軟土地基處理中素混凝土樁復(fù)合地基的運(yùn)用分析

王池波

（晉江市路橋建設(shè)開發(fā)有限公司，福建晉江362200）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量提出了更高的要求。傳統(tǒng)的素混凝土樁在樁基應(yīng)用中的適用性逐步降低，采取全新的施工工藝勢(shì)在必行。隨著行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，素混凝土樁復(fù)合地基相繼被應(yīng)用在工程建設(shè)領(lǐng)域中，其在深厚軟土地基加固方面具有良好的應(yīng)用效果[1～3]。

2 工程概況

2.1 工程地理情況

本文以晉江市沈海高速機(jī)場(chǎng)連接線工程第二標(biāo)段為研究對(duì)象。該工程位于泉州市晉江市池店鎮(zhèn)和陳埭鎮(zhèn)，路線全長(zhǎng)約3.2km，項(xiàng)目起始樁號(hào)為K2550，終點(diǎn)樁號(hào)為K5720，主要施工內(nèi)容分為包括路基、路面和橋梁在內(nèi)的主體工程以及包括管線在內(nèi)的附屬工程。

2.2 工程地質(zhì)條件

本工程的地理環(huán)境為亞熱帶海洋性環(huán)境，受區(qū)域河流影響，該區(qū)域淤泥厚度較大，地基表層為素填土，包含花崗巖塊石夾砂粒、黏性土等，分布不均勻，鉆孔揭露信息表明素填土最大厚度可達(dá)8m。下有厚度較大且含水量高的淤泥軟土層情況，存在壓縮性強(qiáng)、強(qiáng)度小、流變性大以及靈敏度高等諸多工程難題。場(chǎng)地地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1場(chǎng)地地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.3 地基處理方案的選擇

考慮地基表層為素填土，含有花崗巖塊石，道路等級(jí)高，工后沉降要求高，從施工工藝的適用性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，本項(xiàng)目采用素混凝土樁。

3 素混凝土樁復(fù)合地基工作機(jī)理

素混凝土樁應(yīng)用比較廣泛，通過碎石、粉煤灰、水泥、石屑等加水?dāng)嚢栊纬绅そY(jié)性較強(qiáng)的素混凝土[4]。和碎石樁相比，素混凝土樁最終承受外荷載的能力有顯著提高，通?？蛇_(dá)1倍以上，其影響因素主要為樁體本身的幾何尺寸與上部墊層厚度值。素混凝土樁體的強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，幅度為C5～C20。素混凝土樁的工程特性與散體碎石有所不同，工作時(shí)不必依靠周圍土體的約束力就能傳遞豎向荷載。受豎向荷載時(shí)，素混凝土樁本身的承載能力較強(qiáng)。因此，整體的壓縮變形相對(duì)較小，而減小壓縮層變形，能夠有效防止周圍土體變形過大[5]。采用素混凝土樁能夠提升上部軟弱土層的承載能力，同時(shí)減少地基處理的工作量。素混凝土組合樁復(fù)合地基工作機(jī)理如圖1所示。

圖1復(fù)合地基條件下素混凝土組合樁受力機(jī)理示意圖

4 素混凝土樁施工工藝及特點(diǎn)

4.1 成孔工藝的選擇

現(xiàn)階段，主要有2種不同的素混凝土樁施工方法：（1）進(jìn)行振動(dòng)沉管，而后澆筑混凝土。考慮施工期間擾動(dòng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，宜采取隔行跳打的方式，或是合理控制好樁間距。（2）長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔，清理孔內(nèi)雜物后向其中填入混凝土。此方式在孔深較深且土質(zhì)較好的條件下具有可行性，具備穿過堅(jiān)硬土層的能力，但泥漿需求量較大，泥漿外運(yùn)所需成本有所增加。振動(dòng)沉管灌注成樁適用于普通黏性土、粉土以及素填土地基，但對(duì)于地下水位以上的土層，則需采用長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注成樁，且長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔工藝能減少對(duì)相鄰樁或相鄰房子的側(cè)向擠壓效應(yīng)。本工程地層為含較厚花崗巖石料的素填土層+厚度較深的淤泥土層，因此，本工程設(shè)計(jì)時(shí)，選用長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓施工工藝，以避免產(chǎn)生擠土效應(yīng)，造成對(duì)橋臺(tái)的不利影響。

通過在樁頂設(shè)置級(jí)配碎石砂加筋褥墊層50cm，夾雙層（橋頭處理段落）或單層聚丙烯單向土工格柵（180kN/m），進(jìn)而調(diào)整樁土應(yīng)力比，能夠充分發(fā)揮樁的作用?？紤]應(yīng)力集中和調(diào)整樁土應(yīng)力比的需求，在樁頂設(shè)置鋼筋混凝土樁帽。

