預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土攪拌樁在軟土地基處理中的應(yīng)用

王哲

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100081）

天津市武清區(qū)毗鄰北京，地層為近渤海地區(qū)沖積粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、粉砂交互層。地基承載力不足、沉降較大，天然地基一般不能滿足工程建設(shè)的需求，需要進行地基處理。該地區(qū)軟土層較厚，地基處理費用高。當?shù)貎r格低廉、方法可靠、比較成熟的處理方法是采用鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁的復(fù)合地基。預(yù)應(yīng)力管樁［1］是先采用先張法預(yù)應(yīng)力和離心成型工藝，然后經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護而成的一種空心圓筒狀的等截面剛性樁體。鉆孔灌注樁［2-3］是通過機械或者人工進行鉆孔或者用鋼管擠土，放置鋼筋籠，灌注混凝土形成的樁體。

本文以天津市武清區(qū)一項目為研究背景，從工法、工期、成本、承載力方面對比預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔灌注樁的處理效果。詳細介紹預(yù)應(yīng)力管樁及水泥攪拌樁地基處理方法的施工工藝及難點，為工程優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

工程場地位于武清開發(fā)區(qū)，擬建物包括：1座2層框架結(jié)構(gòu)廠房，局部4層，柱下荷載為6 200 kN；1棟框架結(jié)構(gòu)2層生產(chǎn)樓，局部為5層，柱下荷載為4 500 kN，如圖1所示。

根據(jù)本次勘察資料和DB/T 29?191—2009《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》，該場地埋深約35.00 m范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為6層：人工填土層、全新統(tǒng)上組陸相沖積層、全新統(tǒng)中組海相沉積層、全新統(tǒng)下組陸相沖積層、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層、上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層。

圖1 工程場地平面示意

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及DB/T 29?247—2017《天津市巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定，參考文獻［4］并按層位、標高查出地基土承載力特征值fak，見表1。

表1 地基承載力特征值

2 地基處理方案比選

上部結(jié)構(gòu)荷載大，場地內(nèi)溝坑分布范圍較大，承載力低，天然地基淺基礎(chǔ)不能滿足設(shè)計荷載要求，需要進行地基處理。本項目地層中軟土層面積大、厚度深，強夯、振沖、土釘支護、置換、拋石擠淤等常規(guī)的地基處理方法難以實施或效果不佳。樁基礎(chǔ)可用于厚度較大的軟土，處理后強度明顯提高［5-6］，適用于本工程。結(jié)構(gòu)主要承載部位宜采用鉆孔灌注樁或預(yù)應(yīng)力管樁［7-9］，荷載較小、對沉降要求嚴格的室內(nèi)地坪采用水泥土攪拌樁［10］進行地基加固。

埋深約22.0～28.0 m段為上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（粉質(zhì)黏土層）水平方向分布較均勻、穩(wěn)定，壓縮模量為4.6 MPa，實測標貫擊數(shù)為11.1擊，土質(zhì)較好，強度較高，被確定為本工程預(yù)應(yīng)力管樁樁端持力層。

按照規(guī)范和施工經(jīng)驗，對鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁進行極限承載力、造價和工期的比選，結(jié)果見表2。可知：在成本和工期上預(yù)應(yīng)力管樁比鉆孔灌注樁均有較大優(yōu)勢。

表2 地基處理方案比選

此外，鉆孔灌注樁受場地地質(zhì)條件及現(xiàn)場施工人為因素的影響，容易出現(xiàn)縮徑、斷樁、樁身夾泥等質(zhì)量問題；且在施工時對現(xiàn)場條件要求較高，現(xiàn)場需安排的鋼筋堆放及加工區(qū)，施工前期要求的場地降水處理，施工工程中產(chǎn)生的大量余漿須有合理排放區(qū)，都會給整個基礎(chǔ)施工造成極大的不便。

預(yù)應(yīng)力管樁為工廠現(xiàn)代化制作，樁身強度高，混凝土強度等級大于C80，管樁出廠前須經(jīng)過多道嚴格檢查，樁身質(zhì)量有保證；樁身承載力高，抗彎性好。采用了預(yù)應(yīng)力混凝土專用鋼棒、先張法預(yù)應(yīng)力張拉工藝，有較高的抗裂彎矩與極限彎矩。運輸?shù)跹b方便，樁接駁迅速，施工速度快，根據(jù)地質(zhì)起伏能及時調(diào)整配樁長度，有較強的適應(yīng)性。施工現(xiàn)場整潔、文明，沒有污泥、廢水排放等環(huán)境污染問題，符合環(huán)保要求。

