勁性復(fù)合樁復(fù)合地基設(shè)計

楊海軍 施冬梅 姜春華

（1.南通市水利勘測設(shè)計研究院有限公司 南通 226000 2.南通市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)村工作局南通 226000）

1 引言

勁性復(fù)合樁為散體樁、柔性樁、剛性樁經(jīng)復(fù)合施工形成的具有互補增強作用的樁。此類型樁避免了單一樁法的缺點，而且綜合了各種樁法的優(yōu)點，質(zhì)量可靠、施工簡便、造價低，強度、剛度、密度較高、樁身體積較大，具有較高的單樁承載力，同時大幅度改善了樁間土的軟弱狀態(tài)和承載力參與度，也大大拓寬了單一樁法的應(yīng)用范圍，取得了較好的加固效果。它可作為復(fù)合地基中的豎向增強體也可作為單一剛性樁（抗剪、抗拔、抗壓），還可用于基坑支護(hù)及防滲墻工程，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以江蘇省如皋市沿江某6m凈寬水閘地基處理設(shè)計為例，作簡單論述。

2 工程概況

該工程新建水閘為單孔閘，閘孔凈寬6.0m，底板頂高程-1.70m，閘室采用開敞式“U”型結(jié)構(gòu)，水閘設(shè)計流量45m3/s。水閘位于2級主江堤的港支堤上。

根據(jù)場地勘察報告，地面高程一般在3.60～4.10m之間，地基土自上而下具體分層如下：

層1素填土：以灰黃色粉土與灰褐色粉質(zhì)粘土為主。層厚0.50～5.30m，層底標(biāo)高0.61～2.43m。該層分布于場地表層。

層2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土：灰褐色，夾層青灰色。水平層理。層厚為7.10～11.40m，層底標(biāo)高為-9.89～-8.20m。該層在場地普遍分布。地基允許承載力為70kPa。

層2-T粉土夾粉質(zhì)粘土：青灰色，夾層灰褐色。水平層理。層厚為0.50～4.20m，層底標(biāo)高為-9.89～-1.30m。該層在場地普遍分布。地基允許承載力為100kPa。

層3粉砂：青灰色，夾薄層灰褐色粉質(zhì)粘土。水平層理。層厚為1.60～4.00m，層底標(biāo)高為-13.52～-11.97m。該層在場地普遍分布。地基允許承載力為170kPa。

層3-T粉土：青灰色，夾薄層灰褐色粉質(zhì)粘土。水平層理。層厚為0.60～2.70m，層底標(biāo)高為-13.07～-9.99m。該層在場地大部分布。地基允許承載力為140kPa。

層4粉土與粉質(zhì)粘土：粉土青灰色，粉質(zhì)粘土灰褐色。水平層理。層厚為4.30～6.50m，層底標(biāo)高為-21.79～-20.40m。該層在場地普遍分布。地基允許承載力為120kPa。

層4-T粉土夾粉質(zhì)粘土：青灰色，夾層灰褐色。水平層理。層厚為1.90～3.40m，層底標(biāo)高為-20.24～-17.79m。該層在場地普遍分布。地基允許承載力為150kPa。

層5粉土夾粉砂：青灰色，夾薄層灰褐色粉質(zhì)粘土。水平層理。未鉆穿。地基允許承載力為165kPa。

地質(zhì)剖面見圖1。

3 復(fù)合地基設(shè)計設(shè)想

該工程在對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、水泥土攪拌樁、勁性復(fù)合樁等地基處理方案進(jìn)行綜合比選后，最終選定勁性復(fù)合樁復(fù)合地基作為地基處理方案，主要考慮以下幾個方面：

