導水樁復合地基處理新技術及試驗研究

韓少武，黃曉倩，曾思楗

摘要：針對軟土的特性和在軟土地基上進行基建施工的環境特點，分析現有軟土地基加固技術及其適用情況，在室內試驗、模型樁試驗的基礎上提出了一種新型地基處理技術——導水樁復合地基處理法。通過現場試驗觀測分析，研究了導水樁復合地基承載力、排水固結、孔壓消散、樁土應力分擔狀況等。結果表明：導水樁在土體中承擔了豎向排水體作用，在上部填土荷載作用下與基底褥墊層構成排水系統，排水固結能力強，能迅速加速樁間土的固結，充分發揮樁間土的承載力；還可作為豎向增強體，有效傳遞豎向荷載，并與固結后的樁間土組合共同承載，達到控制施工后地基沉降的目的，推廣應用前景良好。

關鍵詞：復合地基； 排水固結； 導水樁； 軟土地基處理； 承載力

中圖法分類號：TV431文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.016

文章編號：1006-0081（2023）09-0096-06

0引言

在土木、交通和水利等領域中，軟土地基問題往往是引發工程安全問題的主要誘導因素，軟土地基處理恰當與否，將直接影響整個工程建設的質量及安全性。近年來，隨著中國經濟的快速發展，國家加大了對公路、鐵路、橋梁等基礎設施建設的投入，對于地基的要求越來越高，施工后沉降控制標準越來越嚴格，對于軟土地基處理的概念、技術、固結沉降分析等都提出了新挑戰。尤其是隨著圍墾造田的快速發展，淺灘軟土、湖泊、濱海等軟土地基處理加固技術面臨嚴峻挑戰［1］。

自1962年國際上首次提出復合地基這一概念以來，經過半個世紀的不斷發展，復合地基處理技術廣泛應用于公路、鐵路、機場、堤壩及各類工業與民用建筑等工程的軟基處理，采用的增強體樁型也日趨豐富，國內外學者對這一地基處理技術進行了大量研究。李書昌［2］對福鼎濱海大道工程海堤段的軟基處理選擇CFG樁施工，施工完成后經檢測達到了軟土地基的承載力和穩定性要求。陳俊彥［3］通過建立有限元分析模型，研究粉噴樁加固軟土地基的土體應力和變形規律及加固效果，結果表明：粉噴樁加固對于減小路基底部兩側土體水平變形的效果顯著，對于減小路基底部中心樁體水平變形的效果較弱。龔西城等［4］研究了預制混凝土管樁技術在黃河下游閆潭引黃閘工程施工中的應用，并進行了研究分析，結果表明：預制管樁技術較好解決了黃河下游涵閘建設過程中地基承載力不足、地基輕微液化的問題，大幅度提高了工程施工質量和安全穩定性。賓斌等［5-6］提出的導水布袋復合壓密樁技術，有效解決了軟土在壓密注漿處理過程中超孔隙水壓力消散過慢的技術難題，分析論證了導水布袋復合壓密注漿樁技術對軟土質堤防的加固效果。問建學等［7］對超厚軟土中管樁復合地基道路不均勻沉降修復進行了數值分析、工程應用以及監測評價。柏楊等［8］對河道工程中水泥攪拌樁復合地基抗剪強度指標計算方法及邊坡整體穩定計算進行了研究分析。上述復合地基處理方法均取得了一定的地基處理效果，有其適用性，但存在一定程度的不足：CFG樁擠土效應大，造價高；粉（濕）噴樁施工工藝控制因難，受土質條件約束多，加固深度淺，深層成樁質量不可靠；深層攪拌樁成樁強度不高，造價高；導水布袋樁施工工藝復雜，受布袋約束多，成本難以控制；預制管樁造價高，難以穿透堅硬夾層等。

