勁性復合樁在沿海軟土地區(qū)的應用實例

鄭思光 馮士廣 紀燕祥 何若梅

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊 唐山 063000)

本次勁性復合樁施工場地位于曹妃甸地區(qū)，以軟弱的粉質(zhì)粘土為主，地表以沖填土為主。以往地基處理方法以長螺旋鉆孔壓灌注樁(CFG樁)、預應力管樁、鉆孔灌注樁為主。

CFG樁由于當前設(shè)備所限(最大樁長25 m左右，樁徑500～600 mm)，單樁承載力有限；預應力管樁軟土地基施工常出現(xiàn)擠土效應，遇密實砂土層沉樁困難；鉆孔灌注樁施工程序復雜、施工質(zhì)量難控且產(chǎn)生大量泥漿造成環(huán)境污染。

勁性復合樁通過散體、柔性、剛性樁與場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的巧妙結(jié)合，較好的解決了以上問題。勁性復合樁單樁承載力提高2～3倍，比傳統(tǒng)樁型可節(jié)省費用20%～30%，無泥漿排放，節(jié)能環(huán)保。

1 概述

在巖土工程的實際應用中，單一樁型有一定的局限性。砂石樁等散體材料樁對軟弱地基處理后承載力提高幅度不大；水泥土類樁的樁身強度受土質(zhì)、施工工藝影響較大；在軟土中采用振動沉管灌注樁施工時，由于振動和擠土效應易造成縮徑和斷樁現(xiàn)象；預應力管樁在軟土中單樁承載力較低，且需進入密實土層，樁身材料得不到充分發(fā)揮。20世紀90年代初至今，全國各地逐步發(fā)展了剛性樁、柔性樁、散體樁相互復合的樁型，并應用于實際工程。

勁性復合樁是將常用的散體材料樁、柔性水泥土類樁、剛性混凝土類樁三種單一樁型相互組合，后一種樁型在前一種樁體上進行再次施工，形成互補增強的進行勁性復合樁型。可分為散體樁與柔性樁組合成的散柔勁性復合樁、散體樁與剛性樁組合成的散剛勁性復合樁、柔性樁與剛性樁組合成的柔剛勁性復合樁、散柔勁性復合樁和剛性樁組合成的三元勁性復合樁。其中，在散體樁、柔性樁或散柔勁性復合樁樁體上再進行剛性樁施工后形成的樁又稱為勁芯勁性復合樁。勁芯勁性復合樁由內(nèi)芯和外芯兩部分組成，根據(jù)內(nèi)芯的長度可又分為長芯、等芯和短芯等。

勁性復合樁適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、粉砂以及人工填土等地基。因此，勁性復合樁對于土體松散，以粘性土與砂類土為主的沿海地區(qū)，是一個更好地選擇。以下案例是勁性復合樁中短芯樁在沿海軟土地區(qū)的應用實例。

2 勁性復合樁項目—愛芭家具生產(chǎn)基地

2.1 工程概況

工程場地位于唐山市曹妃甸區(qū)中日合作園區(qū)，工程場地所屬地貌單元為濱海平原，表層土為淺海吹填造地形成。

2.2 工程地質(zhì)條件

工程場地各工程地質(zhì)層特征見表1。

表1 地基土工程地質(zhì)分層及特征

工程場地各土層樁基參數(shù)見表2。

2.3 勁性復合樁設(shè)計

勁性復合樁技術(shù)(粉噴樁樁長15.0 m，內(nèi)插預應力管樁PHC400AB-95-13)，樁頂相對標高-2.00 m。

(1)勁性復合樁樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時，按公式單樁承載力計算如下：(預應力管樁PHC400AB95-13)

=0.4×3.14×1500×0.05×13+2500×(0.22-0.1052) ×3.14

=1452 kN﹥1200 kN

式中：Ra—勁性復合樁單樁豎向抗壓承載力特征值(kN)；

uc—勁性復合樁內(nèi)芯樁身周長(m)；

lc—勁性復合樁復合段長度(m)；

(2)勁性復合樁樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時，按公式單樁承載力(Ra)計算如下(粉噴樁徑900 mm，有效樁長15 m)：

Ra=u∑ξsiqsiali+aξpqpaAp

=0.9×3.14×(2.74×13×1.5+0.95×20×1.7+5.76×15×2+3.55×20×1.7+0.84×20+1.03×25+0.13×20)+0.452×3.14×100×0.8

=1250 kN﹥1200 kN

式中：u —勁性復合樁樁身周長(m)；

li—勁性復合樁復合段第i土層厚度(m)；

Ap—勁性復合樁樁身截面積()，對散剛勁性復合樁應取剛性樁樁身截面積；對柔剛勁性復合樁和三元復合樁，當剛性樁樁長大于柔性樁或散柔復合樁樁長時，應當取剛性樁樁身截面積；

表2 各土層樁基參數(shù)

qsia—勁性復合樁復合段外芯第i土層側(cè)阻力特征值(kPa)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取值。無經(jīng)驗時，可按表1取值；

qpa—勁性復合樁端阻力特征值(kPa)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取值。也可取樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值；

a —勁性復合樁樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，對柔剛復合樁可取0.70～0.90，對三元勁性復合樁可取0.80～1.00；

