勁性復合樁在水利工程中的應用研究

楊慶慶，王桂智，劉冠霆，趙津磊，李學德

(1. 揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007；2. 江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127)

我國東部沿海地區廣泛分布著軟弱土層，天然地基往往無法滿足工程建筑物承載力要求，因此樁基處理成為一種較為常見的地基處理方式[1]。常見的樁基處理方法有水泥土攪拌樁、鉆孔灌注樁、混凝土預制樁等。水泥土攪拌樁施工簡便，成本低廉，但樁身強度相對較低，成樁效果較難控制[2]；剛性混凝土樁承載力較高，但容易發生樁周土體已經破壞時樁身強度還未充分發揮的情況，且成本相對較高[3]。

勁性復合樁是一種將散體材料樁、柔性水泥土類樁和剛性混凝土樁中的2或3種進行相應的組合而形成的一種復合樁型，具有承載力大、施工速度較快、成樁質量高等優點[4]。勁性復合樁目前廣泛應用于鐵路、公路等工民建工程中[5]，相對而言在水利工程中應用還不夠普遍。本文以某水利工程為背景，對勁性復合樁在水利工程中的應用研究進行探討，所得結論可供同類工程參考。

1 工程概況

某水利樞紐工程位于江蘇省常州市，主要由立交地涵、船閘、節制閘組成。根據水工建筑物承載力計算結果以及地勘資料成果，本工程立交地涵的第二、三、四節翼墻、閘首、閘室及節制閘基礎等均需進行地基處理。下文以地涵南北兩側第二節翼墻為例，將預制樁方案、水泥攪拌樁方案和勁性復合樁方案作技術經濟比選，最終選擇合適的翼墻地基處理方案。

第二節翼墻結構如圖1所示。

根據地勘資料，各層土物理力學指標見表1。

立交地涵上下游第二節翼墻底板設計底面高程為-5.50m，根據本工程地質勘探資料，地涵東側運河南北第二節翼墻均坐落于②3層淤泥質重粉質壤土上，地基允許承載力[R]=70kPa。第二節翼墻抗滑穩定計算成果見表2。

由計算結果可得，南北第二節翼墻地基承載力均不能滿足規范要求，且地基軟土層厚度4～6m。

2 地基處理

為滿足地基承載力要求，需對翼墻進行地基處理。初步擬定預制樁方案、水泥攪拌樁方案和勁性復合樁方案，并進行方案比選，選擇地基處理方式。

2.1 預制樁方案

第二節翼墻順水流向長度為12m，墻后填土地面高程為6.50m，底板底面設計高程為-5.50m，地基軟土層厚度約4～6m，擬采用PHC- 600(110)AB-C60型混凝土管樁對翼墻地基進行處理。根據第二節翼墻穩定分析，在各運行工況下，最大水平力為5927kN，控制管樁樁頂位移不超過1.0cm，單樁允許水平承載力為100kN，需布置60根PHC- 600(110)AB-C60型混凝土管樁，同時預制管樁間間距不應小于1.80m，沿底板寬度方向布置8排、每排8根、共64根PHC- 600(110)AB-C60

表1 工程地質勘察綜合成果建議值表

表2 地涵第二節翼墻抗滑穩定計算成果表

型混凝土管樁，單樁豎向承載力標準值為583kN。預制樁容許承載力按下式計算：

(1)

式中，[P] —單樁容許承載力，kN；U— 樁身截面周長，m；qfi— 單樁第i層土的極限摩阻力標準值，kPa；li— 樁身穿過第i層土的長度，m；qR— 單樁極限樁端阻力標準值，kPa；A— 樁身截面面積，m2。

設計預制管樁樁長為7.00m時，樁端落在⑤2層粉質黏土上。經計算，[P]=771kN>583kN，承載力滿足設計要求。

2.2 水泥攪拌樁方案

第二節翼墻順水流向長度為12m，墻后填土地面高程為6.50m，底板底面設計高程為-5.50m，地基軟土層厚度約4～6m，根據其土質情況，采用樁土聯合作用較好且造價相對較低的水泥土攪拌樁進行地基處理。本工程擬采用φ60cm的水泥土攪拌樁，間距1.0m，對翼墻地基進行處理，處理深度為6～8m，進入⑤2層粉質粘土層中不小于2.0m。

