某封閉煤場改造項目鉆孔灌注樁與勁性復合樁方案對比分析

王海東，隋明昊，牛井恒，胡云鵬，張旭成

（1.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

勁芯復合樁是一種新型的地基處理技術，該技術是在水泥土攪拌樁的基礎上發展而來的，即在水泥土攪拌樁成樁之后，水泥土初凝之前用壓樁技術將剛性加強體（管樁、型鋼等）壓入水泥土內，形成剛性加強體與水泥土的復合樁共同承受上部荷載［1］。勁芯復合樁十分適用于沿海軟土地基處理，它綜合了單一樁型（如柔性砂石樁、半剛性水泥土樁和剛性混凝土樁）的優點，能根據土質情況、上部結構要求、加固目的而有針對性地、靈活地采取多種組合方式，調整各種樁的樁徑、樁長、強度、施工工藝參數等，使復合樁充分發揮出樁周軟土摩阻力和樁底阻力，且匹配具有一定強度的材料而產生足夠高的單樁承載力，滿足不同的設計要求［2］。

由柔性砂石樁（S）、半剛性水泥土樁（M）和剛性混凝土樁（C）可構成多種組合方式的多元復合地基樁，如SM、SC、MC、SMC 等，其中 MC 即是目前大量被運用推廣的“MC 高強復合地基樁”和“長短樁”復合地基樁［2］。

勁性復合樁突破了單一樁型的局限性，“將 S 樁（散體樁）、M 樁（半剛性樁）、C 樁（剛性樁）中兩種或三種樁型復合為同一樁體，形成有互補增強作用的復合樁［3］，是技術組合的創新和應用，其樁身具有較高的強度、剛度、密度和均勻性，且與樁周土具有共同工作性能”（見圖 1），適用于淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土、砂土以及人工填土地基。

圖1 某工程勁性復合樁照片

在上覆土層厚度大、性質較好的樁端持力層埋深較深的場地，特別是在一些特殊性巖土場地，比如場地上覆土層中存在較厚的濕陷性土層，樁長須穿透濕陷性土層，并且要考慮負摩阻力的不利影響；限于地質條件的復雜性和封閉煤場項目上部結構對樁基礎抗水平推力的要求較高，采用鉆孔灌注樁樁長往往很長，施工質量不宜保證，造價較高，而且工期也比較長。

1 工程實例分析

1.1 工程概況

某發電有限責任公司煤場揚塵治理工程分為一二期和三期兩個煤場，擬建全封閉煤場鋼結構擬采用張弦拱桁架結構形式，結構跨度約 180 m，長度約 210 m；桁架支座反力豎向約為 5000 kN，水平反力約為 2 000 kN。擬建工程基礎設計等級為乙級，擬采用灌注樁基礎，基礎承臺埋深約 2.5 m，樁徑 1 000 mm，單樁承載力特征值約 2 000 kN，水平承載力特征值約 200 kN。

1.2 工程地質條件

本工程煤場改造區域主要土層構如下。

1.3 地下水條件

勘察期間屬于枯水期，勘察深度范圍內存在地下水，地下水類型屬于孔隙潛水，主要賦存于第④層粉土、第⑤層粉質黏土中，涌水量不大，初見水位埋深 30.3～31.9.0 m，水位高程 460.69～463.21 m，靜止水位埋深 29.6～31.3 m，水位高程 460.89～463.81 m，地下水水位隨季節性變化較大，主要受大氣降水為補給條件，以蒸發和徑流方式排泄。水位受大氣降水的影響顯著，枯水季節和豐水季節水位變化在 1.0 m 左右。

1.4 鉆孔灌注樁設計計算

1.4.1 設計參數

樁型及成樁工藝采用干作業成孔灌注樁，樁徑 1.00 m，樁長 32.00 m，混凝土強度等級 C30，縱向受力鋼筋采用Φ25@HRB400，加強筋Φ14@HRB400，混凝土保護層厚度 50 mm，樁頂水平位移允許值取 10 mm，樁頂標高 488.50 m，巖土性能參數如表 1 所示。

