養(yǎng)生；出膜；在溝槽內(nèi)置入排水板及土工布，并固定。

5.2 灌注樁的制作

制作環(huán)狀排水管；制作土工布袋，套壓在環(huán)形排水管道外側(cè)；制作特種紙袋，放在環(huán)形排水管里側(cè)；在地面造孔；將土工布袋及環(huán)狀排水管置入孔內(nèi)；澆筑混凝土。

5.3 鋼管樁的制作

在鋼管樁上造小孔；在鋼管外面包上一層土工布；采用水溶性膠，將土工布牢牢粘在鋼管上。

6 剛體排水樁的運轉(zhuǎn)

剛體排水樁沉入地下以后，水便從四周快速通過土工布，流入排水管10內(nèi)，將譖水泵17置入排水管10底部，進行正壓排水。開始水涌進很快，譖水泵10排水也很正常，經(jīng)過一段時間后，水滲出很慢，譖水泵10等待時間很長，已無法正常運轉(zhuǎn)了。此時，在排水管10出口安裝一個密封蓋12，從密封蓋12伸出兩個管，進氣管14和出水出線管16，密封蓋12密封嚴(yán)格。出水管設(shè)有伐門15，進氣管設(shè)伐門13。首先將排水管總出口伐15關(guān)閉，打開進氣伐門13，對排水管10內(nèi)施加負(fù)壓，亦稱抽真空。排水管10內(nèi)空間很小，很快出現(xiàn)一個負(fù)大氣壓（由特制負(fù)壓機完成）。此時，土中的水氣，在水壓力、土壓力、大氣壓力的驅(qū)動下，迅速進入排水管10內(nèi)，并升至排水管10總出口。打開排水管總出口16的開關(guān)15，變管內(nèi)負(fù)壓為正壓，再起動潛水泵17，一次性將水抽干。如此水的滲出更慢了，再關(guān)閉排水管總出口10開關(guān)15，實施負(fù)壓排水再抽真空，強行將樁周土中的水、氣排出，再重復(fù)上述步驟。當(dāng)正負(fù)壓排水實施后，水滲出很慢時，停止運轉(zhuǎn)。之后，水還會很慢地滲出，這時，想排水就采用正壓排水，無需再施加負(fù)壓（見圖3）。

7 剛體排水樁的測試

對剛體排水樁的設(shè)計與施工，在取得經(jīng)驗之前，必須先做測樁試驗。用上述方法將樁制成、沉樁、運轉(zhuǎn)、排水排氣后，樁到底是一個什么狀態(tài)，由測試來決定：

①至少做3棵樁測試。

②靜壓樁試驗。

③動測樁試驗，并建立動測樁與靜壓載樁數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系。

④對樁周土進行勘察，進行土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗，C、Φ值確定，原位測試，標(biāo)貫擊數(shù)測定，十字板測試，樁頂及樁周土的沉降測試。

⑤測定時間：樁停止運轉(zhuǎn)20天后進行測試。

⑥對比樁可做3個，按現(xiàn)行設(shè)計方法設(shè)計制作，做同樣的測試進行數(shù)據(jù)對比。

⑦在對一個地區(qū)已取得相當(dāng)經(jīng)驗，樁的承載力已基本成熟的情況下，可用勘察設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比，不一定完全做樁對等對比試驗。也可選用最安全、最方便的測試項目，如土的C、Φ單項對比確定。

⑧剛體排水樁與現(xiàn)行摩擦樁的關(guān)系確定之后，設(shè)計就很方便了。

8 剛體排水樁的設(shè)計

剛體排水樁，尚未全面推廣。建議在目前的條件下，剛體排水樁的試驗數(shù)據(jù)不宜用足，要留余地進一步再認(rèn)識。比如：承載力測試出高2倍，可采用1.5倍，或由專家自行確定。由于試驗取得了多種數(shù)據(jù)，可以綜合分析確定。從目前取得的數(shù)據(jù)分析，剛體排水樁的承載力是驚人的。

