剛體排水樁的研究

馬鴻春 張宗賢 馬驄 （天津鴻海科技開發有限責任公司 天津300456）

剛體排水樁的研究

馬鴻春 張宗賢 馬驄 （天津鴻海科技開發有限責任公司 天津300456）

簡述了剛體排水樁的概念，分析了其總體結構、材質、制作、運轉、測試、設計等方面的要點，指出其性能和特點，得出剛體排水樁必然要取代現行的自然摩擦樁的結論。

剛體排水樁 摩擦 粘土 地基

1 剛體排水樁概念

剛體排水樁即增力摩擦樁，亦稱功能樁、樁土樁。它的機理不是通過加大樁與土的接觸面積來提高樁的承壓力，而是通過樁自身的排水排氣功能，把樁周土里面的水氣抽出去，增大土的摩擦系數來實現的。這種樁是剛性的，自身不存在剩余變形，它同時又能排水，可以改善樁周土的物理力學性質，故稱剛體排水樁。剛體排水樁也是摩擦樁，因為它能提高樁的自身承載力，故又稱增力摩擦樁。樁體本身具有排水、排氣功能，亦稱功能樁，又因樁周土已固定到樁體上了，與樁成為一體，增大了樁的直徑，因此又稱樁土樁。

2 剛體排水樁的總體結構

剛體排水樁共由5部分組成：①剛體排水樁樁體，它是承重抗滑的主體；②樁體內的垂直與水平排水管，它是施加負壓，排水排氣的通道；③過濾層，它是防止土顆粒外流的隔離層；④加固區，通過排水排氣后，固定在樁體上土顆粒的范圍（見圖1）；⑤透水混凝土塞可以進水,能解除孔隙水壓力的頂托，避免沉樁時樁的反彈。

3 剛體排水樁的構造

樁體溝槽（見圖2）；樁尖；透水砼；排水管出口；樁頂；排水板；排水管口；土工布；排水支管；排水干管；固定卡；密封蓋；進氣管伐門；進氣管；排水管伐門；出水出線管。

4 剛體排水樁的材質

①剛體排水樁的樁體受力大，根據工程要求，可采用鋼筋混凝土、鋼管、鋼板、木材等材料。

②排水管，建議采用鋼管。

③過濾層，可采用各種高強度土工布。

④透水砼塞，可采用各種泡沫混凝土、爐碴混凝土等。

5 剛體排水樁的制作

5.1 鋼筋混凝土預制樁

做好樁的整體模板；預留混凝土溝槽；置入排水管；澆筑混凝土；養生；出膜；在溝槽內置入排水板及土工布，并固定。

5.2 灌注樁的制作

制作環狀排水管；制作土工布袋，套壓在環形排水管道外側；制作特種紙袋，放在環形排水管里側；在地面造孔；將土工布袋及環狀排水管置入孔內；澆筑混凝土。

5.3 鋼管樁的制作

在鋼管樁上造小孔；在鋼管外面包上一層土工布；采用水溶性膠，將土工布牢牢粘在鋼管上。

6 剛體排水樁的運轉

剛體排水樁沉入地下以后，水便從四周快速通過土工布，流入排水管10內，將譖水泵17置入排水管10底部，進行正壓排水。開始水涌進很快，譖水泵10排水也很正常，經過一段時間后，水滲出很慢，譖水泵10等待時間很長，已無法正常運轉了。此時，在排水管10出口安裝一個密封蓋12，從密封蓋12伸出兩個管，進氣管14和出水出線管16，密封蓋12密封嚴格。出水管設有伐門15，進氣管設伐門13。首先將排水管總出口伐15關閉，打開進氣伐門13，對排水管10內施加負壓，亦稱抽真空。排水管10內空間很小，很快出現一個負大氣壓（由特制負壓機完成）。此時，土中的水氣，在水壓力、土壓力、大氣壓力的驅動下，迅速進入排水管10內，并升至排水管10總出口。打開排水管總出口16的開關15，變管內負壓為正壓，再起動潛水泵17，一次性將水抽干。如此水的滲出更慢了，再關閉排水管總出口10開關15，實施負壓排水再抽真空，強行將樁周土中的水、氣排出，再重復上述步驟。當正負壓排水實施后，水滲出很慢時，停止運轉。之后，水還會很慢地滲出，這時，想排水就采用正壓排水，無需再施加負壓（見圖3）。

