預應力管樁與水泥土攪拌樁在軟基處理中的應用

盧榮富 LU Rong-fu

（珠海市斗門區建設工程質量監督檢測站，珠海 519000）

0 引言

在沿海軟土分布區域開展市政工程建設，地基不僅土質既松軟又具備很大的粘性，加之高含水量和低負荷容量，造成施工中的不均勻沉降和各類質量缺陷問題。一旦發生嚴重的路基不均勻沉降，就會削弱路面結構的強度，形成一定的破壞性，進而出現瀝青路面鼓包和混凝土路面開裂的諸多問題。隨著交通量的逐年增大，要想市政道路在設計年限內能滿足運行的需求，道路施工軟基處理技術至關重要。當前國內施工普遍應用的處理方式主要有兩大類，即復合地基和預壓地基。其中，復合地基處理中具備相對成熟的軟土治理技術，而且擁有多元化的施工工藝選擇。復合地基又可細分為多種類型，如多樁型復合地基、水泥土攪拌樁復合地基、剛性樁復合地基、CFG樁復合地基等。

最近幾年，研究領域取得了一定的成果，比如陳善雄對長短樁結合型的水泥噴粉樁復合地基進行計算方式的設計；馬驥對長短樁復合地基的研究和設計；楊軍龍通過深度分析長短樁復合地基數值，研究該復合地基彼此作用的機理；周德泉深度分析和研究組合樁復合地基中的樁體和墊層相關問題。但國內學者對預應力管樁與水泥土攪拌樁組合法處理地基的研究有限。本文通過對湖中路南側18m市政道路工程的研究分析，著重分析預應力管樁與水泥土攪拌樁組合法在市政工程軟土地基施工中的設計和應用。

1 工程實例

1.1 工程概況

該案例工程為珠海市某區的市政工程，具體位置為湖中路南側18m道路工程。設計道路走向從東北到西南，以湖心路市政道路為西起點，樁號為K0+000，坐標X=2452975.614，Y=98051.763，東側與湖濱二路市政道路連接，樁號K0+537.198，坐標X=2453340.008，Y=98446.477，工程總長為537.198m，紅線設置18m的寬度，該道路為雙向兩車道的城市支路道路等級。該工程屬于新建道路的性質，主要建設內容涵蓋：道路施工、處理軟基、通信管位、給水工程、預留燃氣、污水工程、照明工程、交通工程、電纜溝及預留溝工程等[1]。

1.2 工程周邊情況及地質情況

該工程道路北側從東向西依次被一個水塘隔開的兩個建成小區，道路南側從東向西依次為一個在建小區和一個建成小區，該項目施工前要進行高壓固結試驗，以對場地淤泥層不同深度的應力歷史和固結狀態進行評價，固結試驗結果如表1所示。

過表1可以看出，場地上部淤泥為欠固結土，因為該結果呈現出OCR=0.249～0.818超固結比。厚層的淤泥類軟土層廣泛分布在場地內沿線處。淤泥層大約為12.70～35.00m的厚度，平均厚度26.07m，具備高壓縮性、大厚度以及觸變性。本工程K0+045～K0+506.1樁號段，利用預應力管樁與水泥攪拌樁組合的模式處理該段的軟地基。軟基處理標準平面圖見圖1。

表1 高壓固結試驗

2 預應力管樁與水泥攪拌樁組合法的應用

2.1 組合應用的基本思路

①如果在樁頂施加豎向荷載，那么首先遭受壓縮的樁身上部就會產生對照于土的向下位移，于是向上的摩阻力在樁側面的樁周土形成；其擴散的過程可以理解為荷載沿樁身向下傳遞的過程，需要不斷地克服阻力來完成這個過程，樁身的軸力會在深度方向逐漸縮小，形成的一種平衡就是樁端處與樁底反力；同時，樁端持力層會因為樁端力而形成壓縮，樁身因此而下沉，摩阻力也會因為樁間土位移加大。以上的過程會因為樁頂負荷逐漸增加而循環往復地進行，穩定變形為止。因為不斷累積的樁身壓縮量，在位移上，上部樁身會大于下部樁身，所以，最先發揮摩阻力的總是上部；摩阻力上升到最大限度后就不再增加，隨著荷載的增加會逐漸調動起下部樁側摩阻力，一直到全部樁身摩阻力完全滿足極限，因為逐漸增加的負載由樁端持力層承受；如果樁端持力層承載力不夠，就會導致樁的不停滯而快速的下沉，進而導致破壞。所以，適當增強樁身上部樁側土結構強度，不僅能夠提升樁的承載力，更可以改善樁的變形性[2]。