表1 鉆孔灌注樁巖土性能參數表

1.4.2 計算結果

1）單樁豎向承載力特征值。單樁豎向承載力特征值可按下式計算，見式（1）。

式中：u 為樁的周長，m；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁的截面面積，m2；qsik為樁周第 i 層土的側阻力標準值，kPa；qpk為樁徑為 800 mm 的極限端阻力標準值；li為第 i 層土的厚度，m；K 為安全系數，取 2。

2）單樁水平承載力特征值。單樁水平承載力特征值按下式計算，見式（2）。

E I 為樁身抗彎剛度，對于鋼筋混凝土樁，EI =0.85ECI0；其中 EC取3.0×104MN/m2，I0為樁身換算截面慣性矩：圓形截面為I0=W0b0/2；vx為樁頂水平位移系數，樁頂約束情況為鉸接，取值為 2.441；m 為樁側土水平抗力系數的比例系數，取 4.0 MN/m4；ρg為樁身配筋率，取 0.873 %；b0為樁身計算寬度，b0=0.9（1.5d+0.5）；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，取 6.67；d0為扣除保護層厚度的樁直徑，取 0.90 m；

3）考慮承臺效應、群樁效應的基樁承載力。根據設計要求，承臺下預計需要 9 根灌注樁，灌注樁布置如圖 2 所示。因承臺底的土層為濕陷性土層，依據 JGJ 94－2008《建筑樁基技術規范》第 5.2.3 條、5.2.5 條［4］，對基樁豎向承載力特征值，不考慮承臺效應，取單樁豎向承載力特征值。

圖2 鉆孔灌注樁布置示意圖

依據同類項目經驗，上部結構反力水平荷載較大，樁數一般由水平力控制。按最不利工況下，縱向主桁架水平荷載標準值約 2 200 kN，縱向擬采用 9 根灌注樁，承臺尺寸 9 m×8 m，樁中心距取 3.00 m，以此計算群樁基礎的基樁水平承載力［5-6］。

根據 JGJ 94－2008《建筑樁基技術規范》第5.7.3 條，群樁基礎的基樁水平承載力特征值應考慮由承臺、樁群、土相互作用產生的群樁效應，可按式（3）～（7）確定。

式中：ηc為群樁效應綜合系數；ηi為樁的相互影響效應系數；ηr為樁頂約束效應系數，取 2.05；ηl為承臺側向土水平抗力效應系數，取 0；ηb為承臺底摩組效應系數；Sa/d 為沿水平荷載方向的距徑比；n1n2為分別為沿水平荷載方向與垂直水平荷載方向每排樁中的樁數，取 3；μ 為承臺底與地基土間的摩擦系數，取 0.25；Pc為承臺底地基土分擔的豎向荷載標準值，kN；ηc為承臺效應系數，取 0；A 為承臺總面積，m2；Aps為樁身截面面積，m2。

經計算：單樁承載力特征值 Ra=1 510 kN，單樁水平承載力特征值 Rha=176 kN；考慮群樁效應的水平承載力特征值 Rh=234 kN。

1.5 勁性復合樁設計計算

1.5.1 設計參數

樁型采用 MC1100（600）長芯樁，外圍水泥土樁有效長度 22 m，芯樁采用 PHC-600（130）AB-13，樁頂標高按 489 m 計。以 ZK08 為例，孔口標高為 493.23 m，M 樁樁徑 1 100 mm，樁長 18.52 m；C 樁樁徑 600 mm，樁長 26 m；M 樁樁身周長 4.838 m，C 樁樁身周長 1.885 m；M 樁樁端面積 0.950 m2，C 樁樁端面積 0.283 m2。巖土參數如表 2 所示。

