樁網復合地基在深厚軟土地基處理中的應用

曾華健，李 軍，劉慧芬

（1、江蘇省巖土工程公司 南京210000；2、佛山科學技術學院交通與土木建筑學院 廣東佛山528225）

0 引言

隨著物流行業的迅速發展，物流倉庫也逐漸增多，對倉庫地坪承載力和沉降的要求越來越高，部分傳統的地基加固［1-3］方式難以在技術和造價上同時兼顧滿足大面積物流倉庫地基加固的要求。樁網復合地基是一種處理軟土地基的新思路，樁網復合地基最早應用于減少鐵路和公路路堤堆填后的路基沉降［4-6］，該體系將作為豎直向增強體的樁體與作為水平向增強體的土工網共同配合，使得樁、網、土三者協同分擔地坪荷載。在滿足相同的復合地基承載力的條件下，通過配合使用局部清淤、強夯置換、真空固結排水等方法，樁網復合地基與水泥土攪拌樁相比可在天然地基上布置成疏樁，以此減少用樁數量，進而可降低相當幅度的建設成本。大面積地坪差異沉降對于部分現代化制造車間的正常使用造成了影響，而由于樁網復合地基可更好地將填土荷載于樁頂與樁間土之間分布，相對于傳統加固方法更有利于防止室內地坪的差異沉降，減少地基工后沉降。

鑒于此，本文以浙江湖州某物流倉庫地基處理工程為例，探討采用樁網復合地基處理大面積深厚軟土地基物流倉庫的可行性，為類似工程提供一個參考。

1 樁網復合地基加固機理

樁網復合地基是由加固樁、樁帽組成的豎向增強體和由加筋墊層組成的水平向增強體三者所共同構成，其中樁和加筋墊層是核心部分［7，8］。加固樁可采用CFG 樁、預制管樁等，與地基土共同構成樁土復合地基；加筋墊層采用土工格柵、土工織物等各種土工合成材料，鋪設一層或多層于加固樁、樁帽之上的回填碎石或砂墊層之中，通過發揮筋材對于土的約束作用，從而能夠協調樁-土荷載分擔，提高樁-土應力比。其主要加固機理如下：

⑴加筋加固作用。表層填料為散體材料，無法承擔拉應力，也就無法約束表面地基土在上部傳來的荷載下產生的側向變形。由于土工合成材料有著較高的張拉力，地基土在加設土工材料后，筋材與土產生相互摩擦作用顯著約束表面地基土體的側向位移，相當于增加了表層土體在豎向荷載作用下的圍壓，從而能夠承擔更大的豎向荷載。與此同時，樁網復合地基在上覆荷載作用下會產生拉膜效應和土拱效應（見圖1），筋材對墊層的兜提作用將樁間土承受的部分應力傳遞到樁頂上來［10］。

圖1 樁網復合地基的膜效應與拱效應［9］Fig.1 The Film and Arch Effect of Pile Net Composite Foundation

⑵樁體作用。CFG 樁是由水泥、粉煤灰、碎石加水拌和，在地層中凝固而成，可以很好的充當復合地基的增強體。散體材料樁主要由周圍被動土壓力的側限作用維持樁體的形狀并傳遞豎向荷載；柔性樁和剛性樁在樁頂產生顯著的應力集中，并由樁側摩阻力和端承力承擔。在CFG 樁復合地基中，CFG 樁與樁間土、褥墊層共同作用，由于樁的模量遠大于樁間土的模量，通過地表受荷后樁頭刺入褥墊層達到協調樁土應力的效果。CFG 樁在樁網復合地基中，由于加筋體良好的受拉作用，在樁帽上的拱腳部分獲得足夠的水平力，土拱部分形成了類似鋼筋混凝土梁截面壓應力分布。

⑶碎石墊層作用。褥墊層是CFG 樁網復合地基的一個組成部分，褥墊層的性質、厚度等會對樁土應力比產生影響。褥墊層越厚、粒徑越小，樁土應力比越小；反之，樁土應力比越大。對于剛度較大的CFG樁，可鋪設厚度較小的碎石墊層，以充分發揮樁體的豎向承載力。

