長—短PHC管樁復合地基在裕溪閘深厚軟土地基處理中的應用

孟范兵，夏珊珊

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥 230088）

1 工程概況

裕溪閘位于安徽省巢湖流域裕溪河入長江口4 km處，是無為大堤上的大型水利工程，具有防洪、蓄水及排澇功能，該閘20 年一遇設計排洪流量1170 m3/s，100年一遇校核流量1475 m3/s，為Ⅱ等大（2）型水閘，無為大堤為1 級堤防，裕溪閘為1 級建筑物。閘室為胸墻式結構，共14孔，單孔凈寬8 m，總凈寬112 m，兩孔一聯；閘墩間分縫，中墩厚1.2 m，縫墩厚1.0 m，單聯寬19.2 m。閘室總寬度為134.4 m，閘室底檻高程為3.0 m，底板厚1.3 m，閘頂高程14.5 m，閘室順水流方向長18 m。

2 工程地質

閘底板底高程為1.7 m，底板以下土層主要為：

（1）①層淤泥：飽和，多呈流塑狀，厚度0.6～2.5 m，局部夾有粉細砂薄層或透鏡體。

（2）②層淤泥質粉質粘土：飽水，以軟塑狀為主，厚度2.0～6.1 m，局部含有粉細砂薄層或透鏡體（團塊），該土層主要分布在節制閘上游河床。

（3）③層粉質壤土與粉細砂互層：飽和、軟塑，厚度6.0～30.0 m，水平層理發育，粉質壤土層厚度一般3.0～7.0 mm，粉細砂層厚度一般1.0～2.0 mm。

各土層力學性能指標建議值見表1。

表1 裕溪閘各土層力學性能指標建議值表

閘基持力層為淤泥、淤泥質粉質粘土，具有高壓縮性、承載力低、抗剪強度低、高靈敏度等工程特性，存在軟土沉降變形、不均勻沉降及抗滑穩定問題。

3 長—短樁復合地基處理設計

3.1 地基處理方案比選

閘室最大基底應力為121 kPa，天然地基承載力不滿足設計要求，需對地基進行處理。地基處理方法有灌注樁基、水泥土攪拌樁及長—短PHC管樁復合地基等。閘址處軟弱土層深而厚，土體強度低，參照距離該閘軸線180 m已建成裕溪復線船閘，土層巖性相同，經水泥土攪拌樁地基處理的（船閘閘室基底應力110 kPa，粉噴樁處理的復合地基承載力檢測試驗值110 kPa，施工一年后累計沉降約15 cm，雙向攪拌樁處理的復合地基承載力檢測值160 kPa，設計處理深度16 m，一年后累計沉降近10 cm）復合地基難以達到效果，工程主體結構適宜采用灌注樁與長—短PHC管樁復合地基，控制建筑物水平位移和沉降，以一聯閘室為例，擬定以下兩種方案進行比較。

方案一：水上鉆孔灌注樁方案。該方案灌注樁采用水上浮箱平臺施工方案，不需搭建平臺在水上即可施工，樁的布置根據計算確定，樁間距3.5 m，一聯閘室共布置36 根樁，樁長28 m，樁徑1.2 m，總樁長1008 m，樁造價為2500 元/m，水上鉆孔灌注樁地基處理總投資約252萬元。

方案二：長—短PHC管樁復合地基方案。該方案樁基采用C80 預應力高強砼預制管樁，樁頂設1.5 m 厚塑性砼褥墊層。PHC 管樁樁徑0.8 m，長樁長25 m、樁距4.0 m×4.4 m，短樁長16 m，樁距2.8 m×4.4 m，一聯閘室布置長樁36 根、短樁27 根，總樁長1 332 m、塑性混凝土褥墊層576 m3，PHC 管樁造價為395元/m，塑性混凝土單價425元，長—短樁復合地基處理總投資約77萬元。

方案一主要優點為可提前進行施工，節省工期，樁基與砼底板連接可靠；主要缺點為水上施工難度大，對施工平臺及鋼護筒安裝要求高，工程投資大。方案二主要優點為工程投資小，施工進度快、工期短，預制樁樁體質量有保證；主要缺點為打樁船體積較大，作業區域有一定限制。

以上兩種地基處理方式均能滿足地基承載力設計要求，方案二施工進度快、工期短、工程投資少，綜合考慮，采用長—短PHC 管樁復合地基處理方案。

（1）增加人力資本投資，教育培訓是人力資本投資的重要部分，各級政府財政支出中應進一步增大教育支出占比，完善相關教育財政制度，加強各級政府官員對教育發展、教育投入的重視程度；

