素混凝土樁復(fù)合地基在四川地區(qū)富水軟土地基中的運用

時海城，王鵬程，檀峰雷，欽志國，劉孟華

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 101100）

1 引言

富水軟土地基存在低透水性、高壓縮性以及低承載力等不良工程特性，因此，在富水軟土地基上進行的大型工程地基項目往往難以達到項目的安全施工要求[1]。為了解決富水軟土地基的不良工程特性，目前國內(nèi)最常使用的方法是利用水泥攪拌樁法和排水固結(jié)法對軟土地基進行加固處理。但該方法的工程造價費用相對較高，在實際工程項目中難以實現(xiàn)。素混凝土樁復(fù)合地基具有施工速度快、工程造價低、適用范圍廣以及加固效果好等優(yōu)點。研究結(jié)合理論分析和現(xiàn)場試驗，分析四川地區(qū)富水軟土地基和素混凝土樁復(fù)合地基的受力特性，并利用素混凝土樁復(fù)合地基的樁體效應(yīng)將外部荷載傳導(dǎo)到較深的地基中，以達到減少富水軟土地基沉降的目的，以期提高富水軟土地基的穩(wěn)定性。

2 素混凝土樁復(fù)合地基與富水軟土地基的基本特性

2.1 素混凝土樁復(fù)合地基的基本特性

素混凝土樁復(fù)合地基具有施工速度快、工程造價低、適用范圍廣以及加固效果好等優(yōu)點[2]。與傳統(tǒng)的地基相比，素混凝土樁復(fù)合地基是具有高黏結(jié)強度的剛性樁，可以將外部荷載傳到較深的地基中，因此可以降低地基變形的概率，提高地基的承載力。素混凝土樁復(fù)合地基這種將外部荷載進行傳導(dǎo)的效應(yīng)稱為置換效應(yīng)或者樁體效應(yīng)。素混凝土樁復(fù)合地基是以樁、樁間土以及樁頂褥等共同構(gòu)成的人工地基，復(fù)合地基的布置方法有正方形布置、長方形布置、網(wǎng)格狀布置以及等邊三角形布置等。樁體在土層中的擠入可以使得樁間土產(chǎn)生密實效果，樁間土密度的增加和孔隙比的減小使得土層的強度和模量也隨之增大，這種因樁體的擠入而增大密度的效應(yīng)稱為擠密效應(yīng)。褥墊層是由碎石、粗沙和級配砂石等散體材料組成，其主要作用是與樁土共同承擔(dān)荷載，改變地基的受力使地基工作呈現(xiàn)協(xié)調(diào)作用。褥墊層技術(shù)是素混凝土樁復(fù)合地基中的關(guān)鍵技術(shù)，褥墊層的存在合理地調(diào)整了地基的壓縮性，素混凝土樁復(fù)合地基的示意圖如圖1 所示。

圖1 素混凝土樁復(fù)合地基的示意圖

如圖1 所示，褥墊層的存在為樁的刺入提供了條件，如果地基間沒有設(shè)置褥墊層，那么基礎(chǔ)會直接與樁間土和樁相接觸，隨著時間的增加樁勢必會在垂直荷載的作用下出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，最終導(dǎo)致荷載向土體轉(zhuǎn)移。設(shè)置了褥墊層之后，因為樁的模量更大，所以即使發(fā)生變形，樁的變形程度也會比土層的變形小。同時變形的過程中褥墊層的墊層材料也會補充到樁間土中，從而保證了樁和樁間土的支撐力。褥墊層的厚度影響著樁和樁間土之間的應(yīng)力比，當褥墊層的厚度為0 時，此時樁和樁間土的應(yīng)力比很大，此時需要考慮樁對于基礎(chǔ)的沖切破壞。當褥墊層的厚度不為0 且取值較大時，此時樁和樁間土的應(yīng)力比無限趨近于1。褥墊層的厚度雖然可以平衡樁和樁間土之間的應(yīng)力比，但并不是褥墊層越厚越好。如果褥墊層厚度過大，相當于是換土回填造成浪費，其次樁和樁間土之間的應(yīng)力比很小意味著淺層地基土承擔(dān)了較大的荷載。淺層地基土的強度相對較低，面對較大的荷載時會導(dǎo)致淺層地基土很快出現(xiàn)壓縮變形的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致淺層地基土出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，這也失去了設(shè)置樁的最初的意義。因此褥墊層的合理厚度意義重大，既可以保證樁在水平荷載的作用下不會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，又可以保證樁和樁間土充分地發(fā)揮承載能力。經(jīng)過以往大量實際工程的實踐和總結(jié)，在充分考慮經(jīng)濟的合理性和技術(shù)的可靠性后，得出褥墊層的合理厚度取值在150～300 mm，當樁的間距或者樁的直徑過大時，褥墊層的厚度取300 mm 最佳。

