剛-柔性長短樁復(fù)合地基在軟基處理中的應(yīng)用分析

張芳芳，張 丹

(1.安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

1 概述

淮河流域中下游平原地區(qū)地層大多為河湖相沉積，以淤泥和淤泥質(zhì)壤土為代表的軟土廣泛分布。此類土體主要的工程特性是含水量高、孔隙比大、壓縮模量高、強(qiáng)度低及觸變性、流變性等。因此，軟土地基的強(qiáng)度和變形問題是制約工程安全最為關(guān)鍵和重要的因素[1]。

針對此類軟土地基，常規(guī)的換填墊層法、強(qiáng)力夯實法在施工工藝、處理深度等方面無法滿足要求，水利工程常用的處理方式包括樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基兩大類。其中，樁基礎(chǔ)主要有鉆孔灌注樁、混凝土預(yù)制樁等，該方式對提高地基承載力、約束沉降變形效果較好，但工程造價較高。復(fù)合地基主要有水泥土攪拌樁復(fù)合地基、CFG樁復(fù)合地基、振碎石樁復(fù)合地基等，此類單一復(fù)合地基處理方式在地基承載力增加幅度、加固深度等方面往往受限[2]。剛-柔性長短樁復(fù)合地基綜合了以上處理方式的優(yōu)點，柔性短樁增強(qiáng)淺層地基、協(xié)調(diào)平面變形，剛性長樁全深度加固土體并控制豎向沉降變形，充分發(fā)揮樁間土體的承載能力，滿足了建筑物對地基強(qiáng)度、變形控制等方面的要求[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)、施工工藝的進(jìn)步，剛-柔性長短樁復(fù)合地基近年開始在國內(nèi)應(yīng)用。楊軍龍等[4]研究了長短樁復(fù)合地基的作用機(jī)理和沉降規(guī)律，提出了兩種不同模式對應(yīng)的沉降計算方法；匡成華[5]等針對深厚軟土地基，提出了剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基，探討了其加固模式及處理效果；葛忻聲、龔曉南[6]等圍繞某商住樓鋼筋混凝土樁與水泥土攪拌樁相結(jié)合的復(fù)合地基探討了長短樁復(fù)合地基穩(wěn)定和沉降計算方法。復(fù)合地基樁土間相互作用、沉降規(guī)律本身是較為復(fù)雜的課題，目前仍在進(jìn)一步發(fā)展和探索中[7]。本文以淤泥質(zhì)土基上陳郢站工程為例，提出了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與水泥土攪拌樁相結(jié)合的剛-柔性長短樁復(fù)合地基處理措施，并通過合理的承載力驗算、沉降計算論證了其處理效果有效、可靠，可為類似工程的基礎(chǔ)處理提供參考依據(jù)。

2 剛-柔性長短樁復(fù)合地基基本原理

2.1 作用機(jī)理

剛-柔性長短樁復(fù)合地基是指以剛性長樁和柔性短樁共同作為豎向增強(qiáng)體的復(fù)合地基[8]，如圖1所示。此類復(fù)合地基較好地融合了樁基減沉和單一復(fù)合地基提高承載力的優(yōu)點，剛性長樁深入低壓縮性的持力層，通過樁身將基底應(yīng)力傳至持力層，達(dá)到減沉效果[9]；柔性短樁有效加固淺層軟土，同時協(xié)調(diào)樁間土體的側(cè)向變形，提高基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性[10]。剛-柔性長短樁結(jié)合運用，發(fā)揮各自的工程優(yōu)勢，增強(qiáng)土體強(qiáng)度，控制沉降變形，并較大程度地降低了工程造價，不矢為一項技術(shù)可行、可靠經(jīng)濟(jì)的處理措施。

圖1 剛-柔性長短樁復(fù)合地基示意圖

2.2 復(fù)合地基承載力驗算

根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，具有粘結(jié)強(qiáng)度的剛-柔性長短樁復(fù)合地基承載力特征值按下式(1)計算[11]。

(1)

