楊慶慶，王桂智，劉冠霆，趙津磊，李學(xué)德

(1. 揚(yáng)州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007；2. 江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

我國東部沿海地區(qū)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(yù)制樁等。水泥土攪拌樁施工簡便，成本低廉，但樁身強(qiáng)度相對(duì)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(fā)生樁周土體已經(jīng)破壞時(shí)樁身強(qiáng)度還未充分發(fā)揮的情況，且成本相對(duì)較高[3]。

勁性復(fù)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(jìn)行相應(yīng)的組合而形成的一種復(fù)合樁型，具有承載力大、施工速度較快、成樁質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[4]。勁性復(fù)合樁目前廣泛應(yīng)用于鐵路、公路等工民建工程中[5]，相對(duì)而言在水利工程中應(yīng)用還不夠普遍。本文以某水利工程為背景，對(duì)勁性復(fù)合樁在水利工程中的應(yīng)用研究進(jìn)行探討，所得結(jié)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(jié)制閘組成。根據(jù)水工建筑物承載力計(jì)算結(jié)果以及地勘資料成果，本工程立交地涵的第二、三、四節(jié)翼墻、閘首、閘室及節(jié)制閘基礎(chǔ)等均需進(jìn)行地基處理。下文以地涵南北兩側(cè)第二節(jié)翼墻為例，將預(yù)制樁方案、水泥攪拌樁方案和勁性復(fù)合樁方案作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，最終選擇合適的翼墻地基處理方案。

第二節(jié)翼墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)地勘資料，各層土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

立交地涵上下游第二節(jié)翼墻底板設(shè)計(jì)底面高程為-5.50m，根據(jù)本工程地質(zhì)勘探資料，地涵東側(cè)運(yùn)河南北第二節(jié)翼墻均坐落于②3層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土上，地基允許承載力[R]=70kPa。第二節(jié)翼墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表2。

由計(jì)算結(jié)果可得，南北第二節(jié)翼墻地基承載力均不能滿足規(guī)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(duì)翼墻進(jìn)行地基處理。初步擬定預(yù)制樁方案、水泥攪拌樁方案和勁性復(fù)合樁方案，并進(jìn)行方案比選，選擇地基處理方式。

2.1 預(yù)制樁方案

第二節(jié)翼墻順?biāo)飨蜷L度為12m，墻后填土地面高程為6.50m，底板底面設(shè)計(jì)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(duì)翼墻地基進(jìn)行處理。根據(jù)第二節(jié)翼墻穩(wěn)定分析，在各運(yùn)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(shí)預(yù)制管樁間間距不應(yīng)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(zhì)勘察綜合成果建議值表

表2 地涵第二節(jié)翼墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

型混凝土管樁，單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值為583kN。預(yù)制樁容許承載力按下式計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值，kPa；A— 樁身截面面積，m2。

設(shè)計(jì)預(yù)制管樁樁長為7.00m時(shí)，樁端落在⑤2層粉質(zhì)黏土上。經(jīng)計(jì)算，[P]=771kN>583kN，承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 水泥攪拌樁方案

第二節(jié)翼墻順?biāo)飨蜷L度為12m，墻后填土地面高程為6.50m，底板底面設(shè)計(jì)高程為-5.50m，地基軟土層厚度約4～6m，根據(jù)其土質(zhì)情況，采用樁土聯(lián)合作用較好且造價(jià)相對(duì)較低的水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理。本工程擬采用φ60cm的水泥土攪拌樁，間距1.0m，對(duì)翼墻地基進(jìn)行處理，處理深度為6～8m，進(jìn)入⑤2層粉質(zhì)粘土層中不小于2.0m。

根據(jù)JGJ79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[6]的要求，對(duì)加固處理后的地基承載力按照下式進(jìn)行驗(yàn)算：

(2)

式中，fspk—復(fù)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(shù)，可取0.75～0.95，取0.75；fsk—天然地基承載力，?、?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(zhì)量的18%，水泥選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)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(zhì)重粉質(zhì)壤土中局部含有大量的腐蝕質(zhì)，對(duì)水泥土攪拌樁的強(qiáng)度影響較大，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)攪拌樁樁身水泥土的抗壓強(qiáng)度不得小于1000kPa。經(jīng)計(jì)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(fù)合地基復(fù)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(fù)合樁方案

勁性復(fù)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(jù)不同的地基土質(zhì)選擇相應(yīng)的組合而形成的一種復(fù)合樁型，具有組成復(fù)合樁各樁型的特點(diǎn)，適用于淤泥、淤泥質(zhì)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(shù)17.2，且局部含大量腐蝕質(zhì)。勁性復(fù)合樁選用柔剛復(fù)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(shè)計(jì)攪拌樁樁身水泥土的抗壓強(qiáng)度不得小于1000kPa；剛性樁作為樁體內(nèi)芯，采用C30素混凝土樁芯，直徑為22cm[8]。勁性復(fù)合樁結(jié)構(gòu)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(xiàn)澆C30混凝土樁芯，形成素混凝土勁芯水泥土復(fù)合樁。在施工中，通過振密擠擴(kuò)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(qiáng)度，同時(shí)還會(huì)擠擴(kuò)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(cè)摩阻力；且在素混凝土樁芯的作用下，復(fù)合樁體的承載力間大幅度提高。根據(jù)JGJ/T327—2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》，采用勁性復(fù)合樁后，復(fù)合地基承載力可按下式計(jì)算:

