湖相沉積土層中等直徑勁性復合樁的承載力計算與分析

李紅波+胡錦偉+王咸東+盛光祺

摘要：本文采用目前五個具有代表性規范對湖相沉積土層中勁性復合樁樁身承載力進行計算復核與分析，得出了在采用與芯樁等直徑原位注漿攪拌情況下，土體經注漿攪拌后對樁身承載力依然具有較大的影響的結論。給出了在特定工程條件下注漿攪拌對樁身承載力的貢獻值。勁性復合樁側阻力調整系數對樁身承載力有較大的影響，工程中需結合地區經驗綜合考慮，才能得出符合實際、安全的計算結果，為工程帶來合理的經濟環境效益。

Abstract： We calculated and analyzed the bearing capacity of strength composite piles which located in the lacustrine sedimentation with five methods used by engineers. The result showed that cement-soil have major impact on the bearing capacity of strength composite piles. We found cement-soil share of the bearing capacity of strength composite piles with the same diameter in the lacustrine sedimentation， and found that factor of the side resistance of pile have major impact on the bearing capacity of strength composite piles. We will get the practical and safe results while considering the various factors on the influence of the bearing capacity of strength composite piles， and achieve economic and environmental benefit.

關鍵詞：勁性復合樁；樁身承載力；樁側阻力調整系數

Key words： strength composite piles；bearing capacity；factor of the side resistance of piles

中圖分類號：TU43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0097-03

0 引言

昆明市西南部邊緣與滇池交接處屬于典型滇池盆地湖相沉積平原地貌，分布著厚度較深的軟弱土層，建構筑物基礎選型受到極大限制，淺基礎基本無法滿足要求，樁基中以管樁應用最為廣泛。

水泥土攪拌樁或注漿攪拌是軟土地區常用的地基處理形式，具有施工方便靈活，施工周期短，造價低的特點，但樁身承載力較低，樁周側摩阻力往往得不到充分利用。管樁尤其是預應力管樁，其樁身承載力較高，但是由于采用離心澆筑而成，材料密實，表面光滑，側摩阻力較低。根據相關學者研究表明，與采用振搗法澆筑的樁相比，管樁樁周側摩阻力僅為65%～75%[1]，樁身材料強度得不到發揮。

勁性復合樁是在經注漿攪拌的注漿混合體初凝前插入剛性芯樁形成的一種復合型結構[2]，結合了土體注漿攪拌側摩阻力大和管樁樁身材料強度高的特點，具有承載力高、造價低等優點[3，4]，在工程中有很好的應用前景。

1 勁性復合樁的承載力計算方法

根據芯樁長l與注漿攪拌長度lc的比值α1的不同，將勁性復合樁分為長芯勁性樁α1>1、短芯勁性樁α1<1和等芯勁性樁α1=1[5，6，7]。

勁性復合樁的承載力主要由勁性復合段承載力、非勁性復合段承載力和樁端承載力構成。目前，勁性復合樁并沒有統一的承載力計算方法。根據芯長比的不同，計算方法也不盡相同，但所有的計算方法均在單樁豎向承載力[3]的計算基礎上進行不同程度的改進。勁性復合樁承載力計算方法主要有：①河北省《混凝土芯水泥土組合樁復合地基技術規程》（DB13（J）50-2205），②河北省《剛性芯夯實水泥土樁復合地基技術規程》（DB13（J）70-2007），③《勁性復合樁技術規程》（JGJ/T 327-2014），④云南省《加芯攪拌樁技術規程》（YB-2007），⑤江蘇省《勁性復合樁技術規程》（DBJ32-TJ 151-2013）。上述五本規范都考慮了樁周側摩阻力和樁端阻力，通用承載力計算式可歸納如下[8]：

Ra=u∑ξsiqsiali+uc∑qlj+αξpqpaAp（1）

Ra為單樁豎向承載力特征值，u、uc分別為勁性復合段和非勁性復合段樁身周長，ξsi、ξp為第i為層側阻力調整系數和樁端阻力調整系數，qsia、q為勁性復合段和非勁性復合段第i層土側阻力特征值，li、lj為勁性復合段和非勁性復合段第i層土層厚度，α為樁端阻力折減系數，qpa為樁的端阻力特征值，Ap為樁端截面積。根據芯長比，住建部行業標準、云南省地方標準和江蘇省地方標準區分不同計算方法，根據芯長比不同，計算式略有不同。

住建部行業標準《勁性復合樁技術規程》（JGJ/T 327-2014）要求區分勁性復合樁樁側破壞面發生于內外芯界面或外芯與樁周土界面進行計算。云南省《加芯攪拌樁技術規程》（YB-2007）還要求進行樁身頂端材料強度確定的單樁豎向承載力Ra2、芯樁周和芯樁端水泥土抗力確定的單樁豎向承載力Ra3和芯樁范圍內樁周土和芯樁端水泥土抗力確定的單樁豎向承載力Ra4計算，并選取最小值作為樁身承載力特征值。上述兩本規范實質是根據勁性復合樁破壞模式選用不同的計算模型。