導水樁復合地基是在導水布袋壓密注漿法基礎上提出的一項軟土地基處理新技術，將具有透水透氣功能的多孔結構混凝土制成的地基樁作為導水樁，和褥墊層、樁間土一起組成了導水樁復合地基。該技術聯合了傳統排水固結法和高強度地基樁的技術優勢，將高強度高滲透率的導水樁打入地基中，不僅承擔了豎向排水體，在上部填土荷載作用下與基底褥墊層構成排水系統，加速樁間土固結，充分發揮樁間土承載力，還可作為豎向增強體，有效傳遞豎向荷載，并與固結后的樁間土組合共同承載［9］，從而達到控制施工后地基沉降的目的，有效解決了傳統復合地基樁體材料僅能充當豎向增強體的局限性。實際工程中，為了縮短工期，一般采用超載預壓法對地基進行處理，預先完成部分或大部分地基沉降［10-11］。

導水樁復合地基適用于淤泥質土、淤泥、軟黏土地基處理，特別適用于高含水率和富含有機質的深厚軟土地區的不均勻沉降問題處理，如高速公路、堤防邊坡的地基處理。

1導水樁室內試驗

1.1導水樁配合比試驗

導水樁是由單一粒徑集料級配和膠凝材料制備而成的具有一定強度、一定透水性能的多孔混凝土材料，兼具剛性樁高強度和散體材料排水性好的特點。而采用常規透水混凝土作為樁身材料時，容易出現以下問題。

（1） 導水樁成樁采用沉管灌注工藝，且樁身較長，在施工振動與重力作用下，水泥漿容易離析，導致透水混凝土的部分孔隙被水泥漿堵塞，樁體無法形成透水通道，透水系數減小。

（2） 在應用于淤泥地基或者地下水位較高的軟基時，混凝土遇水后水泥在水中容易發生分散或隨水流失，造成透水混凝土樁不密實，出現樁體整體性不佳、強度受影響的問題。

（3） 透水混凝土成樁后，樁體材料容易被樁周泥沙堵塞，導致樁體排水能力下降。

因此，在采用導水樁復合地基進行軟土地基現場試驗之前，應開展樁身材料配合比試驗，通過試驗分析各材料的配比與漿體流動性、固結體抗壓強度、固結體透水性能的影響，研究滿足兼具剛性樁工藝和透水性要求的樁身材料配合比。

（1） 試驗原材料：水泥、硅灰、礦粉、聚羧酸高效減水劑、抗分散劑、水、粗骨料（粒徑5～10 mm的碎石）。

（2） 試驗參數：水灰比（0.28）、骨料比（3∶1～5∶1）、硅灰摻量5%～7%（水泥替代率）、礦粉摻量15%（水泥替代率）。

（3） 試驗目標：固結體孔隙率（10%～20%）、結石體滲透系數（0.5～2.0 mm/s）、結石體抗壓強度（20～25 MPa）。

共進行16組配合比試驗，從中優選了3組滿足工作性能、流動性較好且具有代表性的配合比，其材料構成及物理力學性能如表1所示。

為確保樁身材料達到設計強度指標要求并兼具高強度性和透水性，采用PVC塑料管作為模具，對優選的3組配合比按直徑1∶1比例制作高度分別為2.0，1.5和1.0 m的模型樁，導水樁模型樁的制備工藝如圖1所示。

澆筑完成的模型樁在室外條件下養護1 d后拆模，如圖2所示，可以觀察到3個配比制作的導水樁樁身均具有較多的孔隙，且水泥漿在重力與人工振搗作用下未離析沉底，均未出現樁身底部的孔隙被水泥漿堵塞的現象，樁身均勻且完整性較好，樁體透水系數得以保證，能夠在與土體結合后形成一條穩定暢通的排水通道。

隨后對拆模的試樁進行鉆孔取芯，如圖3所示。由圖3可以看出，與剛性樁混凝土材料相比，導水樁具有較多孔隙，孔隙率隨配比的變化而變化，其中，3號配比孔隙最多，1號配比稍少。這些連通的孔隙是樁身能夠透水的主要原因。

