剛柔組合樁在深厚軟基路堤中的應用★

楊 藝 柴文琦 徐瑾瑾

(浙江省錢塘江管理局勘測設計院，浙江杭州 310016)

1 概述

剛柔組合樁是柔性樁(水泥攪拌樁、高壓旋噴樁等)內插剛性樁(預應力管樁、素混凝土樁、CFG樁、Y形樁)的一種新型的地基處理技術，是針對深厚軟基上道路的建設條件和目前的技術背景而提出的。目前剛柔組合樁還處于推廣應用階段，其主要應用于高等級公路橋頭處理段落與結構物交接段落和道路平交段落。本文主要介紹了剛柔組合樁的加固原理、施工工藝等內容，分析了剛柔組合樁這種新樁型的優點及適用性，并提出了剛柔組合樁的單樁承載力計算方法，為剛柔組合樁的進一步推廣和類似工程提供參考。

2 剛柔組合樁加固原理和施工工藝

2.1 剛柔組合樁的加固原理

目前常用于實際工程中的剛柔組合樁是由水泥土攪拌樁［1，2］和預應力管樁［3，4］組成，如圖1，圖2所示。成樁方式為先打設水泥攪拌樁，后通過靜壓將預應力管樁壓入水泥土攪拌樁中，其加固原理為:利用較短的大直徑水泥攪拌樁提高組合樁側摩阻力以加固樁周土，利用高強度的預應力管樁加固較深的軟土層，結合長短樁的布置方式和樁間距的優化，在承擔部分豎向荷載的同時有效的減少沉降。形成剛柔組合樁后，既發揮了大直徑水泥攪拌樁加固淺層地基的經濟優勢，又充分應用了預應力管樁強度高，控制沉降的技術優勢，具有技術先進、經濟合理、施工方便等特點。

在剛柔組合樁施工完成后，在樁頂鋪設土工格柵或者鋼絲格柵和墊層，形成如圖3所示的剛柔組合樁復合地基加筋系統。

2.2 剛柔組合樁施工工藝

經過現場實踐的不斷探索和試驗，總結出了剛柔性組合樁的適宜組合:大直徑水泥攪拌樁與預應力管樁的組合。待相應施工設備進場后先打設大直徑水泥土攪拌樁，期間管樁靜壓機械交叉配套在已打設好的水泥土攪拌樁間隔選擇同心壓入靜壓管樁。其具體施工工藝如圖4所示。

圖1 現場剛柔組合樁

圖2 剛柔組合樁結構示意圖

具體施工步驟如下:

1)在打設樁體之前，平整場地，以符合管樁靜壓機械對場地的要求;2)材料準備，主要是水泥和預應力管樁，管樁根據實際打設深度，選擇管樁的合適搭接深度;3)施工機械運至工地后，先安裝調試，待轉速、空氣壓力及計量設施正常后，再開始就位;4)將攪拌頭對準設計樁位，啟動電機，使攪拌機沿導向架向下切土，同時開啟灰漿泵向土體噴水泥漿，兩組葉片同時正反向旋轉，切割攪拌土體，持續下沉直到設計深度，在樁底持續噴漿攪拌不少于10 s;5)關閉灰漿泵，提升攪拌機，兩組葉片同時正反向旋轉攪拌水泥土，至地面下1.0 m～1.5 m時開啟灰漿泵進行二次噴漿攪拌，直至地面;6)攪拌樁機移至下一根樁樁位，重復步驟4)～步驟5)，管樁靜壓機械吊起第一節預應力管樁對準設計樁位;7)管樁施工機械應與攪拌機械交叉施工。長樁預應力管樁從水泥土攪拌樁中心打入，管樁應在攪拌樁單樁施工結束24 h內打設完成;8)人工修整搗實樁頭。

圖3 剛柔組合樁加固地基系統示意圖

圖4 剛柔組合樁施工工藝示意圖

3 剛柔組合樁技術特點

3.1 剛柔組合樁的優點

剛柔組合樁的成樁技術為水泥攪拌樁中同心植入預應力管樁。大直徑水泥攪拌樁施工機械采用常規攪拌樁機械，預應力管樁采用靜壓樁機打入。這兩種樁的施工機械和施工工藝都已經很成熟，因此組合樁具有較好的推廣基礎條件。

根據經典土力學原理［5］，地基因上部荷載作用而產生的附加應力沿地基土表面向下是逐漸遞減的，上部地基中附加應力大，下部附加應力相對較小。軟土中主要靠樁側摩阻力來抵消附加應力，剛柔組合樁的幾何特性為上部較大的直徑和側表面積，下部直徑和側表面積相對小些，這與附加應力在地基土中的傳遞路線相吻合。

由于采用一剛一柔、一長一短的組合方式，可以根據地基中軟土的厚度和持力層層頂起伏變化選擇合適的樁長，以達到提高復合地基承載力的同時控制地基的沉降和差異沉降的目的。

3.2 剛柔組合樁的適用性

與其他樁體相同，在具有較好的承載性能和沉降控制的同時，因材料性質、地基土條件以及工程重要性等限制，剛柔組合樁也有其特定使用范圍。一般在以下條件下使用剛柔組合樁能取得更好的加固效果。首先，地基土下端需要有較好的硬土層，可作為預應力管樁的樁端持力層;此外，如果地基土中存在兩層相對較好持力層時，可以將攪拌樁的樁端設在上層持力層中。