3.2 長—短樁復合地基設計

3.2.1 長—短樁布置技術要求

對深厚軟土地基，采用長—短樁復合地基處理，能達到建筑物地基強度與變形控制要求。長—短樁復合地基上部置換率高、剛度大，下部置換率底、剛度小，與荷載作用下地基上部附加應力大，下部附加應力小相適應，不僅能滿足地基承載力要求，且能節省工程投資。

長—短樁樁長確定原則：滿足復合地基承載力和地基沉降要求，長樁穿過深厚軟土層、進入強度相對較高硬土層；短樁穿過淺層最軟土層，當短樁樁端位于軟弱土層時，驗算樁端的軟弱下臥層承載力。本工程長、短樁均采用C80 預制PHC 管樁，樁徑0.8 m、壁厚0.11 m，長樁穿過軟弱層，進入強度相對高的④層粉細砂層1.5 m、樁長25 m，短樁樁端位于③層粉質壤土與粉細砂互層，樁長16 m。

3.2.2 復合地基承載力計算

（1）計算長—短PHC 單樁豎向抗壓承載力特征值Ra

根據《復合地基技術規范》（GB/T50783-2012），PHC單樁豎向抗壓承載力特征值Ra，取由樁周土和樁端土的抗力能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值和由樁體材料強度能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值二者中的較小值。分別由下列公式計算：

式中：Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ap為單樁橫截面積，m2；up為樁的橫截面周長，m；n為樁長范圍所內所劃分的土層數；qsi為第i層土的樁側摩阻力特征值，kPa；li為樁長范圍內第i層土的厚度，m；qp為樁端土地基承載力特征值，kPa；α 為樁端土地基承載力折減系數，剛性樁復合地基α 取1.0；fcu為樁體抗壓強度平均值，C80PHC 管樁fcu取35 900 kPa；η為樁體強度折減系數，η可取0.34。

經計算長、短樁單樁豎向抗壓承載力特征值分別為Ra1=1398 kN，Ra2=860 kN。

（2）確定長、短樁間距

長—短樁復合地基承載力特征值fspk可由下式計算：

式中：fspk為復合地基承載力特征值，kPa；fsk為樁間土地基承載力特征值，kPa；Ra1、Ra2分別為長樁、短樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ap1、Ap2分別為長樁、短樁單樁橫截面積，m2；m1、m2分別為長樁、短樁復合地基置換率，m=d2/d2e，d為樁身直徑，de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，矩形布樁de=1.13d1d2，d1、d2分別為樁縱向間距和橫向間距；βp1、βp2分別為長樁、短樁豎向抗壓承載力修正系數，βp1可取1.0，βp2可取0.70～0.95，本工程βp2取0.70；βs為樁間土地基承載力修正系數，βs可取0.50～0.90，本工程取0.50。

復合地基置換率m影響復合地基承載力大小，調整樁間距，也相應改變復合地基承載力大小。水上施工采用錘擊預制成樁[1]，為避免產生明顯擠土的效應及減弱復合地基承載力，樁最小中心距宜不小于2.5d。閘室最大基底應力為121 kPa，經計算：長樁與短樁交錯布置，長樁間距5.3 m×2.2 m、置換率m1為0.043，短樁間距5.3 m×2.2 m、置換率m2為0.043，復合地基承載力特征值fspk=184 kPa，故復合地基承載力滿足設計要求。

3.2.3 驗算短樁樁端的復合地基承載力

短樁樁端位于③層粉質壤土與粉細砂互層，該層承載力底、壓縮性高，按式（4）式驗算短樁樁端的復合地基承載力。

式中：pz為短樁樁端處的附加壓力值，kPa；L0為矩形基礎底邊長度，m；B0為矩形基礎底邊寬度，m；h為復合地基加固區深度，m；a0為基礎長度方向樁的外包尺寸，m；b0為基礎寬度方向樁的外包尺寸，m；p0為復合地基加固區頂部附加壓力，kPa；qs為復合地基加固區樁側摩阻力，kPa；pcz為短樁樁端處地基土的自重壓力值，kPa；faz為短樁樁端經深度修正后的地基承載力特征值，kPa；γm為基礎底面以上土的加權平均重度，kN/m3，地下水位以下取浮重度；D為基礎埋置深度，m；fspd為短樁樁端未經深度修正的復合地基承載力特征值，kPa，由式（7）計算。

式中：fskd為短樁樁端樁間土地基承載力特征值，kPa；Ra3為短樁樁端下長樁豎向抗壓承載力特征值，kN；m1為長樁復合地基置換率；βp1為長樁豎向抗壓承載力修正系數，可取1.0；βs為樁間土地基承載力修正系數，可取0.5～0.9，本工程取0.5。