對所取芯樣進行透水系數、孔隙率和抗壓強度測試，其中，抗壓強度取7 d測試值的平均值，另有一組制作模型樁時留樣的試塊，其物理力學性能的測試結果如表2所示。從表2中可以看出，3個配合比在滿足工作性的要求下均滿足透水性能要求，最小透水系數也大于9.94 mm/s，而結石體抗壓強度隨著孔隙率的增加顯著降低。此外，試塊所測的抗壓強度值均高于所取芯樣的測試值，這是由于試塊在成型過程中置于振動臺振搗密實，相較于模型樁的人工振搗更為充足，密實度更高，因此其抗壓強度值也較高。同等樁分布條件下，孔隙率越大透水系數越大，達到施工后沉降的時間越短，樁強度越高，導水樁復合地基的承載力也就越高。所以在實際工程中，應綜合考慮工期要求和軟基上部基建工程的荷重來選擇導水樁的配合比。

1.2導水樁固結試驗

為進一步了解導水樁的排水加固性能，對導水樁和不排水混凝土樁進行了簡易室內模型試驗，試驗裝置尺寸為300 mm×300 mm×400 mm，導水樁和不排水混凝土樁樁長160 mm，樁徑45 mm，其中，導水樁采用1號配比，不排水混凝土樁表面用水泥封死，模型如圖4所示。取一定軟土加水至攪拌均勻后加入兩個尺寸相同的試驗裝置內，接著采用與管內徑與樁直徑一致的PVC管進行挖孔取土，放入導水樁和混凝土樁，在土體和樁頂表面覆蓋一層2～3 cm的砂墊層作為排水層，再放置一塊沉降板，表面連接位移計，沉降板上施加填土荷載，通過位移計實時顯示土體的沉降量，試驗結果如圖5所示。

由圖5可看出，與無排水通道的混凝土樁相比，帶有排水固結作用的導水樁在相同時間內能產生更大的沉降，使地基土體更快完成沉降固結，從而縮短沉降穩定的時間。

2導水樁復合地基現場試驗

在室內配合比試驗與模型樁試驗基礎上，為較好驗證導水樁在有效控制工后沉降和差異沉降及充分發揮樁間軟土承載力方面的作用，應進行導水樁復合地基現場試驗并實時監測，通過現場監測數據分析來評價導水樁復合地基處理深厚軟土地基的可行性。

2.1試驗段概況

選擇中山西環高速公路二標施工路段作為導水樁復合地基技術現場試驗段，路基全長2.41 km，寬28.5 m，設計高度5 m，公路標段屬深厚軟土地區（平均深度24 m），該試驗段地層巖性主要為第四系填土層、三角洲沉積層、第四系殘積層，下伏基巖為燕三期花崗巖、侏羅系凝灰巖、寒武系變質砂巖，而直接影響工程施工的地層主要有淤泥質土、淤泥質粉質黏土，試驗段各項土質具體參數見表3。

試驗段長21 m，導水樁樁徑400 mm，樁長22 m，樁身材料采用1號配比制成，設計樁距2.5 m，采用振動沉管埋入導水樁后，在基底表面鋪設50 cm的砂石作為褥墊層。打樁完成后先進行單樁和復合地基承載力試驗，然后在試驗段中心處設立1個觀測斷面，在斷面中心區域進行地表沉降、孔隙水壓力和樁土應力監測，具體包括：① 在路基中心及兩側原地面高程處各布設1個沉降標；② 在路基中心樁周土區域，沿樁身4，8，12，16 m和20 m處共布設5個孔隙水壓力計；③ 在樁頂及兩樁頂中心樁間土表面處各布設1個土壓力盒。

2.2單樁及復合地基承載力試驗

導水樁埋設完成后進行單樁及復合地基載荷試驗，其中，單樁等效處理面積取3.5 m2，復合地基載荷試驗采用面積3.3 m2的載荷板。試驗曲線如圖6所示，由圖分析可知，試驗樁單樁承載力特征值為275 kN，壓板試驗點復合地基承載力特征值為180 kPa。