1.5.2 單樁豎向承載力計算

根據 JGJ/T 327－2014《勁性復合樁技術規程》第 4.3 節進行單樁承載力估算。

1）樁側破壞面位于內、外芯界面時，基樁豎向抗壓承載力特征值按下式估算，見式（8）。式中：Ra為勁性復合樁單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；為勁性復合樁內芯樁身周長，m；lc，lj為分別為勁性復合樁復合段長度和非復合段第 j 土層的厚度，m；為勁性復合樁內芯樁身截面積，m2；為勁性復合樁復合段內芯側阻力特征值，kPa，取室內相同配比水泥土試塊在標準條件下 90 d 齡期的立方體（邊長 70.7 mm）無側限抗壓強度的 0.08 倍，設計要求該無側限抗壓強度≥1.6 MPa；為勁性復合樁非復合段內芯第 j 土層側阻力特征值，kPa；為勁性復合樁內芯樁端土的端阻力特征值，kPa。

經計算，Ra=4 367 kN。

2）樁側破壞面位于外芯和樁周土界面時，基樁豎向抗壓承載力特征值按下式估算，見式（9）。

式中：u 為勁性復合樁復合段樁身周長，m；li為勁性復合樁復合段第 i 土層厚度，m；qsia為勁性復合樁復合段外芯第 i 土層側阻力特征值，kPa；qpa為勁性復合樁段阻力特征值，kPa；ξsi為勁性復合樁復合段外芯第 i 土層側阻力調整系數。

經計算，Ra=5 889 kN。

3）依據《10G409 預應力混凝土管樁》，PHC-600（130）AB 型管樁樁身結構軸心受壓承載力設計值 Rp=4 824 kN，管樁樁身能承受單樁最大豎向抗壓承載力特征值 Ra=Rp/1.35=3 573.33 kN。

表2 勁性復合樁巖土性能參數表

4）勁性復合樁設計單樁抗壓承載力特征值取 2 500 kN，小于上述1）～3）確定的承載力特征值，驗算通過。

1.5.3 水平承載力特征值

依據《10G409預應力混凝土管樁》，PHC-600（130）AB 型管樁樁身受剪承載力設計值 Vp=352 kN管樁樁身能承受單樁最大水平承載力特征值 Va=Vp/1.35=260.74 kN，滿足設計要求。

1.5.4 勁性復合樁布置

本工程擬采用 MC 長芯勁性復合樁，主桁架承臺埋深 2.5 m，外芯采用高壓旋噴水泥土樁（濕法攪拌工藝），樁徑Φ1 100 mm、有效樁長 L=22 m；四周搭接四根Φ950 mm 水泥土樁，有效樁長L=7 m，P.O.42.5 水泥摻入量 15 %～18 %，四攪兩噴；內芯采用高強預應力管樁 PHC-600（130）AB，混凝土強度 C80，有效樁長 26 m。內芯采用錘擊打入，樁端支承于第④層粉土，屬端承型摩擦樁。管樁單樁豎向抗壓承載力特征值預計 2 500 kN，水平承載力特征值（10 mm 臨界值）250 kN。勁性復合樁示意如圖 3 所示。

圖3 勁性復合樁布置示意圖

1.5.5 試樁檢測

1）豎向靜載荷試驗。本工程共進行 3 組試樁，分別為 S1、S2、S3，載荷試驗在設計要求的最大荷載下 p-s 曲線呈緩變型，無明顯拐點，在極限承載力 5 000 kN 作用下，沉降量分別為S1=10.12 mm，S2=13.08 mm，S3=12.74 mm，滿足要求。

2）水平承載力載荷試驗。根據現場水平載荷試驗連續循環加壓，在加壓至設計值 250 kN 時，水平位移 S1=3.53 mm，S2=4.54 mm，S3=4.17mm；在加壓至極限值 500 kN 時，水平位移 S1=7.75 mm，S2=8.52 mm，S3=8.32 mm；當位移達到 10 mm 時，水平承載力加載值分別為 S1加壓至 585 kN，S2加壓至 560 kN，S3加壓至 565 kN。