（1）當(dāng)在樁頂承受豎向荷載時，樁身上部首當(dāng)其沖受壓縮而發(fā)生向下位移，于是樁周圍土體與樁產(chǎn)生向上的側(cè)摩阻力；荷載沿樁身向下傳遞的過程就是不斷克服摩阻力且通過它向土中擴(kuò)散的過程，因而樁身的軸力沿著深度逐漸減小，在樁端處則與樁底反力相平衡；與此同時，樁端持力層在樁端壓力作用下產(chǎn)生壓縮，使樁身下沉，樁與樁間土的相對位移又使摩阻力進(jìn)一步發(fā)展。隨著樁頂荷載的逐漸增加，上述過程周而復(fù)始地進(jìn)行，直到變形穩(wěn)定為止。由于樁身壓縮量的累積，上部樁身的位移總是大于下部，因此上部的摩阻力總是先于下部發(fā)揮出來；下部樁側(cè)摩阻力被逐漸調(diào)動出來，直至整個樁身的摩阻力全部達(dá)到極限，繼續(xù)增加的荷載就完全由樁端持力層承受；當(dāng)樁底荷載達(dá)到樁端持力層的極限承載力時，樁便發(fā)生急劇地、不停滯地下沉而破壞。因此，增強樁身上部樁周圍土體的結(jié)構(gòu)強度，對提高樁的承載力，改善樁的變形特性無疑有現(xiàn)實意義。

（2）水泥土攪拌樁加固軟土地基改善了軟土的固結(jié)特性。一般認(rèn)為水泥土的壓縮曲線表現(xiàn)出明顯的超固結(jié)特性，因而可近似地認(rèn)為水泥土樁體不存在固結(jié)現(xiàn)象，而只有彈性的樁身壓縮。水泥土攪拌樁加固深厚軟土地基一般不會貫穿整個軟土層，由此形成的加固層和下臥層軟土的固結(jié)特性仍可用雙層地基一維固結(jié)理論來分析。從固結(jié)機理上來看：一方面加固層滲透性極低的水泥土攪拌樁的設(shè)置減少了下臥層軟土的排水通道，減緩了下臥層軟土的排水固結(jié)；另一方面由于加固層豎向附加應(yīng)力向水泥土攪拌樁集中而使樁間土所受應(yīng)力大為減少，從而孔壓也大大減少，因此在下臥層軟土和加固層樁間土之間造成較大孔隙壓力差，加快了下臥層軟土的固結(jié)。

（3）水泥土攪拌樁加固軟土地基改善了天然軟土的性質(zhì)，流塑態(tài)軟黏土拌入固化劑后形成的加固土呈堅硬狀態(tài)，水泥土的粘聚力和內(nèi)摩擦角較原狀土大為增加，在三軸不排水剪切試驗時，水泥土破壞時的莫爾應(yīng)力圓直徑隨著圍壓的增大而增大，強度包絡(luò)線成斜線，因而其抗壓強度、變形模量等指標(biāo)分別比天然軟土提高數(shù)十倍至數(shù)百倍。

（4）樁、土復(fù)合構(gòu)成的地基形成了平面及豎向合適的剛度級配梯度和三維共同工作的應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到了對天然地基承載力的有效補強，從而滿足設(shè)計要求，并減少了地基的沉降。

（5）采用勁性復(fù)合樁短芯MC樁，短芯預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、長水泥土攪拌樁的布置，符合地基應(yīng)力傳遞特征，可有效增強樁身上部樁周圍土體的結(jié)構(gòu)強度，提高樁的承載力。

（6）復(fù)合地基與上部基礎(chǔ)通過褥墊層的柔性連接，在水平荷載作用下，有效地傳遞垂直荷載。

（7）褥墊層可有效地調(diào)整復(fù)合地基的樁土荷載分配，充分發(fā)揮土體的承載能力特別是發(fā)揮淺層土體的承載作用。

4 勁性復(fù)合樁復(fù)合地基的設(shè)計

新建水閘為凈寬6m單孔閘，經(jīng)設(shè)計計算下游一級翼墻所需的地基承載力為138kPa。下游一級翼墻底板基礎(chǔ)位于層2，根據(jù)地質(zhì)資料，承載力僅為70kPa，地基承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足要求。結(jié)合之前設(shè)計思路，采用短芯MC型勁性復(fù)合樁，外芯為φ700mm水泥攪拌樁，有效樁長10m，內(nèi)芯為φ300mmPHC管樁，有效樁長8m。

4.1 豎向承載力特征值計算

圖1 地質(zhì)剖面圖

選擇具有代表性的地質(zhì)剖面，根據(jù)《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T327-2014）中式4.3.2-2及4.3.2-4計算，并取小值：

式中：uc為內(nèi)芯樁身周長；為復(fù)合段內(nèi)芯側(cè)阻力特征值；lc為樁復(fù)合段長度；為內(nèi)芯樁端土的端阻力特征值；為內(nèi)芯樁身截面積；u為復(fù)合段樁身周長；ξsi、ξp分別為外芯第i土層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)、端阻力調(diào)整系數(shù)；qsia為外芯第i土層側(cè)阻力特征值；qpa為復(fù)合樁端阻力特征值；Ap為復(fù)合樁樁身截面積。