2 計算實例

2.1工程概況與水文地質條件

昆明滇池國際會展中心項目位于昆明盆地西南部邊緣，距離滇池水域約1.0km。場地范圍內為滇池盆地湖相沉積平原地貌，地表普遍分布厚約2～5m雜填土層，其下主要為第四系沖洪積及湖沼相沉積地層，以黏性土層和粉土層為主，地質及水文條件如圖2所示。

主體結構地上三層，地下一層，平面形狀為同心圓組成的半圓環，外弧長度約1600m，內弧長度約1200m，徑向長度約190m，會展及配套商業總面積1171410m2。地下室層高5.4m，主要功能為車庫；1層和2層層高均為7.0m，其中1層主要功能為展廳、商業、車庫和設備用房；二層主要功能為展廳、商業及配套洽談會議中心；3層層高15.0米，主要功能為展廳，為大跨度屋蓋結構。車庫和展廳采用鋼筋混凝土框架結構體系，屋蓋采用鋼筋混凝土筒體（框架柱）-拉索拱架鋼結構體系。框架柱軸力標準值約6200kN和7800kN。大跨度屋蓋結構中支承筒體最大軸力標準值約105000kN，支承框架柱軸力標準值約9500kN。

通過計算，如采用端承型摩擦樁，則總樁數為1680根，工程量50400m，工程量極大，且存在嚴重的擠土效應問題，施工難度大。如采用灌注樁將會存在充盈系數大、成樁困難、質量不易保證的問題。在以往施工經驗的基礎上，提出采用在設計樁位上進行攪拌注漿施工，在水泥土混合體初凝前壓入管樁的優化方案。

2.2 樁基承載力計算與分析

根據提出的優化方案，注漿攪拌與管樁（芯樁）直徑相同，勁性復合樁設計參數如表2所示。

對比表3和圖3數據，可以看出當注漿攪拌樁徑與混凝土樁徑相同的情況下，云南標準計算值最接近實測值，誤差為15.97%，其次為行業標準，誤差最大為江蘇標準，誤差達61.65%。反觀分析計算過程中所選用的數值，可以明顯看出行業標準、江蘇標準和云南標準均采用了樁側阻力調整系數ξs，導致最終計算結果出現差異。行業標準調整系數根據土層不同采用不同的調整系數，取值范圍為1.3～2.3，結合本項目地質條件，調整系數取值范圍為1.3～1.9；云南標準建議值為1.1～1.6，不區分土層；江蘇標準根據面積比確定，面積比定義為芯樁樁身截面積與勁性復合樁樁身截面積之比，本項目中由于水泥土樁直徑與管樁直徑相同，計算所得面積比大于40%，樁側阻力調整系數ξs>3.0，導致最終計算結果偏大；河北省兩本規范均未對樁側阻力進行調整，即取值為1.0，在水泥土攪拌樁樁徑與混凝土樁徑相同，導致采用河北省規范計算無法體現出水泥土攪拌樁的作用，計算值與普通管樁計算值相差不大。

表4為勁性復合樁在水泥土注漿攪拌作用下樁身承載力提高值與不考慮水泥土注漿攪拌作用的樁身承載力提高值之比。

根據表4，可以看出在水泥土注漿攪拌作用下行業標準、云南標準、江蘇標準和河北標準1計算樁身承載力均有一定提高，這與工程經驗是相匹配的。河北標準2樁身承載力反而下降，主要原因是本項目水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁徑相同，根據河北標準2樁側阻力未得到提高，樁端阻力反而因為采用復合樁型計算進行折減，導致最終計算承載力值較低。

3 結論

通過工程實例，對比分析五本規范計算水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同情況樁身承載力，并進行了比較分析，得出以下幾點結論：

①在水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同的情況下，水泥土注漿攪拌對勁性復合樁樁身承載力依然有較大的貢獻值。

②在本項目中，當水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同的情況下，勁性復合樁樁身承載力提高約1.56倍。即在勁性復合樁提供的承載力中水泥土注漿攪拌的貢獻值約為35.9%。如不考慮水泥土注漿攪拌對勁性復合樁樁身承載力有利作用，將會造成較大的浪費。

③樁側阻力調整系數ξs對樁身承載力具有較大影響，具有很強的地域性，在具體使用過程中應根據地區經驗綜合考慮各種因素后選用。

④采用水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同勁性復合樁施工工藝不僅可以解決管樁施工過程中的擠土效應問題，對樁身承載力的提高也有較大作用，該工藝具有較強的適用性。

參考文獻：

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