式中，m1、m2—分別為剛性樁、柔性樁的面積置換率；λ1、λ2—分別為剛性樁、柔性樁的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，據(jù)工程經(jīng)驗取值；Ra1、Ra2—分別為剛性樁、柔性樁的單樁承載力特征值，kN；Ap1、Ap2—分別為剛性樁、柔性樁的截面面積，m2；β—樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，結(jié)合經(jīng)驗取值0.95；fsk—處理后復(fù)合地基樁間土承載力特征值，kPa；單樁承載力特征值設(shè)計時根據(jù)樁周土側(cè)阻力特征值與樁端端阻力特征值計算所得，同時不應(yīng)小于由樁身材料確定的抗壓強(qiáng)度[12-13]。

2.3 復(fù)合地基沉降計算

剛-柔性長短樁復(fù)合地基沉降(s)應(yīng)由墊層壓縮量、加固區(qū)壓縮量(s1)和下臥土層壓縮量(s2)組成，復(fù)合地基分區(qū)參見示意圖1。通常墊層壓縮量很小，且在實際施工過程已基本完成，可忽略不計；加固區(qū)壓縮變形量(s1)由長、短樁共同加固范圍內(nèi)復(fù)合土層壓縮量和短樁以下只有長樁部分復(fù)合土層壓縮量組成[14]。因此，剛-柔性長短樁復(fù)合地基沉降宜按下式(2)計算：

s=s1+s2

(2)

目前，復(fù)合地基沉降變形理論研究并不完善，其關(guān)鍵在于加固區(qū)復(fù)合地基模量的確定，工程實踐中較為認(rèn)可的有等效地基和加權(quán)模量兩種方法。

(1)等效地基法

將剛?cè)嵝蚤L短樁復(fù)合地基等效為天然地基，考慮樁土作用關(guān)系及模量相關(guān)性，長短樁復(fù)合加固區(qū)、僅長樁加固區(qū)壓縮模量提高系數(shù)分別按下式(3)、(4)計算[15]：

(3)

(4)

式中，fspk、fspk1—分別為長短樁共同加固區(qū)和只有長樁加固區(qū)的復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fak—基礎(chǔ)底面以下天然地基地基承載力特征值，kPa；ξ1、ξ2—分別為長短樁共同加固區(qū)和只有長樁加固區(qū)的復(fù)合地基壓縮模量提高系數(shù)；

(2)加權(quán)模量法

假定復(fù)合地基中樁土作用時變形協(xié)調(diào)，根據(jù)長短樁面積置換率確定各加固區(qū)復(fù)合模量。

長短樁共同加固區(qū)復(fù)合模量：Esp1=m1Ep1+m2Ep2+(1-m1-m2)Es

只有長樁加固區(qū)復(fù)合模量：Esp2=m1Ep1+(1-m1)Es

式中，Ep1、Ep2、Es分別為長樁、短樁和樁間土的壓縮模量。

加權(quán)模量法是根據(jù)樁體材料壓縮模量結(jié)合置換率得到的復(fù)合模量，比較適用于柔性樁，但不能準(zhǔn)確反映剛-柔性長短樁的作用情況。工程實踐中，剛-柔性長短樁復(fù)合地基中剛性樁體對褥墊層及加固區(qū)下臥層均存在一定的刺入效應(yīng)，樁體的壓縮模量應(yīng)由樁體材料和土體壓縮模量共同決定[16]。

相比較而言，等效地基法能更為準(zhǔn)確地表達(dá)樁土之間的作用關(guān)系，更接近實際情況。

3 工程實例

3.1 工程概況

本次擬定新建陳郢排澇站位于蚌埠市中環(huán)線西側(cè)約410m，淮河堤壩附近新挖的排澇溝上。該站主要功能為抽排、自排，設(shè)計抽排流量54.40m3/s，自排流量62.40m3/s，總裝機(jī)6000kW，其主要建筑物級別為2級。泵站采用正向進(jìn)、出水，主要建筑物包括排澇引渠、進(jìn)水閘、前池、泵房、排澇出水涵等。

文章選取陳郢站站身為例，對其地基處理進(jìn)行深入分析。陳郢站站身采用堤后干室型布置方式，為整體式筏式基礎(chǔ)。泵房內(nèi)布置6臺1600ZLB-70立式軸流泵，其中3臺機(jī)組一聯(lián)，站身順?biāo)飨蜷L度為28.7m，垂直水流方向(含安裝間)總寬49.82m。