4.2 主要施工工藝

4.2.1 施工組織設(shè)計(jì)原則

回旋切土工藝在深厚軟弱土層中更具有適用性，施工成型的素混凝土樁整體質(zhì)量良好[6]。工程實(shí)踐中，應(yīng)按照如下要求有序組織施工：（1）合理選擇樁機(jī)型號(hào)，主要考慮樁徑、樁長(zhǎng)和施工現(xiàn)場(chǎng)地基土的情況；（2）樁位的確定應(yīng)嚴(yán)格遵循圖紙，鉆孔施工遵循先慢后快的原則；（3）按碎石→水泥→砂的順序投料制備混凝土，要求碎石含泥量＜5%，每盤攪拌總時(shí)間至少應(yīng)達(dá)到60s，以保證各材料可充分混合；（4）達(dá)到鉆進(jìn)深度后，應(yīng)及時(shí)清理樁底沉渣，然后澆筑混凝土；（5）在完成混凝土澆筑后，應(yīng)通過量測(cè)，保證樁頂?shù)膶?shí)際標(biāo)高超過設(shè)計(jì)標(biāo)高值0.5m，再進(jìn)行后續(xù)樁施工。

4.2.2 主要施工工藝

主要施工工藝包括以下2項(xiàng)：

1）試樁。在施工開始之前，應(yīng)進(jìn)行成樁工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康臑榇_定施工工法與工藝、整體施工速度以及所需投料具體數(shù)量，確保施工質(zhì)量，同時(shí)研究在復(fù)合地基的條件下，素混凝土樁的作用機(jī)理，驗(yàn)證設(shè)計(jì)文件是否滿足工程承載力要求，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)過程中，通常取樣的試樁不應(yīng)小于4根，試驗(yàn)量測(cè)內(nèi)容包括樁、土以及墊層的應(yīng)力與應(yīng)變值變化過程。當(dāng)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求后，方可展開工作面以進(jìn)行后續(xù)施工。

2）施工流程。施工流程如圖2所示。

圖2施工流程圖

4.3 材料要求

水泥：宜采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。骨料：宜用反破碎施工碎石，粒徑6～20mm，雜質(zhì)含量小于5%。粉煤灰：采用Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)。水電：符合施工用水用電要求。外摻劑:泵送劑?；炷撂涠龋夯旌狭咸涠瓤刂圃?6～20cm。褥墊層材料:碎石砂，其中碎石占70%，直徑2～4cm，砂占30%，含泥量不大于5%；土工格柵材料采用聚丙烯單向土工格柵，180kN/m，伸長(zhǎng)率為5%時(shí)，拉力應(yīng)大于130kN/m。

5 總體方案設(shè)計(jì)

5.1 素混凝土樁復(fù)合地基參數(shù)設(shè)計(jì)

素混凝土樁復(fù)合地基參數(shù)設(shè)計(jì)包括以下幾項(xiàng)：

1）樁長(zhǎng)：復(fù)合地基設(shè)計(jì)流程中，樁長(zhǎng)是首要考慮參數(shù)，具體應(yīng)根據(jù)路基穩(wěn)定性和工后沉降的要求以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件等因素而確定。本工程通過鉆孔取樣的方式分析地質(zhì)情況，在淤泥深度較大的區(qū)域鉆孔，樁基長(zhǎng)度規(guī)定為21.0m，樁端進(jìn)入持力層規(guī)定為0.5m。

2）樁徑：由于在工程設(shè)計(jì)時(shí)采用長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓方法，且考慮施工現(xiàn)場(chǎng)需要采用的鉆孔設(shè)備會(huì)對(duì)樁徑產(chǎn)生較大的制約，因此，根據(jù)長(zhǎng)螺旋鉆管的幾何尺寸，將樁徑長(zhǎng)度規(guī)定為50.0cm。

3）樁距：基于本工程中的巖土工程勘察報(bào)告數(shù)據(jù)，確定布樁形式為正方形，其中樁距規(guī)定為2.0m，樁帽邊長(zhǎng)取為1.5m，據(jù)此計(jì)算得到樁面積置換率為5.0%。

4）褥墊層：在樁頂設(shè)置級(jí)配碎石砂加筋褥墊層，層高為50.0cm，夾雙層（橋頭處理段落）或單層聚丙烯單向土工格柵（180kN/m），從而達(dá)到調(diào)整樁與土之間的應(yīng)力比值的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基作用的最大化利用。通過樁帽對(duì)樁頂進(jìn)行連接，并在樁帽頂部依次設(shè)置30cm碎石和20cm鋼塑格柵增大墊層剛度，以避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致樁頂進(jìn)入的結(jié)果。