7 剛體排水樁的測試

對剛體排水樁的設計與施工，在取得經驗之前，必須先做測樁試驗。用上述方法將樁制成、沉樁、運轉、排水排氣后，樁到底是一個什么狀態，由測試來決定：

①至少做3棵樁測試。

②靜壓樁試驗。

③動測樁試驗，并建立動測樁與靜壓載樁數據的相關關系。

④對樁周土進行勘察，進行土的物理力學性質試驗，C、Φ值確定，原位測試，標貫擊數測定，十字板測試，樁頂及樁周土的沉降測試。

⑤測定時間：樁停止運轉20天后進行測試。

⑥對比樁可做3個，按現行設計方法設計制作，做同樣的測試進行數據對比。

⑦在對一個地區已取得相當經驗，樁的承載力已基本成熟的情況下，可用勘察設計數據進行對比，不一定完全做樁對等對比試驗。也可選用最安全、最方便的測試項目，如土的C、Φ單項對比確定。

⑧剛體排水樁與現行摩擦樁的關系確定之后，設計就很方便了。

8 剛體排水樁的設計

剛體排水樁，尚未全面推廣。建議在目前的條件下，剛體排水樁的試驗數據不宜用足，要留余地進一步再認識。比如：承載力測試出高2倍，可采用1.5倍，或由專家自行確定。由于試驗取得了多種數據，可以綜合分析確定。從目前取得的數據分析，剛體排水樁的承載力是驚人的。

9 剛體排水樁的機理

剛體排水樁內部設排水通道，當給樁負壓時，真空度便從樁口向樁下迅速傳遞，達到一定時間后，整個樁內部系統真空度保持一致。此時，真空度向土中傳遞，由近而遠，在土體中形成一個真空場。靠近樁的部位真空度高，遠離樁的部位真空度低。換言之，靠近樁的部位壓力低，遠離樁的部位壓力高。這樣，以樁為中心，在地基土中出現一個壓力場，同時產生壓力梯度，它促使土中的孔隙水和氣體流向低壓區，并進入樁，然后從樁內排出樁外，當水和氣體排出一部分時，土體中出現了空間，此時，上面的土在重力作用下，沉了下來，填補了整個空間，于是土體壓密了。整個過程經過了一段時間，20 d之后，土體達到固結標準，就結束了。

具體說，當剛體排水樁沉下去之后，樁周土中的水很快通過濾水層滲入樁的排水管內，水位在管內迅速上升，此時進行第一階段正壓排水，開動譖水泵，反復排水，直到水滲出很慢，正壓排水很難實施時，關閉排水管出口，施加負壓。負壓一直傳到排水管內很低的水面以上。由于管道內沒有任何介質，負壓傳的很快，且沒有損失，巴斯加原理：在封閉容器內壓力處處相等，這樣負壓源-740 mm汞柱沒有任何損失地傳到每一個空間中。這時在樁周土中，以樁心排水管為中心，形成了一個壓力場。管中心是-740 mm汞柱負壓區，則樁周土中出現一個強大的壓力區，即產生了強大的壓力梯度。在水壓力、土壓力、大氣壓力的聯合驅動下，水便迅速從土中擠出，滲入樁心排水管中，很快充滿排水管，打開關閉的排水管出口，進行正壓排水。此后，正負壓排水循環進行，直到負壓排水趨于穩定時，停止排水。