9 剛體排水樁的機理

剛體排水樁內(nèi)部設(shè)排水通道，當(dāng)給樁負(fù)壓時，真空度便從樁口向樁下迅速傳遞，達到一定時間后，整個樁內(nèi)部系統(tǒng)真空度保持一致。此時，真空度向土中傳遞，由近而遠，在土體中形成一個真空場。靠近樁的部位真空度高，遠離樁的部位真空度低。換言之，靠近樁的部位壓力低，遠離樁的部位壓力高。這樣，以樁為中心，在地基土中出現(xiàn)一個壓力場，同時產(chǎn)生壓力梯度，它促使土中的孔隙水和氣體流向低壓區(qū)，并進入樁，然后從樁內(nèi)排出樁外，當(dāng)水和氣體排出一部分時，土體中出現(xiàn)了空間，此時，上面的土在重力作用下，沉了下來，填補了整個空間，于是土體壓密了。整個過程經(jīng)過了一段時間，20 d之后，土體達到固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)，就結(jié)束了。

具體說，當(dāng)剛體排水樁沉下去之后，樁周土中的水很快通過濾水層滲入樁的排水管內(nèi)，水位在管內(nèi)迅速上升，此時進行第一階段正壓排水，開動譖水泵，反復(fù)排水，直到水滲出很慢，正壓排水很難實施時，關(guān)閉排水管出口，施加負(fù)壓。負(fù)壓一直傳到排水管內(nèi)很低的水面以上。由于管道內(nèi)沒有任何介質(zhì)，負(fù)壓傳的很快，且沒有損失，巴斯加原理：在封閉容器內(nèi)壓力處處相等，這樣負(fù)壓源-740 mm汞柱沒有任何損失地傳到每一個空間中。這時在樁周土中，以樁心排水管為中心，形成了一個壓力場。管中心是-740 mm汞柱負(fù)壓區(qū)，則樁周土中出現(xiàn)一個強大的壓力區(qū)，即產(chǎn)生了強大的壓力梯度。在水壓力、土壓力、大氣壓力的聯(lián)合驅(qū)動下，水便迅速從土中擠出，滲入樁心排水管中，很快充滿排水管，打開關(guān)閉的排水管出口，進行正壓排水。此后，正負(fù)壓排水循環(huán)進行，直到負(fù)壓排水趨于穩(wěn)定時，停止排水。

此時樁周土發(fā)生了很大變化，土質(zhì)壓密了，土的物理力學(xué)性質(zhì)改善了，軟弱土強化了。以真空預(yù)壓法加固軟土地基為例，它的壓力場形成的條件，要比剛體排水樁差多了。盡管如此，還是產(chǎn)生了很大的效果。以A1區(qū)工程為例，用真空預(yù)壓法加固軟土地基的測試數(shù)據(jù)加以說明（見圖4）。

工程加固面積65×167 m2，井深9.5 m，井距1.3 m，負(fù)壓源膜外-740 mm汞柱，膜內(nèi)-650 mm汞柱，井下3 m為-500 mm汞柱，井下6 m為-350 mm汞柱，井下9 m為200 mm汞柱。抽氣66 d，經(jīng)大型載荷試驗測定地基容許承載力由原來的6.0 t/m2提高到12.5 t/m2。地下10 m以內(nèi)，土質(zhì)平均變化如下：天然含水量w%減少6.40%，天然孔隙比e減少7.86%；土的天然容重r增大2.98%；土的液性指數(shù)I減少37.82%；內(nèi)聚力C提高30.4%；內(nèi)摩擦角Φ提高82.3%；無側(cè)限抗壓強度qu增大130.35%；靜力觸探比貫入阻力增大100%；壓縮模量Es增大41.07%；大型載荷試驗結(jié)果（R0.02）=12.5 t/m2，（R0.03）=14.9 t/m2，增大1倍多。地面平均沉降60.3 cm。地基孔隙水壓力試驗結(jié)果：5 m深處土的固結(jié)度86.1%，10 m深處土的固結(jié)度達到31.5%；土的抗剪強度提高1.89倍；土的摩擦系數(shù)f提高95.79%。單純負(fù)壓的真空預(yù)壓法使土的綜合物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生了如此巨大的提高。當(dāng)剛體排水樁改變單純負(fù)壓排水方法，而采用正負(fù)壓快速排水法時，其加固地基土的力度將大大提高，排水排氣時間將大大減少，效果可顯見。

