羅浩

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

在水利工程中，當(dāng)建筑物遇到承載力較差或沉降較大的軟弱地基，往往需要進(jìn)行地基處理。當(dāng)軟弱土層較厚或只有在較深處才有能滿(mǎn)足承載力要求的持力層時(shí)，地基處理的方式可采用樁基礎(chǔ)，樁型有預(yù)制樁、灌注樁等。當(dāng)上部荷載不是很大時(shí)，可在軟土層內(nèi)打孔，然后回填適當(dāng)?shù)耐潦匣驌胶土?，形成剛度比四周軟土大的土質(zhì)樁，土質(zhì)樁不能完全承擔(dān)建筑物的全部荷載，而是與四周土共同承受建筑物的荷載，即復(fù)合地基，常見(jiàn)形式為水泥土攪拌樁復(fù)合地基[1]。近年來(lái)，工程地基處理上興起一種新型樁，即勁性復(fù)合樁。它是將散體材料樁、柔性水泥土類(lèi)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，在淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、砂土及人工填土等地基處理中得到較好的應(yīng)用。勁性復(fù)合樁結(jié)合了剛性混凝土樁和水泥土拌合樁的優(yōu)點(diǎn)，在提高軟土地基承載力、控制變形沉降方面，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2]。本文結(jié)合某水閘建筑物，對(duì)各類(lèi)樁在軟弱地基處理上進(jìn)行對(duì)照比選，闡述勁性復(fù)合樁在地基處理中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)工程設(shè)計(jì)推廣和應(yīng)用具有重要意義。

1 勁性復(fù)合樁原理

勁性復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時(shí)，基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式計(jì)算[3]：

式中：Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；uc為勁性復(fù)合樁內(nèi)芯樁身周長(zhǎng)，m；為勁性復(fù)合樁復(fù)合段內(nèi)芯側(cè)阻力特征值；lc為勁性復(fù)合樁復(fù)合段長(zhǎng)度，m；為勁性復(fù)合性?xún)?nèi)芯樁端土的端阻力特征值，kPa；為勁性復(fù)合樁內(nèi)芯樁身截面積，m2。

勁性復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時(shí)，基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式計(jì)算：

式中：u為勁性復(fù)合樁復(fù)合段樁身周長(zhǎng)，m；ξsi，ξp分別為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第i土層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)、端阻力調(diào)整系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；qsia為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第i土層側(cè)阻力特征值，kPa；li為勁性復(fù)合樁復(fù)合段第i土層厚度，m；α為勁性復(fù)合樁樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，對(duì)柔剛復(fù)合樁可取0.70～0.90；qpa為勁性復(fù)合樁端阻力特征值，kPa；Ap為勁性復(fù)合樁樁身截面積，m2。

根據(jù)JGJ/T 327-2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》，對(duì)等芯柔剛復(fù)合樁單樁豎向抗壓承載力特征值可按公式（1）和（2）計(jì)算并取其中的小值。

2 工程布置及地質(zhì)情況

2.1 工程布置

新建水閘場(chǎng)地位于長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)，緊鄰長(zhǎng)江。當(dāng)內(nèi)河河道水位高于常水位時(shí)，趁長(zhǎng)江低潮打開(kāi)閘門(mén)排水，排至常水位時(shí)關(guān)閘；當(dāng)長(zhǎng)江高潮時(shí)關(guān)閉閘門(mén)。水閘建筑物整體組成主要有閘室、內(nèi)外河消力池、內(nèi)外河海漫、內(nèi)外河防沖槽、長(zhǎng)江側(cè)交通橋及兩岸江堤。其中，閘室采用帶胸墻的塢式結(jié)構(gòu)，閘室長(zhǎng)20.00 m，凈寬10.00 m，底板頂高程-2.00 m，厚1.50 m，閘室兩側(cè)墩墻頂高程7.34 m，厚1.50 m，水閘縱剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 水閘閘室縱剖面圖（單位：m）

2.2 工程地質(zhì)