此時樁周土發生了很大變化，土質壓密了，土的物理力學性質改善了，軟弱土強化了。以真空預壓法加固軟土地基為例，它的壓力場形成的條件，要比剛體排水樁差多了。盡管如此，還是產生了很大的效果。以A1區工程為例，用真空預壓法加固軟土地基的測試數據加以說明（見圖4）。

工程加固面積65×167 m2，井深9.5 m，井距1.3 m，負壓源膜外-740 mm汞柱，膜內-650 mm汞柱，井下3 m為-500 mm汞柱，井下6 m為-350 mm汞柱，井下9 m為200 mm汞柱。抽氣66 d，經大型載荷試驗測定地基容許承載力由原來的6.0 t/m2提高到12.5 t/m2。地下10 m以內，土質平均變化如下：天然含水量w%減少6.40%，天然孔隙比e減少7.86%；土的天然容重r增大2.98%；土的液性指數I減少37.82%；內聚力C提高30.4%；內摩擦角Φ提高82.3%；無側限抗壓強度qu增大130.35%；靜力觸探比貫入阻力增大100%；壓縮模量Es增大41.07%；大型載荷試驗結果（R0.02）=12.5 t/m2，（R0.03）=14.9 t/m2，增大1倍多。地面平均沉降60.3 cm。地基孔隙水壓力試驗結果：5 m深處土的固結度86.1%，10 m深處土的固結度達到31.5%；土的抗剪強度提高1.89倍；土的摩擦系數f提高95.79%。單純負壓的真空預壓法使土的綜合物理力學性質指標產生了如此巨大的提高。當剛體排水樁改變單純負壓排水方法，而采用正負壓快速排水法時，其加固地基土的力度將大大提高，排水排氣時間將大大減少，效果可顯見。

10 剛體排水樁的產生

有的學者認為土的抗剪強度，即土的摩擦系數。土的抗剪強度提高近2倍，那么樁土摩擦系數也隨之提高2倍，顯然樁的承載力也提高近2倍。這是一個非常值得注意的結論。樁周土由于抽真空后改善了土的物理力學性質，提高了土的摩擦系數，即提高了樁的承載力。反之，設計一種樁能使它用抽真空的方法排出樁周土中的水和氣，使樁周土實現人工固結，提高樁土摩擦力，反過來再提高樁自身的承載力已成定論。

于是產生了一種新型樁——剛體排水樁，它是一種功能樁，它是用自身的排水通道排出樁周土中的水和氣，實現土的人工固結，改善土的物理力學性質，提高樁土摩擦力，從而再提高樁自身的承載力的樁。

自從土木建筑中產生樁以來，一直使用自然樁（不論是木樁、鋼樁、鋼筋混凝土樁）與自然土的結合，可稱之為純天然、被動式原理。在承載力不足時，只能通過加大樁長、樁徑尺寸和增加樁的數量的辦法來解決。于是增加了工程量、工期、投資。然而剛體排水樁產生了，它是功能樁，它可以主動地改善樁周圍土的物理力學性質，反過來再提高樁自身的承載力，這真是再理想不過的方法了。尤其是工程竣工后仍可以定期排水排氣，繼續提高土的固結度，繼續提高樁的承載力，因此剛體排水樁的后期承載力更高。

11 剛體排水樁的性能

11.1 剛體排水樁可保持樁內真空度

剛體排水樁內部管道密封連接，無漏氣處，與外界完全隔絕，只有與土層接觸的部分是開放的，故真空度無損失。

11.2 剛體排水樁內的管道是空的，除了空氣無任何介質，沒有阻力

因此真空度傳遞時，可直達底部，而且時間短，速度快，沒有損失，這樣井底真空度自然高。此時井上井下的真空度是一樣的。這樣樁周土的固結時間就大大縮短了，使深層土固結得到同樣的提高。此時井上井下的真空度理論值一樣。