2.2 富水軟土地基的基本特性

軟土是指在自然條件下天然孔隙比大于或等于1 以及含水量大于或等于35%的黏性土，一般出現(xiàn)在流水或者靜水的沉積環(huán)境中[3]。軟土具有低強度、流變性、觸變性、高壓縮性、低滲透性以及各向異性等工程特性。在富水軟土地基中進行工程建設(shè)面臨著軟土易產(chǎn)生流變和壓縮的困難，在建筑施工當中如果不進行有效處理，可能會出現(xiàn)軟土地基變形甚至是沉降的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的損壞。富水軟土屬于飽和土體，當飽和土體受到了外部施壓時，水分會隨著外部的壓力從土體的孔隙中排出，這時土體內(nèi)的水壓也轉(zhuǎn)化成了土體的有效應(yīng)力，這一系列轉(zhuǎn)化過程稱為固結(jié)。土體的含水量變化率一般是由水重度、土顆粒重度、孔隙比以及飽和度等參數(shù)的變化決定。對于富水軟土地基而言，孔隙比變化率和含水量變化率成正比。

在富水軟土地基上建筑施工發(fā)生沉降的變化可以分為3 種。第一是瞬時沉降。此現(xiàn)象是在富水軟土不排水的條件下出現(xiàn)的變形沉降。第二是固結(jié)沉降。此現(xiàn)象是在富水軟土受到外部荷載的作用土體中水分隨著外部的施壓而流出，從而出現(xiàn)土體間孔隙減小的變形沉降。第三種為次壓縮沉降。當水壓力被完全稀釋并消散后，土體一般會在恒定的壓力下產(chǎn)生沉降的現(xiàn)象。這3 種沉降現(xiàn)象一般不會分開出現(xiàn)，有很大可能會在某一時段內(nèi)同時出現(xiàn)其中2 種甚至3 種沉降現(xiàn)象，只是各個沉降現(xiàn)象所占比例不同。對于富水軟土來說，發(fā)生固結(jié)沉降現(xiàn)象的可能性比較大。根據(jù)富水軟土的含水量特質(zhì)可知，其發(fā)生次壓縮沉降的概率和發(fā)生固結(jié)沉降的概率幾乎一致，因此，在富水軟土地基中次壓縮沉降現(xiàn)象的產(chǎn)生也不容忽視。

軟土屬于細粒土，其主要具有單片絮凝結(jié)構(gòu)、片組絮凝結(jié)構(gòu)、單片分散結(jié)構(gòu)和片組分散結(jié)構(gòu)4 種典型的結(jié)構(gòu)。軟土的結(jié)構(gòu)和受到的外部荷載是軟土發(fā)生壓縮現(xiàn)象的主要原因。軟土結(jié)構(gòu)中具有片組分散結(jié)構(gòu)和單片分散結(jié)構(gòu)的軟土顆粒，排列形狀一般接近于平行，該特質(zhì)會導(dǎo)致軟土易受到外部荷載擠壓后流失水分而產(chǎn)生變形，該結(jié)構(gòu)類型中最典型的就是人工壓密的土。對于具有單片絮凝結(jié)構(gòu)和片組絮凝結(jié)構(gòu)的軟土，因其顆粒排列往往是呈支撐狀的，這就導(dǎo)致其變形主要是伴隨土體結(jié)構(gòu)的破壞而產(chǎn)生的。