②軟土固結的特征會因為應用水泥土攪拌樁而明顯改善。在常規的認知里，因為水泥的壓縮曲線內存在超固結現象，就忽略在水泥土樁底發生固結現象的可能性，以為只是樁身的彈性壓縮。實際操作中對水泥攪拌樁的深厚軟土進行加固中，通常不會貫穿全部軟土層，所以，仍然可以利用雙層地基－維固結理論分析下臥倒層和加固層軟土固結特征。研究固結的機理，首先是因為設置了加固層滲透性不高的水泥攪拌樁，因此不需要太多的下臥層軟土內的排水通道，該層的排水固結明顯減緩；其次，水泥攪拌樁接受加固層豎向附加力的聚集，會造成樁間土應力減少，也相應減小了孔壓，所以很大的孔隙壓力差會形成在下臥層軟土之間，加速了該層軟土的固結[3]。

③天然軟土的性質會因為攪拌樁的加固作用而明顯改善。將固化劑加入后會讓流塑軟黏土構成的加固土愈發的緊固，與原狀土相比水泥土的粘聚力和內抹角顯著增加，在試驗三軸不排水剪切時，隨著圍壓力增大，也會隨之增大水泥土破壞時的摩爾應力圓直徑，包絡線成斜線，所以，其抗剪強度、抗壓強度、變形模量等指標遠遠超過天然的百倍。一旦固化劑摻入比aw＞4.5%，可以實現500～4000kPa的加固土無側限抗壓強度qu。相對抗拉強度σi=（0.15～0.25）qu。粘聚力c=（0.2～0.3）qu。內摩擦角φ在20～30°之間，變形模量Eso=（120～150）qu。伴隨加固土強度的變化，加固土的變形特征會介于彈塑體和脆性體之間。高壓三軸研究顯示，如果接近于雙曲線的加固土應力，可采用鄧肯-張模型。加固土強度的提高取決于固土齡期、水泥標號、固化劑摻入比的增加程度。隨著水泥摻量的增加提升水泥土的抗滲性能，抗滲系數下降為數量級，下降幅度為10-7cm/s下降為（10-7～10-11）cm/s數量級。

④應力狀態因為樁、土復合構成而生成，基于三維共同工作和豎向及平面的剛度級配梯度，實現了對天然地基承載力的合理補強，進而符合設計的標準，顯著減少了地基的沉降。

⑤通過兩種樁結合的作用，促進三維地基剛度的形成，符合天然土層淺弱深強的普遍規律以及地基應力傳遞特征，與此同時，長預應混凝土管樁能夠進入良好的深層土層，大大減輕了復合地基的沉降。

⑥上部結構和復合地基結構利用褥墊層的柔性實施連接，垂直荷載可以通過水平負載作用下進行。

⑦可以利用褥墊層對復合地基的樁土荷載分配實施合理調整，充分發揮土體的有效承載能力，特別是發揮淺層土體承載的作用。墊層的作用歸納為以下幾點：第一，確保樁間和樁體土共同承擔荷載。墊層的設置為樁體提供了上刺入的條件，哪怕是樁端的土層較好，也要確保樁間土的工作一直進行。在實測的復合地基樁體和樁間土時程曲線（給定荷載下）上，樁、土受力始終為一常數。第二，對樁土荷載分擔比例進行調整。樁間土會隨著墊層的增厚承擔更多的荷載；高水平的荷載下，在總荷載中樁承擔的比例越大。所以，土荷載的分擔比例的調整可利用墊層厚度調整，相反，便可以按照樁土應力的標準規定墊層的厚度。第三，對基礎底面應力集中的緩解。墊層厚度的變化會帶動樁頂對應的基礎應力與樁間土對應的基礎底面應力之比的變化。研究顯示，10cm以上的墊層厚度，樁對基礎底面生成的應力集中據研究：當墊層厚度大于10cm時，會明顯降低基礎底面的應力集中；如果為30cm的墊層厚度，產生的應力集中已顯著降低；當墊層厚度為30cm時，n僅為1.3左右。第四，進行有效調整調整樁土水平荷載的分配。第五，因為設置墊層，部分負摩阻區的產生源于樁體向上的刺入變形。