10 剛體排水樁的產(chǎn)生

有的學(xué)者認(rèn)為土的抗剪強度，即土的摩擦系數(shù)。土的抗剪強度提高近2倍，那么樁土摩擦系數(shù)也隨之提高2倍，顯然樁的承載力也提高近2倍。這是一個非常值得注意的結(jié)論。樁周土由于抽真空后改善了土的物理力學(xué)性質(zhì)，提高了土的摩擦系數(shù)，即提高了樁的承載力。反之，設(shè)計一種樁能使它用抽真空的方法排出樁周土中的水和氣，使樁周土實現(xiàn)人工固結(jié)，提高樁土摩擦力，反過來再提高樁自身的承載力已成定論。

于是產(chǎn)生了一種新型樁——剛體排水樁，它是一種功能樁，它是用自身的排水通道排出樁周土中的水和氣，實現(xiàn)土的人工固結(jié)，改善土的物理力學(xué)性質(zhì)，提高樁土摩擦力，從而再提高樁自身的承載力的樁。

自從土木建筑中產(chǎn)生樁以來，一直使用自然樁（不論是木樁、鋼樁、鋼筋混凝土樁）與自然土的結(jié)合，可稱之為純天然、被動式原理。在承載力不足時，只能通過加大樁長、樁徑尺寸和增加樁的數(shù)量的辦法來解決。于是增加了工程量、工期、投資。然而剛體排水樁產(chǎn)生了，它是功能樁，它可以主動地改善樁周圍土的物理力學(xué)性質(zhì)，反過來再提高樁自身的承載力，這真是再理想不過的方法了。尤其是工程竣工后仍可以定期排水排氣，繼續(xù)提高土的固結(jié)度，繼續(xù)提高樁的承載力，因此剛體排水樁的后期承載力更高。

11 剛體排水樁的性能

11.1 剛體排水樁可保持樁內(nèi)真空度

剛體排水樁內(nèi)部管道密封連接，無漏氣處，與外界完全隔絕，只有與土層接觸的部分是開放的，故真空度無損失。

11.2 剛體排水樁內(nèi)的管道是空的，除了空氣無任何介質(zhì)，沒有阻力

因此真空度傳遞時，可直達底部，而且時間短，速度快，沒有損失，這樣井底真空度自然高。此時井上井下的真空度是一樣的。這樣樁周土的固結(jié)時間就大大縮短了，使深層土固結(jié)得到同樣的提高。此時井上井下的真空度理論值一樣。

11.3 剛體排水樁加倍提高了土的摩擦系數(shù)

真空預(yù)壓法測試點距離負(fù)壓源排水板92 cm，提高了土的摩擦系數(shù)近2倍，這是在地基開放系統(tǒng)中有很大負(fù)壓損失時得到的結(jié)果。剛體排水樁是封閉系統(tǒng)，它可把負(fù)壓源的負(fù)壓無損失地送到樁內(nèi)，再送向土層深處。與砂井比較，真空度可提高一倍。兩個作用加在一起，地基土的摩擦系數(shù)將比加固前的摩擦系數(shù)提高3～4倍，井下深土層將受益最大。