2.3地基沉降監測分析

在基底表面進行路基填土及超載預壓過程中，監測斷面的沉降實測曲線見圖7。由圖7可以看出，在整個路基填土及超載預壓過程中，隨著填土量及荷載的增加，土體沉降不斷發展，地基總沉降量隨路堤填筑過程平穩上升，路基填土完成后，開始填筑預壓土，這時土體沉降速率明顯增大，在超載預壓土填筑之后，上部荷載保持不變，地基沉降仍繼續發展，這跟土體上部路堤和預壓土提供的荷載作用有關，也反映了導水樁在土體中起到的排水固結作用。導水樁樁身材料的高滲透率使其在土體中的作用相當于一個大直徑豎向排水體，給樁周邊土體中的水提供了豎向通道，大大減少土體排水距離，土體中的孔隙減少加快及有效應力增加，使地基土體能在加載預壓期內完成大部分或基本完成沉降固結，從而有效減少地基工后產生沉降和差異沉降的現象。

2.4孔隙水壓力監測分析

通過沿樁身均勻布設孔壓計進行不同深度的孔壓觀測，可了解不同深度土體在上部填土荷載作用下孔隙水壓力的變化規律，分析地基土體的固結狀態。路基填土及超載預壓過程中所觀測到的孔隙水壓力變化曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，在路堤填土過程中，土體填筑速率較慢，地基不同深度的孔隙水壓力隨填土荷載變化均較平緩。在預壓土體施加后，孔隙水壓力迅速上升，不同深度處孔壓在預壓土填筑時均達到峰值，但在路基填土及超載預壓完成后的恒載過程中，孔隙水壓力迅速消散，孔壓值回歸到填土初期應力水平。這一現象表明了土體內孔隙水在上部荷載的作用下，引起了超靜孔隙水壓的產生，但由于導水樁樁身材料的導水性，在土體中提供了一個快速排水通道，土體中的孔隙水沿導水樁向上排出，超靜孔隙水壓隨著土體排水固結完成而消散，上部荷載開始由土體承擔，土體密實度進一步提升，此時土體的沉降值達到最大。同時，不同深度測點處孔壓值的迅速消散也表明導水樁具有良好的排水性能，能充分發揮樁間土體的承載力水平，利于地基的深層加固。

2.5樁土應力監測分析

在路堤填土及超載預壓土施加的荷載作用下，樁頂和樁間土應力的變化規律見圖9。

從圖9可以看出，在整個地基填土及超載預壓過程中，雖然樁頂土應力和樁間土應力均隨著填土量及荷載的增長而增長，但兩者的增長速率不同，樁間土應力的增長速率明顯小于導水樁樁頂應力的增速。同時，在上部荷載作用下，砂石組成的褥墊層逐漸對自身結構進行了調整，漸漸體現出對荷載的分擔和調整作用，且樁間土的強度明顯要弱于導水樁的強度，因此，上部填土荷載將在褥墊層的作用下，迅速由樁間土向導水樁轉移，樁身應力集中較明顯。而在預壓土填筑過后的恒載條件下，樁頂應力仍在上升，而樁間土應力基本保持不變，這一現象說明了導水樁在地基中發揮的豎向增強體作用在不斷增強，導水樁所分擔的荷載比逐漸增大。

3結論

通過室內試驗、模型樁試驗及現場試驗，針對所提出的導水樁復合地基技術進行了相關研究分析，結論如下：

（1） 通過室內試驗及模型樁試驗確定了導水樁樁身材料的配合比，并驗證了在這種配合比下形成的導水樁兼具高強度和高透水性。

（2） 通過地表沉降和孔隙水壓力監測結果分析，導水樁的排水固結性能可以加快土體中孔隙的減少及有效應力的增加，從而加速樁間土體的沉降固結，使地基土體能在加載預壓期內完成大部分或基本完成沉降固結，減少地基工后產生沉降和差異沉降的現象。