2.2 復合地基的設計與應用

按照現場勘查報告和應用思路，本研究利用18-36m的400預應力混凝土樁，設計C25混凝土樁帽，持力層設計為粉質粘土，持力層容納樁端。施工的兩項指標包括貫入度和樁長實施控制，貫入的一般按照小于10cm，利用錘擊法進行擊打。通常情況下，應該通過單樁載荷試驗。單樁豎向承載力標準值應通過單樁載荷試驗確定，也可通過下式計算：

上面公式中，設定單樁豎向極限承載力標準值為Q；設定樁側阻綜合抗力分項系數的規范取值為Yp；設定樁身周長為u；設定樁側地i層土的極限側阻力標準值為qwx；假設第一層土厚度為l。設定樁端截面積為Ap1。水泥土攪拌樁單樁豎向承載力標準值應該通過現場單樁豎向載荷試驗確定，也可通過下式計算：

上式中，設定室內水泥土立方體試塊平均的無側限抗壓強度值為fuk；設定樁不同土層中樁周長為Up、設定長度為l；設定土層樁周土的摩阻力標準值為qin、設定樁端土地基承載力標準值qp；折減系數設定為η、a。按照以上公式的計算數據，單樁豎向承載力的標準值取最小值。為促進綜合地基承載力的提升，利用混凝土管樁和水泥土攪拌復合地基應用，按照有關標準，復合地基承載力標準值。

為綜合提高地基承載能力，采用混凝土管樁-水泥土攪拌樁復合地基進行設計，根據相關規范，復合地基承載力標準值foph可按下式計算：

公式中，設定預應力管樁置換率為：m1、m2分別為混凝土管樁和水泥土攪拌樁的置換率；設定預應力混凝土管樁單樁承載力標準值為Rdk1、設定水泥混凝土攪拌樁單樁承載力標準值為Rdk2；設定預應力管樁為Ap1、水泥土攪拌樁為Ap2；設定β1為水泥土攪拌樁、樁間土強度發揮系數為β2；fsk為樁間土承載力標準值。

本研究的水泥土攪拌樁徑為500mm，長度為15m，按照縱向2000mm、橫向1200mm進行布置，在1根預應力混凝土管樁周邊設置水泥土攪拌樁進行單元組合，樁頂設碎石褥墊層400mm。設計預應力管樁承受力標準為150kN，復合地基承載力標準值100kPa，水泥土攪拌樁單樁承載力標準值120kN。

2.3 復合地基的施工工藝

預應力混凝土管樁施工技術程序為：放樣測量→安置打樁機→喂樁→調直對中對中再調直→用錘打沉樁→持續錘擊→（再接樁）→打至持力層（送樁）→收錘；為減少錘擊管樁的擠土效應，D400mmPHC管樁（AB級）施工時橫向采取跳打法施工，先施工奇數排管樁（即1、3、5、7……），8～10天后待孔隙水壓力的消散后，再施工偶數排管樁（即2、4、6、8……）；縱向建議先中間后兩邊的施工方法。水泥土攪拌樁施工的技術程序：定位→攪拌下沉、噴漿→攪拌提升→重復攪拌下沉、噴漿→重復攪拌提升→再次攪拌下沉、噴漿→再次攪拌提升→清洗→移位[4]。

3 結束語

實踐證明，利用預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁組合法處理市政工程中軟土地基，具有諸多優勢。

①明顯改善了地基的豎向剛度梯度和平面剛度組合，不但讓天然地基土承載力得以發揮，并且有效利用深層次以及較深層地基土的承載力。

②讓樁間土參與作用得以發揮，大幅度提升了復合地基承載力。

③因為改善了垂直方向剛度的梯度，地基的沉降量顯著減少。

④充分整合了預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁的優勢，在發揮預應力混凝土管樁的高強度、地壓縮優勢的同時，利用水泥攪拌樁構成復合地基，總承受能力大幅度提升。

⑤本文介紹的兩種樁組合的方式效果好且施工方式不復雜，可以確保施工質量。雖然這種組合方式處理的軟土地基在工程中可以應用，但基于砂石褥墊層、承載機理怎樣讓復合地基更合理受力，以及地基承載力受到布樁模式的影響程度等問題，還需要進一步研究和探討[5]。