水閘場(chǎng)地沿線地貌類(lèi)型為新三角洲與江心洲。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，現(xiàn)狀河口寬近40.00 m，河底高程一般-1.00～-1.40 m，兩岸多有直立擋墻護(hù)岸，入長(zhǎng)江口處局部為漿砌塊石護(hù)岸；兩岸陸域地勢(shì)較平坦，地面高程一般4.00～5.00 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔觀測(cè)，地下水位高程為1.00～2.00 m。工程區(qū)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.10 g，相應(yīng)的地震基本烈度為7 度，場(chǎng)地地層分布相對(duì)穩(wěn)定，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。水閘底板直接坐落于①2 層黏質(zhì)粉土上，從上至下分布有③1，③2，③2b 和③3 土層，均為砂質(zhì)粉土。根據(jù)地勘報(bào)告，各土層的具體性狀描述如下。

①2 層：灰、褐灰、黃灰色黏質(zhì)粉土，夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，局部互層，為新近沉積土。分布于水域淺部，層厚0.60～2.60 m。稍密（或流塑）狀，中～高壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度低。

③1 層：灰色砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土，夾粉質(zhì)黏土薄層，局部互層，含云母片。主要分布于場(chǎng)地南部新閘址部位，揭示層厚0.50～8.60 m。稍密～中密狀態(tài)，中壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度一般。

③2 層：灰色砂質(zhì)粉土，局部粉砂、細(xì)砂，夾粉質(zhì)黏土薄層，含云母片。場(chǎng)地普遍分布，層厚4.40～10.20 m。中密狀態(tài)為主，中壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度中等。

③2b 層：灰、灰褐色砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土，局部粉砂，夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，多呈互層狀。場(chǎng)地普遍分布，層厚1.00～8.40 m。稍密～中密狀態(tài)，力學(xué)強(qiáng)度一般。

③3 層：灰色砂質(zhì)粉土，局部粉砂、細(xì)砂，夾粉質(zhì)黏土薄層，含云母片。深孔均有揭示，揭示厚3.70～14.60 m。中密～密實(shí)狀態(tài)，中壓縮性，力學(xué)強(qiáng)度較高。

各土層壓縮系數(shù)、壓縮模量、允許承載力、水泥土攪拌樁及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值見(jiàn)表1。

表1 工程地質(zhì)勘察綜合成果建議值表

3 地基處理方案比選

根據(jù)水閘穩(wěn)定計(jì)算成果，其在完建期豎向合力最大，平均基底應(yīng)力達(dá)到131.25 kPa，遠(yuǎn)大于地基土允許承載力60.00 kPa，因此需對(duì)地基進(jìn)行技術(shù)處理以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)水閘地基土層實(shí)際分布情況，結(jié)合JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和JGJ/T 327-2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》相關(guān)條文規(guī)定，擬定預(yù)制方樁、鉆孔灌注樁、水泥攪拌樁和勁性復(fù)合樁4 種地基處理方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，以確定最優(yōu)方案。

3.1 預(yù)制方樁

預(yù)制方樁是水工建筑物地基處理常見(jiàn)的方式之一，根據(jù)JGJ 94-2008 有關(guān)條文，預(yù)制方樁Ra計(jì)算公式如下：

式中：qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

根據(jù)水閘穩(wěn)定計(jì)算成果，其在完建期豎向合力最大，達(dá)到34 125.00 kN。結(jié)合JGJ 94-2008 有關(guān)條文規(guī)定和水閘場(chǎng)地實(shí)際情況，樁采用C30 鋼筋混凝土預(yù)制方樁，截面尺寸350 mm×350 mm，長(zhǎng)10.00 m，間距1 400 mm×1 400 mm，共布置126根。由水閘所在位置地層參數(shù)可知，樁身穿過(guò)①2層和③1 層，最終深入③2 層。經(jīng)計(jì)算，單根樁豎向承載力特征值為290.33 kN，而最大平均單樁豎向力為270.83 kN；閘室沉降7.1 cm，小于規(guī)范允許值15.0 cm。綜上所述，預(yù)制樁布置方案滿(mǎn)足地基設(shè)計(jì)要求。

3.2 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁施工操作較為簡(jiǎn)便且技術(shù)成熟度較高，在水利工程中得到廣泛應(yīng)用[4]。鉆孔灌注樁單樁豎向承載力特征值計(jì)算原理同預(yù)制方樁。