11.3 剛體排水樁加倍提高了土的摩擦系數

真空預壓法測試點距離負壓源排水板92 cm，提高了土的摩擦系數近2倍，這是在地基開放系統中有很大負壓損失時得到的結果。剛體排水樁是封閉系統，它可把負壓源的負壓無損失地送到樁內，再送向土層深處。與砂井比較，真空度可提高一倍。兩個作用加在一起，地基土的摩擦系數將比加固前的摩擦系數提高3～4倍，井下深土層將受益最大。

這樣，剛體排水樁的承載力比自然樁還不止高2倍，應當是3～4倍，這是理論分析。

11.4 靠近剛體排水樁的地基土，摩擦系數提高最大

上述土的摩擦系數的位置，是距砂井92 cm位置的數值。如果距剛體排水樁50 cm、30 cm、10 cm距離的數值，將會越來越大，這樣摩擦系數的提高還不止3～4倍。

假設，壓樁試驗時，這個土的破壞面距樁10 cm，樁直徑是30 cm，此時意味著樁的直徑增大為50 cm。以此為例，原樁周長2π×15 cm，此時的樁周長為 2π×（15+10）=2π×25，此時樁比原樁的周長增大60%。如果破壞面距樁30 cm，剛體排水樁的承載力比自然樁高還不止3～4倍，這是理論分析。

11.5 剛體排水樁的后期承載力更高

因為工程竣工后它仍可以定期排出土中的水、氣，進一步提高土的固結度，從而樁的承載力更高。

11.6 樁周土固結度

真空預壓法井深5 m處，負壓-350 mm汞柱，固結度76.18%；而剛體排水樁的負壓為-740 mm汞柱，估計固結度在90%以上。

11.7 剛體排水樁開發了混凝土材料的利用率

在建筑中摩擦樁的材料性能遠遠沒有發揮出來，主要是因為樁的設計是根據穩定性決定的，導致材料強度使用率過低。當剛體排水樁提高承載力設計時，無需提高材料的強度。

此外，剛體排水樁適用于江、河、湖、海、灘的軟土地基，也適于水下工程應用；具有抗滑防震功能，安全度高；承載力高，可節能減排50%以上；可定點加固深層軟弱土層；采用小直徑群樁，可與地基土組成復合地基；成本低，節省投資50%以上。

12 剛體排水樁的特點

①大規模地基抽真空試驗證實，樁提高自身承載力2倍，節約原材料2倍，減少工期2倍，節約能源2倍，節約投資2倍以上。

②道理清晰，構造簡單，加工方便，全部采用常規技術，打樁方法不變，便于產業化生產。

③施工時，震動小，噪音小，對周圍建筑物無危害，對環境保護好。

④沉樁速度快，無地基孔隙水頂樁現象。

⑤對堤岸塌方及山體滑坡治理有特殊功效。

⑥應用范圍廣，對軟土地基，尤其是軟粘土地基有特殊功效，對工民建、水利、交通、電力等部門均可使用。

13 結語

通過大規模地基抽真空試驗、勘察測試、室內試驗、地基沉降測試、深層沉降測試、孔隙水壓力測試、靜力觸探測試、大型現場載荷試驗，得出結論：由于地基抽真空，地基土的物理、力學性質全面提高。由于土的粘聚力C和內摩擦角φ的提高，導致土的抗剪強度提高，土的摩擦系數提高，從而提高了樁的承載力。

當采用剛體排水樁正負壓快速排水方法時，此時的樁已不再是原來的直徑尺寸了，它的外面包上了一層厚厚的土，土也成了樁體的一部分。如果以后再發生樁的沉降，或者土體剪切破壞時，破壞面就不再是樁的表面了，而是包在樁外面的那一厚層土的沉降面了。可見，此時樁的承載力又增加了。

剛體排水樁有這樣強的功能，它必然要取代現行的自然摩擦樁，尤其是在粘土、軟粘土地基上沉樁，它將是現行摩擦樁的替代產品。■

2012-05-04