3 工程概況

本工程位于四川省達州市渠縣中東部，項目是起于三匯鎮(zhèn)西坪社區(qū)，途徑2 個城鎮(zhèn)8 個村莊，終止于鐵牛村的全長約為20.5 km 的公路項目。該工程項目順渠江西岸而下，項目地貌主要以槽形丘間為主，山體多層長條狀或者圓狀，與地面高度差呈240～425 m，相對高度差約為185 m。擬建橋梁工程選址地區(qū)的地貌多呈單斜圓丘，地勢相對高度差約40～50 m，地形較為平坦。該項目地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，水量豐富降雨量大，降雨集中在5 月至9 月，占全年降雨量的70.2%。冬季氣溫、降水變化相對減小，多年冬季平均氣溫為6.6 ℃，本工程不涉及冬季施工。該公路項目主線設(shè)計速度為80 km/h，為雙向四車道一級公路，路基寬度為24.5 m。項目主體分為兩個標段，一標段起始樁號在三匯鎮(zhèn)K0+000，全長7.8 km，二標段終止樁號在鐵牛村K20+406.5000，全長12.706 5 km，二標段項目內(nèi)由10%的橋梁建設(shè)、44%的新建道路和46%的拼寬道路組成。新建、拼寬道路均采用一級公路技術(shù)標準，路基寬度為24.5 m。場地路面以瀝青混凝土以及碎石基層為主，基礎(chǔ)的持力層為碎石基層。橋梁的下部結(jié)構(gòu)主要采用以鋼筋混凝土灌注的柱式墩。天橋的上部結(jié)構(gòu)主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)主要采用一字臺，橋墩處采用的是柱式墩。

4 素混凝土樁復(fù)合地基在四川地區(qū)富水軟土地基中的運用

綜合考慮施工現(xiàn)場四川地區(qū)富水軟土深度、施工作業(yè)面以及周邊因素等，本工程素混凝土樁機械規(guī)格選擇CFG26m全液壓長螺旋鉆機，混凝土強度等級為C20，樁尖持力層的深度小于15 m，樁按照大于3 倍樁徑設(shè)置樁間距，按等邊三角形布設(shè)，褥墊層厚度設(shè)置為200 mm。設(shè)計的地基要達到地基承載力要求，需要滿足復(fù)合地基承載力特征值大于250 kPa，為了保證工程質(zhì)量，對施工結(jié)束地基的實際效果進行驗證，隨機選用20 根素混凝土復(fù)合樁進行靜荷載試驗。

試驗得到的單樁豎向抗壓極限承載力最大值為800 kPa，滿足復(fù)合地基承載力特征值大于250 kPa 的要求。沉降變化維持在6.7～11.2 mm，最大沉降量為11.2 mm，平均沉降量為10.3 mm。以上可以看出，該項目的地基施工符合荷載標準。

低應(yīng)變動力檢測的分類標準一般分為4 類，其中Ⅰ類樁表示樁身完整，Ⅱ類樁表示樁身有輕微缺陷但不影響樁體結(jié)構(gòu)以及承載力，Ⅲ類樁表示樁身有明顯缺陷，對樁體結(jié)構(gòu)和承載力產(chǎn)生影響，Ⅳ類樁表示樁身存在嚴重缺陷。從施工項目建筑中隨機選取20 根混凝土復(fù)合樁進行低應(yīng)變檢測，檢測結(jié)果如圖2 所示。

圖2 低應(yīng)變動力檢測結(jié)果圖

從圖2 可以看出，選取的20 根混凝土復(fù)合樁中Ⅰ類樁共有18 根，占檢測總樁數(shù)的90%，Ⅱ類樁共有2 根，占檢測總樁數(shù)的10%，Ⅲ類樁和Ⅳ類樁皆為0。說明選取的20 根混凝土復(fù)合樁全部滿足使用要求，合格率達到100%。

5 結(jié)論

為了驗證素混凝土樁復(fù)合地基在四川地區(qū)富水軟土地基中的運用情況，對施工項目中素混凝土樁復(fù)合地基的荷載沉降變化以及低應(yīng)變樁身進行質(zhì)量檢測。測試結(jié)果顯示，單樁豎向抗壓極限承載力最大值為800 kPa，滿足復(fù)合地基承載力特征值大于250 kPa 的要求。沉降變化維持在6.7～11.2 mm，最大沉降量為11.2 mm，平均沉降量為10.3 mm，符合施工標準。隨機選取的20 根混凝土復(fù)合樁中Ⅰ類樁共有18 根，占檢測總樁數(shù)的90%，Ⅱ類樁共有2 根，占檢測總樁數(shù)的10%，選取的20 根混凝土復(fù)合樁全部滿足使用要求，合格率達到100%。以上結(jié)果說明，素混凝土復(fù)合地基在四川地區(qū)富水軟土地基中的運用效果理想，不僅施工方便，而且整體使用效果較好，能夠滿足項目施工要求。