3）樁身完整性檢測。現場進行 3 根樁的低應變檢測，波速范圍值 3 950～4 350 m/s，均為Ⅰ類樁。

2 兩種方案的對比分析

2.1 工作量對比

2.1.1 鉆孔灌注樁

本項目樁基設計樁徑 1 000 mm，設計樁長達 32 m，該方案一二、三期煤場工程量如表 3 所示。

表3 灌注樁方案工程量統計

2.1.2 勁性復合樁

本工程擬采用 MC 長芯勁性復合樁，該方案一二、三期煤場工程量如表 4 所示。

2.2 技術對比分析

2.2.1 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁方案成孔方式可采用旋挖成孔或泥漿護壁旋挖成孔，成孔方式為非擠土，不能消除場地土的濕陷性，豎向承載力計算時需考慮 ②～③ 層土的負摩阻力；水平承載力計算時頂部樁側土約束較弱，水平抗力比例系數 m 值較低，造成樁徑及樁長尺寸較大；另外，鉆孔灌注樁施工采用泥漿護壁施工時，孔底沉渣厚度不宜控制，影響成樁質量，泥漿會污染施工場地。

表4 勁性復合樁方案工作量統計表

表5 樁基施工方案工期對比

2.2.2 勁性復合樁

勁性復合樁方案施工時先行噴水濕法攪拌，預先消除樁周土層濕陷，同時水泥土四攪兩噴，提高了內芯預制管樁與外芯水泥土之間的樁側摩阻力，因此可提高預制管樁的豎向承載力。預制管樁采用錘擊沉樁，沉樁過程產生的擠土效應可消除土的濕陷性。此外，頂部外芯水泥土樁側搭接水泥土樁，水泥土樁連成整體田字型格柵狀，可提高樁基的水平承載力。因此，與灌注樁方案相比，所需內芯樁徑及樁長均較小，且基樁水平承載力更高。

2.3 工期對比分析

以一二期煤場為例，兩種樁基施工方案所需的工期如表 5 所示，與常規灌注樁方案對比，如采用勁性復合樁方案，每個煤場的樁基施工周期可由 30 d 縮短至 18 d。

3 結論

1）本工程擬采用 MC 長芯勁性復合樁，每個承臺下擬采用外芯為 M 樁（高壓干濕法旋攪水泥土樁）、中芯樁為 C 樁（PHC-600（130）AB-C80）、勁性樁體上部采用互相搭接的水泥土樁（有效長度 7 m，直徑1 100 mm）形成“田”字型連體格柵的連體協力勁性復合樁形式。

2）勁性復合樁集置換、豎向增強、排水排氣、固結、膠結、壓密、充填、振密、擠密等于一體［2］，可有效提高軟基強度及穩定性，降低地基壓縮沉降量，并保證地基均勻性，從而滿足不同設計要求（復合樁長一般僅需達淺層相對較硬持力層）。樁身造價低廉、強度較高、質量可靠。

3）勁性復合樁能大幅提高地基承載力、加快軟土固結，減少地基沉降（沉降量僅為天然地基的 20 %、單一樁型的 50 % 左右），縮短工后穩定期，同時解決了由軟弱土層共生的復雜地基不均勻性問題，減少建筑物不均勻沉降的發生。

4）勁性復合樁由成熟工法組合或復打而成，融合各樁優點的同時有效避免了單一樁型的固有缺陷。其單樁承載力、復合地基承載力、壓縮模量和變形計算、驗收檢測等均有國家規范規程、樁基理論參照，避免了一般新技術、新工藝推廣應用中的不利因素障礙，確保建造部門無風險。

5）針對本工程的濕陷性土層，勁性復合樁可通過調整樁徑、樁長、摻灰量、強度、顆粒級配、攪拌和復打次數，充分發揮復合樁周軟土摩阻力和樁底阻力，并匹配材料強度，進而提供充足的單樁承載力。

6）勁性復合樁在上覆土層分布深厚、基巖埋深較大的場地有突出的優勢，克服了鉆孔灌注樁樁長過長采用泥漿護壁減小側壁摩阻力的風險，也克服了深厚覆蓋層如砂層中沉渣太厚的問題，同時可以改變樁側土的強度，消除濕陷性，是一種可靠的樁基礎方案。