根據JGJ79—2012《建筑地基處理技術規范》[6]的要求，對加固處理后的地基承載力按照下式進行驗算：

(2)

式中，fspk—復合地基承載力，kPa；m—水泥攪拌樁的面積置換率，0.28；Ra—單樁承載力特征值，kN；Ap—樁的截面面積，m2；β—樁間土承載力折減系數，可取0.75～0.95，取0.75；fsk—天然地基承載力，取②3層允許承載力70kPa。

本工程水泥攪拌樁的水泥摻量為被加固土體質量的18%，水泥選用強度等級為42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，采用濕法施工，考慮到地基②3層淤泥質重粉質壤土中局部含有大量的腐蝕質，對水泥土攪拌樁的強度影響較大，根據以往工程經驗，設計攪拌樁樁身水泥土的抗壓強度不得小于1000kPa。經計算，單樁承載力特征值為94kN，置換率為28.26%，處理后的②3層的復合地基復合地基承載力為132kPa，不能滿足翼墻地基承載力要求。

2.3 勁性復合樁方案

勁性復合樁是將散體材料樁、柔性水泥土類樁和剛性混凝土樁根據不同的地基土質選擇相應的組合而形成的一種復合樁型，具有組成復合樁各樁型的特點，適用于淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土、砂土以及人工填土等地基[7]。本工程地基②3層土體含水量41.9%，塑性指數17.2，且局部含大量腐蝕質。勁性復合樁選用柔剛復合樁，其中外層樁為柔性樁，采用直徑70cm的水泥土攪拌樁，間距為1.5m，水泥摻入量為18%，設計攪拌樁樁身水泥土的抗壓強度不得小于1000kPa；剛性樁作為樁體內芯，采用C30素混凝土樁芯，直徑為22cm[8]。勁性復合樁結構如圖2所示。

在軟土地基上，先施工直徑70cm的水泥土攪拌樁，在水泥土未硬凝前，通過振沖在水泥土攪拌樁中間形成直徑22cm的孔，然后現澆C30混凝土樁芯，形成素混凝土勁芯水泥土復合樁。在施工中，通過振密擠擴作用，增加水泥土體密度，從而大幅度提高水泥土體的剛度和強度，同時還會擠擴周圍水泥土體和樁周土體，使樁周土體的界面粗糙緊密，提高符合樁體的側摩阻力；且在素混凝土樁芯的作用下，復合樁體的承載力間大幅度提高。根據JGJ/T327—2014《勁性復合樁技術規程》，采用勁性復合樁后，復合地基承載力可按下式計算:

(3)

式中，λ—單樁承載力發揮系數，取0.95～1.0，本工程取0.95；β可取0.8～1.0，本工程取0.8；其他變量含義及取值同前。

經計算，勁性復合樁單樁承載力特征值為225kN，置換率為26.6%，處理后的②3層的復合地基復合地基承載力計算值為189kPa，滿足翼墻地基承載力要求。為提高勁性復合樁復合地基的樁土聯合作用效應，在勁性復合樁頂和建筑物基礎間設置水泥土褥墊層，厚度為20cm，水泥土中水泥摻入量為8%。

第二節翼墻基礎坐落于②3層淤泥質重粉質壤土層上，其固結快剪凝聚力為16.2kPa，內摩擦角為12.6°。處理后的地基土體的強度指標可根據以下公式進行計算：

Cc=Cs(1-m)+Cp*m

(4)

tanΦc=(1-m)tanΦs+mtanΦp

(5)

式中，Cc—復合地基凝聚力，kPa；Φc—復合地基內摩擦角，(°)；Cs—樁間土凝聚力，kPa；Φs—樁間土內摩擦角，(°)；Cp— 樁體凝聚力，kPa；Φp—內摩擦角，(°)。