這樣，剛體排水樁的承載力比自然樁還不止高2倍，應(yīng)當(dāng)是3～4倍，這是理論分析。

11.4 靠近剛體排水樁的地基土，摩擦系數(shù)提高最大

上述土的摩擦系數(shù)的位置，是距砂井92 cm位置的數(shù)值。如果距剛體排水樁50 cm、30 cm、10 cm距離的數(shù)值，將會越來越大，這樣摩擦系數(shù)的提高還不止3～4倍。

假設(shè)，壓樁試驗時，這個土的破壞面距樁10 cm，樁直徑是30 cm，此時意味著樁的直徑增大為50 cm。以此為例，原樁周長2π×15 cm，此時的樁周長為 2π×（15+10）=2π×25，此時樁比原樁的周長增大60%。如果破壞面距樁30 cm，剛體排水樁的承載力比自然樁高還不止3～4倍，這是理論分析。

11.5 剛體排水樁的后期承載力更高

因為工程竣工后它仍可以定期排出土中的水、氣，進一步提高土的固結(jié)度，從而樁的承載力更高。

11.6 樁周土固結(jié)度

真空預(yù)壓法井深5 m處，負(fù)壓-350 mm汞柱，固結(jié)度76.18%；而剛體排水樁的負(fù)壓為-740 mm汞柱，估計固結(jié)度在90%以上。

11.7 剛體排水樁開發(fā)了混凝土材料的利用率

在建筑中摩擦樁的材料性能遠遠沒有發(fā)揮出來，主要是因為樁的設(shè)計是根據(jù)穩(wěn)定性決定的，導(dǎo)致材料強度使用率過低。當(dāng)剛體排水樁提高承載力設(shè)計時，無需提高材料的強度。

此外，剛體排水樁適用于江、河、湖、海、灘的軟土地基，也適于水下工程應(yīng)用；具有抗滑防震功能，安全度高；承載力高，可節(jié)能減排50%以上；可定點加固深層軟弱土層；采用小直徑群樁，可與地基土組成復(fù)合地基；成本低，節(jié)省投資50%以上。

12 剛體排水樁的特點

①大規(guī)模地基抽真空試驗證實，樁提高自身承載力2倍，節(jié)約原材料2倍，減少工期2倍，節(jié)約能源2倍，節(jié)約投資2倍以上。

②道理清晰，構(gòu)造簡單，加工方便，全部采用常規(guī)技術(shù)，打樁方法不變，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

③施工時，震動小，噪音小，對周圍建筑物無危害，對環(huán)境保護好。

④沉樁速度快，無地基孔隙水頂樁現(xiàn)象。

⑤對堤岸塌方及山體滑坡治理有特殊功效。

⑥應(yīng)用范圍廣，對軟土地基，尤其是軟粘土地基有特殊功效，對工民建、水利、交通、電力等部門均可使用。

13 結(jié)語

通過大規(guī)模地基抽真空試驗、勘察測試、室內(nèi)試驗、地基沉降測試、深層沉降測試、孔隙水壓力測試、靜力觸探測試、大型現(xiàn)場載荷試驗，得出結(jié)論：由于地基抽真空，地基土的物理、力學(xué)性質(zhì)全面提高。由于土的粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ的提高，導(dǎo)致土的抗剪強度提高，土的摩擦系數(shù)提高，從而提高了樁的承載力。

當(dāng)采用剛體排水樁正負(fù)壓快速排水方法時，此時的樁已不再是原來的直徑尺寸了，它的外面包上了一層厚厚的土，土也成了樁體的一部分。如果以后再發(fā)生樁的沉降，或者土體剪切破壞時，破壞面就不再是樁的表面了，而是包在樁外面的那一厚層土的沉降面了。可見，此時樁的承載力又增加了。

剛體排水樁有這樣強的功能，它必然要取代現(xiàn)行的自然摩擦樁，尤其是在粘土、軟粘土地基上沉樁，它將是現(xiàn)行摩擦樁的替代產(chǎn)品。■

2012-05-04