經計算，fspd=115 kPa，faz=254 kPa，pz=76 kPa，pcz=144 kPa，可見pz+pcz=220 kPa

3.2.4 復合地基沉降計算

復合地基沉降由加固區復合土層壓縮變形量S1和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2組成，其中加固區復合土層壓縮變形量S1由短樁范圍內復合土層壓縮變形量S11和短樁以下只有長樁部分復合土層壓縮變形量S12組成，其中S11、S12均由式（8）計算，S2式（9）計算：

式中：Δpi為第i層土的平均附加應力增量，kPa，附加應力pz由式（5）計算；li為第i層土的厚度，mm；Espi為長、短樁范圍內第i層復合土體的壓縮模量，kPa；Ep1、Ep2分別為長樁、短樁壓縮模量，kPa；m1、m2分別為長樁、短樁復合地基置換率，本工程均為0.043；Ψs1為復合地基加固區壓縮變形量計算經驗系數，本工程取1.2；Esi基礎底面下第i層土壓縮模量，kPa；Ψs2為復合地基加固區下臥土層壓縮變形量計算經驗系數，本工程取1.3。

經計算長—短樁樁復合地基最大沉降為S=S11+S12+S2=16 mm，沉降量滿足設計要求。且2016 年水下工程驗收運行至今，經現場監測，水平位移為5 mm，最大沉降為16 mm。

3.3 PHC管樁樁頂褥墊層設計

長—短樁均采用PHC管樁，復合地基中PHC管樁、天然地基的變形模量差距較大，且分布不均勻，需要有適宜的褥墊層，合理調整樁、土受力，保證樁和土共同受力形成復合地基[2]。在水利工程中普遍采用摻入比為8%的水泥土褥墊層，滿足地基的防滲要求，針對PHC 剛性樁復合地基，使用水泥土褥墊層，在施工壓實或受力過程中，較易發生剛性樁向上刺入等復合地基擾動。

本工程采用塑性砼褥墊層，不僅能滿足剛性樁樁頂抗壓、抗沖切等對褥墊層強度要求，且塑性砼還具有較好的變形能力、抗滲能力和施工便捷等特點。塑性砼力學性能指標：擴散度300～340 mm，塌落度200～220 mm，28 d 靜壓彈模600～1000 MPa，容重不小于20 kN/m3，28 d 抗壓強度1.5 MPa～3.0 MPa，28 d滲透系數K小于1×10-6cm/s。褥墊層厚度影響樁、土承擔荷載比，褥墊越薄樁承擔的荷載占總荷載的百分比越高，本工程厚度為1.5 m，褥墊層頂部鋪一層直徑8 mm@150 的鋼筋網，該鋼筋網能防止褥墊層因樁土沉降不均勻產生反射裂縫，加強整體作用及增大褥墊層對樁的抗沖切能力。

3.4 長—短樁PHC剛性樁布置

根據長—短樁復合地基承載力和沉降計算，本工程閘室基礎采用預制B 型PHC 管樁，長、短樁樁徑均為0.8 m，壁厚0.11 m，長樁與短樁交錯布置，長樁間距5.3 m×2.2 m、短樁間距5.3 m×2.2 m，長樁穿過軟弱層、進入強度相對高的④層粉細砂層1.5 m、樁長25 m，短樁樁端位于③層粉質壤土與粉細砂互層，樁長16 m，樁內回填細砂，樁頭3 m 范圍內采用C25 細石砼填充。閘室底板下設1.5 m 厚塑性砼褥墊層，樁頂深入褥墊層1 m，在樁頂設一層直徑8 mm鋼筋網。單聯閘室長—短樁復合地基布置見圖1。

圖1 長—短樁復合地基布置圖

4 長—短樁質量檢驗

PHC剛性樁復合地基質量檢驗要求為：

（1）樁的平面布置應符合設計要求，施工樁體垂直度允許偏差為0.5%，樁位允許偏差為樁徑的0.4倍。

（2）PHC 管樁施工完畢應檢驗樁體質量，包括完整性、裂縫、斷樁等，采用低應變動力檢查樁體的完整性。

（3）PHC 管樁剛性樁復合地基工程驗收時，承載力檢驗應進行單樁豎向抗壓載荷試驗和單樁復合地基豎向抗壓荷載試驗。

長、短PHC 管樁施工完成后，經第三方進行了抽檢，檢測結果合格，單樁及復合地基承載力均滿足設計要求。

5 結語

結合工程實例，從復合地基承載力和沉降兩個方面對長、短樁樁長、布置及應用進行計算；底板與樁之間設塑性砼褥墊層以滿足長—短樁和土共同承擔上部荷載的要求，形成復合地基和確保閘基防滲穩定。該長—短PHC 管樁復合地基處理方式對類似水利工程具有參考價值。