4.2 勁性復(fù)合樁復(fù)合地基承載力特征值

根據(jù)《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T327-2014）中式4.4.3計算：

式中：m為面積置換率；β為樁間土承載力折減系數(shù)；fsk為樁間土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)。

取樁間距為1.8m×1.8m，置換率為0.12，λ取0.95，β取 0.8，fsk為 70kPa，經(jīng)計算得：fspk=145kPa＞138kPa，滿足設(shè)計要求。

4.3 褥墊層設(shè)計

褥墊層材料采用20cm厚10%水泥土，該褥墊層作用：保證樁、土共同承擔(dān)荷載，即使樁端持力層不同，也能保證一部分荷載通過褥墊層的調(diào)整作用在樁間土上；調(diào)整樁、土荷載分擔(dān)比；調(diào)整樁、土水平荷載的分擔(dān)；減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中。

5 復(fù)合地基設(shè)計方案比選

5.1 預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的設(shè)計

采用管徑300mm預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計，有效樁長為10m，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）中式5.2.2及5.3.5計算豎向承載力特征值：

式中符號意義見規(guī)范，得Ra=164kN。

復(fù)合地基計算根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中式7.1.5-2計算：

式中符號意義見規(guī)范，取樁間距為1.0m×1.0m，置換率為 0.071，經(jīng)計算得：fspk=140.9kPa＞138kPa。

5.2 水泥攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計

采用管徑700mm水泥攪拌樁進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計，有效樁長為10m，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）中式7.1.5-3及7.3.3計算：

式中取小值，得Ra=154kN

復(fù)合地基計算根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中式7.1.5-2計算：

式中符號意義見規(guī)范，取樁間距為1.1m×1.1m，置換率為 0.318，經(jīng)計算得：fspk=140.2kPa＞138kPa。

同時設(shè)計中又對這三種地基處理方案做了造價分析，該工程中，勁性復(fù)合樁方案為155萬元，預(yù)應(yīng)力管樁方案為175萬元，水泥土攪拌樁方案為162萬元。

6 結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是采用先張預(yù)應(yīng)力，摻加高效減水劑，高速離心蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝的空心圓筒細(xì)長的預(yù)制樁，將建筑物的荷載傳給地基土具有一定抗彎、抗壓性能的桿件。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有單樁承載力高，設(shè)計選用范圍廣，施工速度快，工效高，工期短，樁體耐打等優(yōu)點。但在該工程中，由于基礎(chǔ)以下有較厚的軟弱土層，為淤泥質(zhì)土，屬于高壓縮性土，預(yù)應(yīng)力管樁雖單樁承載力高，但對加固軟土地基效果不明顯，要想達(dá)到設(shè)計要求，必須提高置換率，加大置換率的同時造價相應(yīng)增加。

（2）水泥攪拌樁利用水泥作為固化劑的主劑，是軟基處理的一種非常有效的傳統(tǒng)形式，利用攪拌樁機將水泥噴入土體并充分?jǐn)嚢瑁顾嗯c土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)而提高地基強度。經(jīng)計算對加固軟土地基較預(yù)應(yīng)力管樁效果好，但由于水泥土強度有限，復(fù)合地基承載力受水泥土強度的控制，置換率較大，樁間距較密，同樣不經(jīng)濟(jì)。

（3）勁性復(fù)合樁采用水泥攪拌樁與預(yù)應(yīng)力管樁組合的方式進(jìn)行復(fù)合地基處理避免了單一樁法的缺點而綜合了各自樁法的優(yōu)點。既利用了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的低壓縮性高強度的特點來承擔(dān)荷載，又利用了水泥土攪拌樁來形成復(fù)合地基，增加地基的總承載力，并且大大提高了樁間土的參與作用，使復(fù)合地基承載力大幅度提高。同時，還具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

綜上，勁性復(fù)合樁復(fù)合地基是軟土地基上水閘、泵站等水工建筑物地基處理的理想方案，其加固效果可靠，施工技術(shù)日趨成熟，與傳統(tǒng)地基加固方案相比，具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可在以后的水利工程設(shè)計中予以推廣