3.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘探及室內(nèi)試驗成果，站身建基面高程(1985國家基準(zhǔn)高程，下同)為8.90m，其下地層分布如圖2所示，圖中高程單位為m，其余單位均為mm。相應(yīng)地，各土層主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 站址處建基面以下地層分布及參數(shù)特性表

圖2 站身處地質(zhì)縱剖面圖

③層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，軟塑為主，屬高壓縮性，強(qiáng)度低、沉降變形大；④層重粉質(zhì)壤土強(qiáng)度尚可，硬可塑，屬中層壓縮性；④1層中粉質(zhì)壤土強(qiáng)度較低，軟塑～軟可塑，屬中等偏高壓縮性，對建筑物沉降不利；⑤層粉細(xì)砂，⑥1層混合花崗巖強(qiáng)度均較高，宜作樁基礎(chǔ)樁端持力層。

3.3 剛-柔性長短樁復(fù)合地基加固方案

陳郢站站身座落于③層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土上，該層土屬高壓縮性，地基承載力僅為70kPa，天然地基無法滿足站身穩(wěn)定要求。③層與下部④1層中粉質(zhì)壤土相對軟土層間隔約3.4m厚的④層重粉質(zhì)壤土，為典型的多層軟土地基。結(jié)合以往的工程經(jīng)驗，選用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與水泥土攪拌樁相結(jié)合的剛-柔性長短樁復(fù)合地基處理措施，樁頂設(shè)0.5m厚的塑性砼褥墊層。具體布置型式為：

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁徑0.4m，樁距2.4m×2.4m，樁底伸入⑤層粉細(xì)砂不小于1.5m，平均樁長18.8m；水泥土攪拌樁，樁徑0.5m，樁距1.2m×1.2m，樁底伸入④層重粉質(zhì)壤土不小于1.0m，平均樁長4.7m。預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土攪拌樁平面上均呈矩形排列，管樁與攪拌樁總體上間隔布置，保證每根管樁四邊都被攪拌樁包圍，充分約束軟土的側(cè)向變形。另外，沿建筑物外輪廓線設(shè)置雙排水泥土攪拌樁墻，其內(nèi)布置攪拌樁格構(gòu)墻，增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性。站身基礎(chǔ)樁位布置縱剖面及平面圖如圖3—4所示，圖中高程單位為m，其余單位均為mm。

圖3 剛-柔性長短樁復(fù)合地基縱剖面圖

圖4 剛-柔性長短樁復(fù)合地基平面布置圖

3.4 復(fù)合地基承載力驗算

泵房內(nèi)共布置6臺機(jī)組，其中3臺機(jī)組一聯(lián)，本節(jié)選取站身單塊結(jié)構(gòu)作為計算模型，平面尺寸為28.7m(順?biāo)飨?×21.9m(垂直水流向)。根據(jù)GB 50265—2022《泵站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》7.3.9條款[17]，結(jié)合其結(jié)構(gòu)布置及受力情況計算得陳郢站站身平均基底應(yīng)力為129.5kPa，最大基底應(yīng)力為150.5kPa。

根據(jù)2.2節(jié)多樁型復(fù)合地基承載力計算方法，得出陳郢站站身采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與水泥土攪拌樁加固后，復(fù)合地基承載力為217.9kPa，具體成果見表2。即站身基底平均應(yīng)力小于復(fù)合地基允許承載力，且基底應(yīng)力最大值小于復(fù)合地基允許承載力的1.2倍，此加固方式大幅提高了軟土地基承載力，滿足地基強(qiáng)度要求。

表2 站身復(fù)合地基承載力驗算

3.5 復(fù)合地基沉降計算

結(jié)合上節(jié)對兩種沉降計算理論的分析，等效地基法更能準(zhǔn)確反應(yīng)樁土之間的相互作用關(guān)系，本文選用等效地基法對陳郢站站身進(jìn)行沉降分析，根據(jù)基礎(chǔ)加固前后地基承載力的提高程度確定復(fù)合地基土體的壓縮模量，計算得出各區(qū)域沉降值，成果見表3。