因此，預(yù)應(yīng)力管樁施工優(yōu)勢明顯，本次施工結(jié)構(gòu)主要承載部位采取預(yù)應(yīng)力管樁施工。非主要承載部位的室內(nèi)地坪位置采用水泥土攪拌樁進行地基加固。

3 預(yù)應(yīng)力管樁地基處理施工與檢測

3.1 預(yù)應(yīng)力管樁施工

預(yù)應(yīng)力管樁施工［11］主要分為預(yù)應(yīng)力管樁的制作和管樁沉樁2部分。施工流程見圖2。采用錘擊沉樁施工，施工過程中要時刻觀察樁體是否偏斜，接樁前檢查下節(jié)樁樁頂有無損傷，清除樁頂雜物。接樁時上下節(jié)樁段應(yīng)保持順直，錯位偏差不宜大于2 mm。

圖2 預(yù)應(yīng)力管樁施工流程圖

3.2 預(yù)應(yīng)力管樁施工難點控制

沉樁施工會遇到難以預(yù)料的因素，不僅會影響到工期，增加成本，如果處理不當，工程的質(zhì)量也難以保證。主要問題及處理措施如下：

1）超樁和短樁。該現(xiàn)象是樁體超出或達不到設(shè)計標高。施工人員需要嚴格按照設(shè)計的規(guī)定，將貫入度、標高等參數(shù)作為沉樁的依據(jù)，將樁打入到持力層后再收樁。本工程為摩擦端承樁，若發(fā)生超樁或短樁現(xiàn)象應(yīng)以最后貫入度為主，樁長為輔，判斷收錘標準。

2）垂直度不滿足要求。該現(xiàn)象是由于施工過程中對垂直度控制不符合標準引起的，或者是打樁機本身不平穩(wěn)，也可能是沉樁過程中遇到障礙物。為保證垂直度，首先打樁機應(yīng)設(shè)置在堅硬而平整的場地上，保證其平穩(wěn)性，防止其在施工過程中不均勻沉降；其次要保證樁體本身的垂直度。在樁體的運輸和起吊過程中，減少外界的起吊等應(yīng)力對樁身的影響。若由土體內(nèi)部引起則要清理淤泥土回填4 m磚渣，然后才能進行錘擊施工作業(yè)。

3）預(yù)應(yīng)力管樁如需截樁時，嚴禁使用大錘硬砸，應(yīng)采用混凝土切割器進行截樁。

4）地面明顯隆起、鄰樁上浮或位移過大時要停止該位置沉樁施工，分析原因，調(diào)整打樁次序。

3.3 預(yù)應(yīng)力管樁檢測

3.3.1 單樁豎向承壓靜載試驗

本工程共完成13根試樁單樁豎向承壓靜載試驗，試驗共分10級加荷，每級加荷值為最終加荷的1/10，第1級為加荷分級的2倍。試驗全過程正常。

根據(jù)承壓靜載試驗數(shù)據(jù)，當試驗最大加載至2 050 kN時，13根預(yù)應(yīng)力管樁試樁的樁頂沉降為8.59～11.61 mm，試驗均未達到極限破壞狀態(tài)，13根預(yù)應(yīng)力管樁的單樁豎向抗壓極限承載力標準值均不小于2 050 kN。表3為其中10根樁的試驗結(jié)果。

表3 單樁豎向承壓靜載試驗結(jié)果

3.3.2 高應(yīng)變動力檢測

本工程高應(yīng)變動力檢測共完成12根樁。12根預(yù)應(yīng)力管樁的單樁承載力為2 081～2 169 kN，平均值2 122 kN，12根樁的樁身完整性均100%，承載力均符合標準。該施工方法滿足樁身完整性和承載力要求。表4為其中10根樁的檢測結(jié)果。

表4 高應(yīng)變動力檢測結(jié)果

3.3.3 基樁低應(yīng)變動力檢測

本工程基樁低應(yīng)變動力檢測是在開挖后的基坑底面進行的，共完成117根樁，實測數(shù)據(jù)真實可靠，工程質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