（3） 通過分析樁土應力監測結果發現，導水樁在地基中發揮的豎向增強體作用不斷增強，導水樁所分擔的荷載比逐漸增大。

（4） 導水樁是一種新的地基處理方式，可用于淤泥質土、淤泥、粉質黏土等地基處理，特別適用于高速公路橋頭段、河湖堤防工程等的軟基處理，但目前研究理論相對缺乏，還需對其沉降計算理論、荷載傳遞規律、固結度等進行進一步的研究分析。

參考文獻：

［1］彭良泉.軟基加筋設計中的不當與改進［J］.人民長江，2022，53（2）：124-131.

［2］李書昌.CFG樁在道路軟基處理中的應用［J］.建筑技術，2022，53（9）：1211-1214.

［3］陳俊彥.粉噴樁加固高速公路軟土地基的應用效果分析［J］.公路與汽運，2020，200（5）：45-47，51.

［4］龔西城，蘇立志，徐凡，等.預制混凝土管樁技術在黃河下游液化地基處理中的應用［J］.水利水電技術，2019，50（增2）：70-75.

［5］賓斌，蔣厚良，王雪龍，等.導水布袋復合壓密注漿樁技術在軟土質堤防加固處理中的應用研究［J］.水利與建筑工程學報，2015，13（4）：183-187，219.

［6］彭春雷，賓斌，龔高武.導水布袋控制壓密注漿樁技術在洞庭湖堤基加固中的試驗研究［C］∥2013水利水電地基與基礎工程技術——中國水利學會地基與基礎工程專業委員會第12次全國學術會議論文集，2013：57-63.

［7］問建學，唐昌意，曹雄，等.超厚軟土區管樁復合地基不均勻沉降病害處治［J］.公路，2023，68（3）：68-75.

［8］柏楊，姜晨冰，趙地，等.水泥土攪拌樁在濱海軟土地基加固中的應用［J］.人民黃河，2022，44（增2）：280-281.

［9］朱月.地聚合物攪拌樁加固軟土地基的力學機理研究［D］.西安：長安大學，2020.

［10］程萬釗，樂茂華，王富永，等.混凝土芯砂石樁復合地基加固堤防軟基試驗研究［J］.水利學報，2007（增1）：675-681.

［11］張繼良，肖義，李從安，等.軟基土工管袋吹填砂圍堤穩定性及沉降特性分析［J］.水利水電快報，2022，43（9）：22-25.

（編輯：李慧）

Technology and experimental study of water-conducting pile?composite foundation

HAN Shaowu1，HUANG Xiaoqian2，3，ZENG Sijian2，3

（1.Yongzhou Water Authority，Yongzhou 425000，China；2.Hunan Hongyu Engineering Group Co.，Ltd.，Changsha 410117，China；3.Changsha Engineering Research Center for Grouting Technology，Changsha 410007，China）

Abstract： Aiming at the property of soft soil and environmental characteristic of infrastructure construction on soft soil foundation，the existing soft soil foundation reinforcement technologies and applicability were analyzed.Based on indoor test and model pile test，a new type of foundation treatment technology，the water-conducting pile composite foundation treatment method was proposed.Through field test observation and analysis，the bearing capacity，drainage consolidation，pore pressure dissipation and pile-soil stress sharing of water-conducting pile composite foundation were studied.The results showed that the water-conducting pile bore the vertical drainage body in the soil，and formed a drainage system with the base cushion under the upper filling load，which accelerated the consolidation of the soil between piles and gave full play to the bearing capacity of the soil between piles.It could also be a vertical reinforcement to effectively transfer vertical load，which combined with the consolidated soil between piles to bear the load and control the settlement of the foundation after construction.

Key words： composite foundation； drainage consolidation； water-conducting pile； soft soil foundation treatment； bearing capacity