根據(jù)水閘穩(wěn)定計(jì)算成果，最大豎向合力為34 125.00 kN。結(jié)合JGJ 94-2008 有關(guān)條文規(guī)定和水閘場(chǎng)地實(shí)際情況，樁采用C30 鋼筋混凝土灌注樁，截面直徑800 mm，長(zhǎng)15.00 m，間距2 600 mm×2 600 mm，共布置40 根。由水閘所在位置地層參數(shù)可知，樁身穿過(guò)①2，③1 層，③2 和③2b，最終深入③3 土層。經(jīng)計(jì)算，單根樁豎向承載力特征值為929.47 kN，而最大平均單樁豎向力為853.11 kN；閘室沉降5.2 cm，小于規(guī)范允許值15.0 cm。綜上所述，鉆孔灌注樁布置方案滿(mǎn)足地基設(shè)計(jì)要求。

3.3 勁性復(fù)合樁

勁性復(fù)合樁是近年來(lái)在水利工程中興起的一種新型軟基處理方式。根據(jù)JGJ/T 327-2014 有關(guān)條文，勁性復(fù)合樁復(fù)合地基承載力特征值按下式計(jì)算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.95～1.00；m為面積置換率；Ra按公式（1）（2）計(jì)算；Ap為樁的截面積，m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.80～1.00；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，?、? 層允許承載力60.00 kPa。

根據(jù)水閘穩(wěn)定計(jì)算成果，其在完建期豎向合力最大，達(dá)到34 125.00 kN。結(jié)合JGJ/T 327-2014有關(guān)條文規(guī)定和水閘場(chǎng)地實(shí)際情況，勁性復(fù)合樁采用等芯柔剛復(fù)合樁，外層采用直徑700 mm 的水泥土攪拌樁，水泥摻入量為20%，樁身水泥土的28 d 抗壓強(qiáng)度取不小于1.200 MPa，外層為柔性樁；樁體內(nèi)芯為直徑220 mm 的素混凝土樁，標(biāo)號(hào)為C30，為剛性樁；樁長(zhǎng)9.00 m，間距1 200 mm×1 200 mm，共布置154 根。由水閘所在位置地層參數(shù)可知，樁身穿過(guò)①2 層和③1 層，最終深入③2 層。經(jīng)計(jì)算，單根樁豎向承載力特征值為139.65 kPa，而最大基底平均應(yīng)力為131.25 kPa；閘室沉降8.3 cm，小于規(guī)范允許值15.0 cm。綜上所述，勁性復(fù)合樁布置方案滿(mǎn)足地基設(shè)計(jì)要求。

3.4 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁作為一種軟弱地基處理方式，在水工建筑物地基處理中得到廣泛應(yīng)用[5]。根據(jù)JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》有關(guān)條文，水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式同勁性復(fù)合樁公式（4）。

根據(jù)水閘穩(wěn)定計(jì)算成果，最大豎向合力為34 125.00 kN。該工程的水泥土攪拌樁地基處理方案參數(shù)：直徑700 mm，間距1 200 mm×1 200 mm，長(zhǎng)15.00 m，共154 根。由水閘所在位置地層參數(shù)可知，樁身穿過(guò)①2，③1，③2 和③2b，最終深入③3土層。攪拌樁設(shè)計(jì)水泥摻量采用20%，樁身水泥土28 d 抗壓強(qiáng)度取不小于1.200 MPa。經(jīng)計(jì)算，處理后的復(fù)合地基承載力為115.15 kPa，而最大基底平均應(yīng)力為131.25 kN，不滿(mǎn)足地基承載力要求，因此方案不可行。

3.5 方案對(duì)比

根據(jù)上述閘室各地基處理方案效果，結(jié)合施工便利和工程投資，對(duì)4 種地基處理方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選（表2），選擇綜合最優(yōu)方案。在技術(shù)、施工和投資方面，勁性復(fù)合樁為最優(yōu)地基處理方案。

表2 閘室地基處理方案對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于水利工程中的建筑物，當(dāng)遇到較深的軟土地基時(shí)，經(jīng)常采用樁基處理。勁性復(fù)合樁結(jié)合了剛性混凝土樁和水泥土拌合樁的優(yōu)點(diǎn)，在滿(mǎn)足承載力和沉降的同時(shí)，降低施工對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，且最大限度降低工程投資，相對(duì)其他樁型，綜合優(yōu)勢(shì)較為明顯，在場(chǎng)地施工條件受限和投資有一定控制要求的工程中有較好的推廣意義。