4 水泥土攪拌樁地基處理施工與檢測

本場地內(nèi)人工填土厚度較大，且原為魚池、溝坑填墊而成的部分雜填土成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)性差，若不加以處理，后期沉降可能較大，須對擬建物室內(nèi)地坪進行地基處理。考慮成本和施工效果采用水泥土攪拌樁進行地基加固［12］。

4.1 水泥土攪拌樁施工工藝（圖3）

圖3 水泥攪拌樁施工工藝

4.2 水泥攪拌樁施工難點控制

1）停漿處理。攪拌提升時，必須保證供漿連續(xù)，一旦因故停漿，必須立即通知前臺操作員。為防止斷樁和缺漿，應(yīng)將攪拌頭下沉至停點以下0.5 m，待恢復(fù)供漿時再噴漿提升。

2）樁底及樁頭處理。當漿液達到出漿口時，樁底噴漿應(yīng)不小于30 s，使?jié){液完全到達樁端。攪拌提升至設(shè)計樁頂標高時，應(yīng)停止提升，攪拌數(shù)秒，以保證樁頭均勻密實。

3）樁身強度和均勻性質(zhì)量控制。水泥流量、注漿壓力采用人工控制，嚴格控制每個攪拌桶的水泥用量及液面高度。用水量采取總量控制，并用比重儀隨時檢查水泥漿的相對密度。土體應(yīng)充分攪拌，嚴格控制鉆孔下沉、提升速度，使原狀土充分破碎，有利于水泥漿與土均勻拌和。水泥漿液應(yīng)嚴格按預(yù)定配合比制作。為防止灰漿離析，放漿前必須充分攪拌。

4.3 水泥攪拌樁檢測

4.3.1 單樁豎向承壓靜載試驗

本工程共完成29根水泥攪拌樁的單樁豎向承壓靜載試驗，試驗共分10級加荷，每級加荷值為最終加荷的1/10，第一級為加荷分級的2倍。根據(jù)承壓靜載試驗數(shù)據(jù)，當試驗最大加載至180 kN時29根試樁的樁頂沉降為4.85～10.13 mm，試驗均未達到極限破壞狀態(tài)。29根試樁的單樁豎向抗壓極限承載力標準值均不小于180 kN。表5為其中10根樁的試驗結(jié)果。

表5 單樁豎向承壓靜載試驗結(jié)果

4.3.2 復(fù)合地基靜載試驗

工程共完成29個點的復(fù)合地基靜載試驗，試驗共分10級加荷，每級加荷值為最終加荷的1/10（即20 kPa），第一級為加荷分級的2倍（即40 kPa）。根據(jù)復(fù)合地基靜載試驗數(shù)據(jù)，當試驗最大加載至200 kPa時29個試驗點的沉降量為6.63～11.39 mm，試驗均未達到極限破壞狀態(tài)。29個試驗點的復(fù)合地基極限承載力標準值均不小于200 kPa，滿足規(guī)范要求。表6為其中10根樁的試驗結(jié)果。

表6 復(fù)合地基靜載試驗結(jié)果

4.3.3 抽芯檢測

依據(jù)DB 29?20—2000《天津市巖土工程技術(shù)規(guī)范》及JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》有關(guān)試驗要點進行抽芯檢測。所檢測的29根樁樁身水泥土均呈灰色，短柱狀、柱狀，堅硬或硬或較硬，灰量正常或較多，攪拌均勻或基本均勻。樁長均達到設(shè)計要求。

4.3.4 輕便觸探檢測

對57個根水泥攪拌樁進行輕便觸探試驗（N10）。檢測結(jié)果表明：57根水泥攪拌樁最小值29擊，最大值118擊，淺部較硬。

5 結(jié)語

天津市武清區(qū)地層中軟土厚度大，具有變形大、承載力低的特點，工程建設(shè)需要進行地基處理。該區(qū)常見的地基處理方法包括鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁。通過對武清區(qū)一建筑工程地基處理方案進行比較分析，本著低成本、高效、滿足承載力要求原則，本項目主要承載部位采取預(yù)應(yīng)力管樁，非主要承載力部位（室內(nèi)地坪）采用水泥土攪拌樁進行地基加固。

經(jīng)過精心施工，科學(xué)處理施工重點和難點，避免施工中可能出現(xiàn)的問題，完成的預(yù)應(yīng)力管樁和水泥土攪拌樁全部通過各項檢測。本工程案例可供該地區(qū)類似工程參考。