表3 站身復(fù)合地基沉降計算

基礎(chǔ)加固處理前，軟土地基上站身總沉降值為319.3mm，基礎(chǔ)變形量大，主體結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂縫甚至結(jié)構(gòu)破壞。采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與水泥土攪拌樁相結(jié)合的剛-柔性長短樁復(fù)合地基處理后，站身沉降量減小為80.7mm；同理，計算得出泵站其他部位沉降量為40.6mm～69.2mm。管樁將上部荷載傳遞至⑤層粉細(xì)砂持力層，有效控制了壓縮變形，總沉降量大幅降低，滿足泵站主要建筑物沉降量小于150mm、相鄰部位沉降差不大于50mm的規(guī)范要求。同時，柔性水泥土攪拌樁協(xié)調(diào)基礎(chǔ)的平面變形，增強(qiáng)建筑物的整體穩(wěn)定性。

3.6 復(fù)合地基施工工藝

建筑物基礎(chǔ)底板與樁體頂部之間鋪設(shè)0.5m厚的塑性砼褥墊層，水泥攪拌樁樁頂高程與褥墊層底面平齊，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁頂伸入褥墊層內(nèi)0.3m。為減小剛性樁的擠土效應(yīng)，具體實施時場地平整后，應(yīng)先施工預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，后澆筑水泥土攪拌樁；樁體實施完工，基坑開挖過程中應(yīng)注意保護(hù)樁體不受損壞，基坑開挖后及時鋪設(shè)褥墊層。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的制作、運輸、施工應(yīng)參照《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》等執(zhí)行，打樁順序應(yīng)由中間向兩方向或四周對稱施打，并由毗鄰建筑物一側(cè)向另一方向施打。沉樁宜采用靜壓法，每根樁應(yīng)一次性連續(xù)壓到底，接樁、送樁應(yīng)連續(xù)。預(yù)制管樁內(nèi)回填砂料、樁頭0.5m深度范圍內(nèi)采用C25混凝土封堵，澆筑填芯砼前應(yīng)將管壁浮漿清除干凈，并涂刷界面劑。

水泥土攪拌樁施工應(yīng)參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》等執(zhí)行，可采用二攪二噴施工工藝，即按樁機(jī)定位、切土下沉、提升攪拌、切土下沉、二次提升攪拌的流程實施。攪拌頭翼片的枚數(shù)、寬度與攪拌軸的夾角、提升速度等相匹配，以保證土體加固范圍任一點至少攪拌20次。?；颐鎽?yīng)高于設(shè)計樁頂高程0.3m～0.5m，開挖時可將頂端澆筑質(zhì)量較差的樁段挖除。攪拌樁的垂直度偏差不得超過1%，樁位偏差不得大于150mm[18]。

塑性混凝土褥墊層鋪設(shè)范圍一般超出建筑物外輪廓線邊緣1.0m，褥墊層設(shè)計壓實度不小于0.95。

4 結(jié)語

(1)對于平原地區(qū)河湖相沉積的軟土地基，水利工程中單一的復(fù)合地基處理方式處理深度和效果較為局限。本文提出了剛-柔性長短樁復(fù)合地基處理措施，兩種樁型結(jié)合運用，共同增強(qiáng)土體強(qiáng)度，控制沉降，提高基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)可靠。

(2)以陳郢站為例，文章采用多樁型復(fù)合地基理論及等效地基法分別計算了剛-柔性長短樁復(fù)合地基承載力及沉降變形，驗證了柔性短樁增強(qiáng)淺層地基、控制側(cè)向變形，剛性長樁全深度加固土體并控制沉降變形。以上措施為類似軟基上泵站、水閘等建筑物的基礎(chǔ)處理提供借鑒[19]。

(3)文章所舉實例陳郢站工程地基處理方案已經(jīng)審批同意，后期項目實施或投入運用后，應(yīng)注意收集復(fù)合地基壓板檢測數(shù)據(jù)及沉降觀測資料，進(jìn)一步佐證理論計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。