4 剛柔組合樁單樁承載力計算方法

對于剛柔組合樁這種新樁型的單樁承載力，目前規范［6］中并沒有具體規定。為正確反映剛柔組合樁加固軟土地基機理，準確獲得單樁承載力，對承載力影響因素進行分析是很有必要的。單樁承載力主要由地基土對樁的支承作用和樁身材料強度共同決定，一般柔性樁和長徑比很大的剛性樁達到承載極限時表現為樁身材料的壓碎等破壞形式;隨著施工工藝的改進和各類高強度的剛性樁的應用，復合地基的破壞越來越多的由土對樁的支承作用主導，具體表現為樁側摩阻力和樁端阻力這兩方面。

影響樁側摩阻力發揮的因素主要有以下幾點［7，8］:1)樁周土的性質和土層分布;2)樁—土相對位移;3)樁側向有效壓應力;4)樁的幾何特征;5)樁—土界面條件。

影響樁端阻力發揮的因素主要為以下幾點［9，10］:1)樁端和樁側土層性質;2)尺寸效應;3)樁設置方法。

一般認為剛柔組合樁發生承載破壞是由于地基土的支承不足而引起的。在分析剛柔組合樁單樁承載力時，除上述影響因素外，還應考慮以下幾點:

1)管樁插入水泥攪拌樁中對攪拌樁的擠密作用。由于在水泥攪拌樁攪拌成樁后2 h之內壓入預應力管樁，此時的攪拌樁樁體強度低，基本上尚未形成堅硬的樁體，原地基土由于攪拌葉攪動和水泥漿液注入形成的水泥土固化凝結程度較低，其強度同時也比較低。因采用的是雙向攪拌法，攪拌比較均勻，對樁周土的擾動也較小，樁周土體的結構性和強度得到了較好的保留，故而在預應力管樁插入水泥土攪拌樁時，同一水平面上的水泥土受到徑向向外的擠壓，在樁土接觸面處受到樁周土向內的限制，如此形成的剛柔組合樁水泥攪拌樁外包環樁的體積密實度要大于常規的水泥攪拌樁，在水泥土充分固化凝結形成強度較高的水泥攪拌樁時其樁身抗壓強度和能提供的側摩阻力也同樣大于常規水泥攪拌樁。

2)管樁同心植入水泥攪拌樁中形成土塞效應。在分析土塞對樁周、樁端土的擠土效應和管樁承載力影響時，現在普遍的觀點將土塞分為完全土塞和不完全土塞來進行闡述。根據現場實際剛柔組合樁成樁后采用測繩量測后發現25 m長預應力管樁內的土塞長度在3 m～5 m之間，因此可判斷剛柔組合樁在沉樁時預應力管樁中形成了完全土塞。由于土塞的長度同時小于水泥土攪拌樁的長度，可見管樁在植入水泥土攪拌樁中時土塞就發展到了完全土塞，在水泥土攪拌樁以下深度，預應力管樁可視為閉口管樁。

3)水泥攪拌樁與預應力管樁協調變形情況。岳建偉等［11］的研究表明水泥攪拌樁與預應力管樁接觸面處的摩阻力大于水泥攪拌樁自身的剪切強度，也大于預應力管樁與樁周土接觸面處的摩阻力。可以看出，在攪拌樁樁長L1范圍內芯樁與攪拌樁接觸面后于攪拌樁樁身破壞而發生相對滑動;攪拌樁樁長L1～芯樁長度L2范圍內，由芯樁樁身變形連續性可知，芯樁與攪拌樁接觸面后于芯樁與樁周土接觸面發生相對滑動，所以水泥攪拌樁與預應力管樁協調變形可以得到保證。

考慮上述影響剛柔組合樁的因素，結合國內外類似樁型承載力計算公式，給出剛柔組合樁單樁承載力計算公式:

其中，u1，u2分別為水泥攪拌樁、預應力管樁樁身周長;Ap為樁長范圍內，第i層地基土的厚度;Ap為預應力管樁樁身截面面積，按閉口管樁計算;ζ為考慮預應力管樁沉樁過程擠密水泥攪拌樁，水泥攪拌樁側摩阻力的提高系數，取1.05～1.10;qsi為深度0～L1內第i層地基土與水泥攪拌樁樁側摩阻力;qsi′為深度L1～L2內第i層地基土與預應力管樁樁側摩阻力;qu為預應力管樁樁端承載力。

5 結語

通過對剛柔組合樁在深厚軟基路堤中的應用情況介紹，得到如下結論:1)剛柔組合樁兼有剛性樁和柔性樁的優點，經濟、技術優勢明顯，施工工藝簡單成熟;2)剛柔組合樁適用于地基土下端有較好的硬土層，作為預應力管樁的樁端持力層，尤其適用于地基土中存在兩層相對較好持力層，可將攪拌樁的樁端設在上層持力層中;3)在充分考慮剛柔組合樁單樁承載力影響因素的基礎上，提出了剛柔組合樁單樁承載力計算方法。

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