5.2 單樁承載力特征值與復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算方法

本次計(jì)算參照J(rèn)TG/T D31-02—2013《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[7]相關(guān)公式進(jìn)行求解計(jì)算，具體詳述如下。

5.2.1 單樁承載力特征值計(jì)算

單樁承載力特征值PPF計(jì)算公式如下：

式中，Sa為樁身周長(zhǎng)，m；fi為按土層劃分的各土層樁周土的極限摩阻力，kPa；la為按土層劃分的各段樁長(zhǎng)，m；fak為樁端土極限承載力，kPa；Ap為樁身截面面積，m2；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取值區(qū)間0.4～0.6。

5.2.2 復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算

復(fù)合地基承載力特征值Pcf計(jì)算公式如下：

式中，Psf為天然地基極限承載力，kPa；β為樁間土承載力折減系數(shù)；m為復(fù)合地基置換率。

綜上，通過對(duì)鉆孔資料的分析可知，填筑土層的樁長(zhǎng)取2.5m；淤泥層施工條件特殊，樁長(zhǎng)取18m，根據(jù)上述公式（1）和公式（2）及具體施工量測(cè)參數(shù)值，計(jì)算可得單樁豎向承載力特征值PPF為604.0kN，復(fù)合地基承載力特征值Pcf為156.4kPa。因此，根據(jù)受力情況，單樁的抗壓承載力與荷載設(shè)計(jì)值之比為2.2，復(fù)合地基承載力與應(yīng)力設(shè)計(jì)值之比為2.2，由相關(guān)規(guī)范可知，均滿足要求。

5.3 沉降量計(jì)算

壓縮變形的計(jì)算方法為單向壓縮分層總和方法。而根據(jù)GB 50007—2016《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，樁間土所存在的壓縮變形對(duì)沉降的進(jìn)一步加重效應(yīng)可忽略不計(jì)。施加豎向荷載的情況下，復(fù)合地基最終所發(fā)生的沉降是由加固位置的沉降量S1與下臥層部分的沉降量S2兩個(gè)數(shù)值的總和[8]。

S1的沉降計(jì)算可選方法較多，包含應(yīng)力修正法、樁身壓縮法等，根據(jù)前述規(guī)范，應(yīng)采用復(fù)合模量法，其計(jì)算更為便捷，能夠?qū)扼w和原地基土視為整體，簡(jiǎn)化了計(jì)算流程，通過計(jì)算后求得復(fù)合壓縮模量，利用該指標(biāo)來表征復(fù)合土體所具備的壓縮性。

1）復(fù)合地基加固區(qū)將發(fā)生的最終變形S1為：

式中，m為樁端下壓縮土層分層數(shù)；Esj，i為樁端下第j層土的第i個(gè)分層的復(fù)合土體壓縮模量，MPa；Δhj，i為第j層的第i分層厚度，m；σj，i為樁端下第j層的第i分層的豎向附加應(yīng)力，kPa；ψp為樁基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

按上述方法展開計(jì)算，可求得S1=45.2mm。

2）下臥層的沉降S2，以前述規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定為準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算后得知該值為171.3mm。

3）地基總沉降。經(jīng)上述計(jì)算后，可知S1=45.2mm，S2=171.3mm，由此可求得總沉降量S=216.5mm＜500mm，可滿足要求。

5.4 荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

在素混凝土樁正式施工28d后，為了驗(yàn)證素混凝土樁在本工程中的應(yīng)用效果，本次試驗(yàn)樁選取雙龍路立交SW匝道上（臨近PHC樁）10根素混凝土樁進(jìn)行荷載能力試驗(yàn)，最大荷載下的沉降為0.67～22.8mm，設(shè)計(jì)荷載對(duì)相應(yīng)的相對(duì)平均值為0.0021，小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出載荷-沉降曲線（見圖3），復(fù)合地基承載力特征值為125kPa，單樁豎向抗壓極限承載力為810kN。從以上特征可以看出，該工程地基處理滿足荷載要求。

圖3載荷-沉降試驗(yàn)曲線

6 結(jié)語

素混凝土樁復(fù)合地基在軟土地基等特殊地質(zhì)條件中具有可行性，地基變形幅度相對(duì)較小，施工較為便捷，綜合應(yīng)用效果良好。本文圍繞素混凝土樁復(fù)合地基的施工工藝展開探討，經(jīng)計(jì)算與分析后認(rèn)為素混凝土樁復(fù)合地基的應(yīng)用效果可滿足工程要求，所提內(nèi)容具有參考價(jià)值。