ξsi、ξp—分別為勁性復合樁復合段外芯第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)驗取值。無經(jīng)驗時，可按表1取值；非復合段側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)、端阻力調(diào)整系數(shù)均取1.0。

本實例為將管樁壓入粉噴樁中大幅度提高了管樁的承載力，并使管樁的壓入更加容易和方便。

2.4 經(jīng)濟分析

原設(shè)計采用預應力混凝管樁PHC-500A-125-16.5，共440根，單樁承載力特征值550 kN，工程造價130.7萬元，經(jīng)使用勁性復合樁技術(shù)(粉噴樁樁長15.0 m，內(nèi)插PHC400AB95-13)，220根，單樁承載力特征值1200 kN，工程造價108.5萬元，節(jié)省費用20%以上。

2.5 試樁及載荷試驗結(jié)果

在該場地進行了兩顆大直徑勁性復合樁試驗：試樁1外樁,采用直徑1200 mm，長24 m粉噴樁內(nèi)插22 m直徑500 mm預應力管樁；試樁2采用直徑1200 mm，長24 m粉噴樁內(nèi)插22 m直徑500 mm預應力管樁。試1、試2樁在最大荷載6000 kN時，樁累計沉降量分別為22.54 mm、37.50 mm。試1、試2樁的單樁豎向抗壓承載力特征值均達到3000 kN，滿足設(shè)計要求。

上述試驗實現(xiàn)了沿海軟弱粘性土地區(qū)勁性復合樁單樁承載力特征值3000 kN,的突破，最大樁長不足25 m，而預制樁、灌注樁要想達到如此高承載力樁長要達50 m以上，施工難度和費用會大大增加。

3 作用機理分析

管樁的壓入會擠密水泥土體和樁周土體及樁端水泥土體，實測800 mm的水泥土樁在400 mm 的勁芯壓入后直徑增大到860～870 mm，此樁周土體與水泥土體的界面粗糙緊密，黏結(jié)力較高，大幅度提高了樁身側(cè)摩阻力(高于一般水泥土樁的7倍以上，也高于樁身平滑的管樁和方樁3倍)。干法水泥土體在受到勁芯擠密時會擠擴樁周土體，而濕噴漿體的擠擴效果較差。

由于管樁與水泥土體黏結(jié)強度高，且當水泥土的無側(cè)限抗壓強度達到1.5 MPa以上時，其抗剪強度高達0.3 MPa，同時外芯水泥土也承擔一定比例的荷載，內(nèi)外芯之間不會發(fā)生相對移動。在上部荷載作用下管樁會將荷載迅速傳遞到樁外芯和樁周土體，由于樁端下有較高強度的水泥土體，其端阻力也遠遠高于天然土體，同時提高了樁側(cè)阻力，使管樁處于水泥土體的握裹側(cè)限之中，其壓屈條件較好，樁身抗壓強度、抗水平力、抗拔力以及抗彎抗剪性能均大幅度提高,可用于高層建筑及深基坑支護工程。

由于水泥土樁體積較大，造價低廉，其產(chǎn)生的較強黏結(jié)強度和側(cè)摩阻力以及對勁芯的握裹作用，管樁水泥土復合樁及其它鋼筋混凝土勁芯復合樁也具有較高的抗拔承載力。

4 結(jié)論

本項目是在現(xiàn)有軟基處理方法和樁基工程理論與實踐的基礎(chǔ)上進行的一次創(chuàng)新，改變了現(xiàn)有樁型的概念，它綜合了單一樁型的優(yōu)點，能根據(jù)土質(zhì)情況、上部結(jié)構(gòu)要求、加固目的，有針對性、靈活地采取多種組合方式，調(diào)整各種樁的樁徑、樁長、摻灰量、強度、顆粒級別、攪拌和復打次數(shù)等，使組合充分發(fā)揮出樁周軟土摩阻力和樁底阻力又匹配材料強度而產(chǎn)生的足夠高的單樁承載力，且能顯著提高樁間土體強度和對承載的參與度，多種介質(zhì)協(xié)調(diào)匹配，剛?cè)嵯酀嗷パa強，共同提高。還能有效地提高沿海地區(qū)軟基強度及穩(wěn)定性，快速降低地基壓縮性，并保證整個地基的均勻性，滿足設(shè)計要求。

勁性復合樁技術(shù)是在現(xiàn)有軟基處理方法和樁基工程理論與實踐的基礎(chǔ)上進行的一次創(chuàng)新，改變了現(xiàn)有樁型的概念，它綜合了單一樁型的優(yōu)點，能根據(jù)土質(zhì)情況、上部結(jié)構(gòu)要求、加固目的有針對性的、靈活地采取多種組合方式。

勁性復合樁單樁承載力提高2～3倍，比傳統(tǒng)樁型可節(jié)省費用20%～30%，無泥漿排放，節(jié)能環(huán)保。工期短，施工簡便。還可以節(jié)約資源、保護環(huán)境，應用前景廣闊。

[1]建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[2]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79—2012)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3]張雁,劉金波.主編.樁基手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]混凝土芯水泥土勁性復合樁復合地基技術(shù)規(guī)程(DB13(J)50—2005).中國建材工業(yè)出版社,2005.

[4]勁性復合樁技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 327—2014)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

[5]愛芭家具生產(chǎn)基地項目巖土工程勘察報告[R],2016.