圖2 勁性復合樁結構圖

經計算，處理后②3層復合地基：凝聚力Cc=21.8kPa，內摩擦角Φc=16.1°。

2.4 方案比選

從地基處理方案可行性、工程施工技術、工程投資等方面，對第二節翼墻地基加固方案從技術和經濟方面進行比選。

(1)地基處理方案可行性。根據上述3種地基處理方案設計情況，如果水泥土攪拌樁土體抗壓強度能夠達到1500kPa，則水泥土攪拌樁方案也可行，考慮到地基②3層軟土中局部腐蝕質含量較大，根據附近區域水泥土攪拌施工情況，在含有腐蝕質的土體中，攪拌樁樁身強度往往難以達到1500kPa，且樁體局部不易成型，因此，在本工程中水泥土攪拌樁方案存在較大的風險，該方案不可行；預制樁方案在對于墻后存在高回填土的結構時，由于墻后回填土的作用，導致地基下沉大于建筑物樁基處理，易導致基礎底面局部與地基土體脫空現象，在水利工程樁易引起滲流破壞；勁性復合樁是介于水泥土攪拌樁和剛性樁之間的樁型，樁土聯合作用優于預制樁方案；預制柱方案和勁性復合樁方案均可行。

(2)工程施工技術。預制樁方案施工技術較為成熟，施工對周邊建筑物存在一定的影響，施工工期較短；勁性復合樁地基處理方案是近幾年來逐步走向成熟的施工技術，施工技術結合了水泥土攪拌樁和振沖樁的工藝特征，并形成了勁性復合樁自身的施工工法，施工對周邊建筑物影響較小。

(3)工程投資。經估算，預制樁方案的工程投資為19.27萬元，勁性復合樁方案工程投資為15.44萬元，勁性復合樁方案工程投資較為節省。

綜上所述，勁性復合樁地基處理方案的樁土聯合作用效應更好，且工程投資相對較為節省，盡管施工工期略長，但不影響整個工程工期。因此，南北側第二節翼墻地基處理選擇勁性復合樁地基處理方案。

3 勁性復合樁質量檢驗

工程在施工過程中對于水工建筑物底板下施打的勁性復合樁進行了試樁質量檢驗，主要包括樁身強度檢驗、樁身結構完整性檢驗以及單樁承載力檢驗。

3.1 設計參數

工程設計勁性復合樁由直徑70cm的水泥土攪拌樁和直徑22cm現澆C30混凝土樁芯組成。攪拌樁的水泥摻量為18%(重量比)，攪拌樁土體 28 d 齡期無側限抗壓強度不小于1.5MPa。工藝試樁樁長為13.35m，單樁豎向承載力標準值為413kN。

3.2 質量檢驗

樁身強度檢驗主要是指在試樁過程中，對于試樁水泥土及樁芯混凝土進行取樣，對樣品進行抗壓試驗，試驗結果水泥土28d無側限抗壓強度為1.61MPa，樁芯混凝土抗壓強度38.2MPa，均滿足設計要求。

表3 樁身結構完整性檢測表

表4 單樁豎向靜載試驗結果表

樁身結構完整性檢驗主要是指對樁身的截面尺寸、長度、強度及整體致密性進行檢驗，看是否符合設計要求。本工程通過采用反射波法對樁身進行檢測，檢測結果見表3。

根據檢測結果，本次試驗檢測的12根試樁均為Ⅰ類樁。

勁性復合樁單樁豎向承載力檢驗選擇6根試樁，在成樁后28d進行，最終單樁豎向承載力試驗結果見表4。

試驗結果表明，勁性復合樁單樁豎向承載力滿足設計要求。

4 結論

地基處理是水利工程建設的重要環節之一，其工程造價往往能占工程總費用的30%左右[9]，對于工程成敗起著決定性作用。勁性復合樁作為水利工程中新興的一種地基處理樁型，不僅能夠有效利用單體樁的優點，增強地基承載力，減少地基沉降變形，同時具有施工簡便、造價低廉等優點[10]，在水利工程軟弱地基處理中具有良好的發展前景。