(3)

式中，λ—單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，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(jīng)計(jì)算，勁性復(fù)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(fù)合地基復(fù)合地基承載力計(jì)算值為189kPa，滿足翼墻地基承載力要求。為提高勁性復(fù)合樁復(fù)合地基的樁土聯(lián)合作用效應(yīng)，在勁性復(fù)合樁頂和建筑物基礎(chǔ)間設(shè)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(jié)翼墻基礎(chǔ)坐落于②3層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土層上，其固結(jié)快剪凝聚力為16.2kPa，內(nèi)摩擦角為12.6°。處理后的地基土體的強(qiáng)度指標(biāo)可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

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

(4)

tanΦc=(1-m)tanΦs+mtanΦp

(5)

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

圖2 勁性復(fù)合樁結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)計(jì)算，處理后②3層復(fù)合地基：凝聚力Cc=21.8kPa，內(nèi)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(shù)、工程投資等方面，對(duì)第二節(jié)翼墻地基加固方案從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行比選。

(1)地基處理方案可行性。根據(jù)上述3種地基處理方案設(shè)計(jì)情況，如果水泥土攪拌樁土體抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)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(zhì)含量較大，根據(jù)附近區(qū)域水泥土攪拌施工情況，在含有腐蝕質(zhì)的土體中，攪拌樁樁身強(qiáng)度往往難以達(dá)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(fēng)險(xiǎn)，該方案不可行；預(yù)制樁方案在對(duì)于墻后存在高回填土的結(jié)構(gòu)時(shí)，由于墻后回填土的作用，導(dǎo)致地基下沉大于建筑物樁基處理，易導(dǎo)致基礎(chǔ)底面局部與地基土體脫空現(xiàn)象，在水利工程樁易引起滲流破壞；勁性復(fù)合樁是介于水泥土攪拌樁和剛性樁之間的樁型，樁土聯(lián)合作用優(yōu)于預(yù)制樁方案；預(yù)制柱方案和勁性復(fù)合樁方案均可行。

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

(3)工程投資。經(jīng)估算，預(yù)制樁方案的工程投資為19.27萬元，勁性復(fù)合樁方案工程投資為15.44萬元，勁性復(fù)合樁方案工程投資較為節(jié)省。

綜上所述，勁性復(fù)合樁地基處理方案的樁土聯(lián)合作用效應(yīng)更好，且工程投資相對(duì)較為節(jié)省，盡管施工工期略長，但不影響整個(gè)工程工期。因此，南北側(cè)第二節(jié)翼墻地基處理選擇勁性復(fù)合樁地基處理方案。

3 勁性復(fù)合樁質(zhì)量檢驗(yàn)

工程在施工過程中對(duì)于水工建筑物底板下施打的勁性復(fù)合樁進(jìn)行了試樁質(zhì)量檢驗(yàn)，主要包括樁身強(qiáng)度檢驗(yàn)、樁身結(jié)構(gòu)完整性檢驗(yàn)以及單樁承載力檢驗(yàn)。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

工程設(shè)計(jì)勁性復(fù)合樁由直徑70cm的水泥土攪拌樁和直徑22cm現(xiàn)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(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.5MPa。工藝試樁樁長為13.35m，單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值為413kN。

3.2 質(zhì)量檢驗(yàn)

樁身強(qiáng)度檢驗(yàn)主要是指在試樁過程中，對(duì)于試樁水泥土及樁芯混凝土進(jìn)行取樣，對(duì)樣品進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果水泥土28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.61MPa，樁芯混凝土抗壓強(qiáng)度38.2MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測表

表4 單樁豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果表

樁身結(jié)構(gòu)完整性檢驗(yàn)主要是指對(duì)樁身的截面尺寸、長度、強(qiáng)度及整體致密性進(jìn)行檢驗(yàn)，看是否符合設(shè)計(jì)要求。本工程通過采用反射波法對(duì)樁身進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表3。

根據(jù)檢測結(jié)果，本次試驗(yàn)檢測的12根試樁均為Ⅰ類樁。

勁性復(fù)合樁單樁豎向承載力檢驗(yàn)選擇6根試樁，在成樁后28d進(jìn)行，最終單樁豎向承載力試驗(yàn)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，勁性復(fù)合樁單樁豎向承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

地基處理是水利工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)之一，其工程造價(jià)往往能占工程總費(fèi)用的30%左右[9]，對(duì)于工程成敗起著決定性作用。勁性復(fù)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(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)地基承載力，減少地基沉降變形，同時(shí)具有施工簡便、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)[10]，在水利工程軟弱地基處理中具有良好的發(fā)展前景。