2 工程概況及地質條件

某項目場地位于浙江省湖州市某國際物流園區，由6個單體建筑組成，整個工程軟基處理面積超過8萬m2，工程擬對庫房區域及道路區域進行地基處理。

根據工程地質初期勘察資料揭露，該場地地貌屬沖湖海積平原，場地地下水位埋深0.7～1.2 m 之間，根據地質年代及巖性特征將場地土劃分為5 個地層組，共8 個子層，土層描述自上而下分別為：〈1〉素填土、〈2〉粉質粘土、〈3〉淤泥質粉質粘土、〈4-1〉粉質粘土、〈4-2〉粉質粘土。其中，雜填土以粘性土為主，平均層厚0.79 m，表層含大量植物塊莖，結構松散，屬新近回填的粘性土；粉質粘土呈軟塑狀，屬中偏高壓縮性土，平均層厚1.34 m；淤泥質粉質粘土呈流塑狀，局部揭露出淤泥，屬高壓縮性土，層厚0.8～12.0 m 不等；粉質粘土呈硬塑狀，屬中壓縮性土，平均層厚15.54 m；下伏粉質粘土呈軟塑狀，屬中偏高壓縮性土。

鉆孔深度范圍內下伏基巖凝灰巖按風化程度自上而下分別劃分為〈6〉全風化凝灰巖、〈7〉強風化凝灰巖、〈8〉中風化凝灰巖。其中全風化和強風化層遇水浸泡后易軟化導致強度驟減。土層的物理力學性質如表1 所示。如上所述，場地上部雜填土層為新近回填的黏性土，且地下水位較高，力學性能較差，重型機械無法行走。下伏淤泥質粉質粘土平均層厚達8 m，且內摩擦角低，具備高含水量、高孔隙比、高靈敏、高壓縮性等特性，易產生較大的工后沉降，是本場地內的主要壓縮層之一，不宜作為樁端持力層。

表1 場地土層物理參數Tab.1 Physical Parameters of Soil Layer

3 復合地基設計方案

3.1 地基處理要求

⑴庫房區域處理后復合人工地基承載力應大于墊層和地坪使用荷載，地基承載力特征fspk≥80 kPa，變形模量E0≥7 MPa。

⑵ 按建筑地基基礎規范規定沉降差控制在3/1 000 內，同時降低主要由〈3〉淤泥質粉質黏土引起的沉降變形影響。

⑶標高控制：庫內地面交工標高控制在設計標高4.2 m內，室外地面交工標高控制在在設計標高2.9 m內；即庫內比庫外高出1.3 m，庫區須回填土。

3.2 設計方案

地基處理的方法主要有置換、振密擠密、排水固結、灌入固化物、加筋等等，考慮到壓縮層厚度較大，且加固范圍較廣，若采用排水固結法需時較長，因此項目擬采用強夯法聯合人工復合地基的形式分別對表層及次淺層土體進行加固處理。擬采用的復合地基方案對比如表2所示。

根據表2 對比分析，綜合考慮經濟、技術與效果，最終選擇CFG 樁網復合地基方案，即CFG 樁、樁帽、褥墊層、土工格柵。具體方案如下：

⑴CFG 樁作為豎向增強體，直徑為400 mm，樁間距2 400 mm×2 400 mm，樁端需穿透〈3〉淤泥質粉質粘土，進入〈4-1〉粉質粘土不少于2 m，其中倉庫中心處不少于3 m，頂部通過與樁帽連接，處理深部軟弱的淤泥質粉質粘土（見圖2）。

⑵樁頂設計樁帽，尺寸為1 200 mm×1 200 mm×350 mm，預制或現澆均可，能夠提高樁體和加筋墊層的整體性，使豎向荷載通過土拱效應模型更能集中傳遞到豎向承載體。

表2 地基處理方案比較Tab.2 Comparison of Ground Treatment

圖2 典型加固地層剖面Fig.2 Typical Reinforced Stratigraphic Profile

⑶樁帽上方鋪設400 mm 厚的級配碎石墊層，墊層和樁帽中間鋪兩層雙向抗拉同強的土工格柵組成水平增強體，以此減少樁間土應力，部分轉由豎向承載體承擔。

⑷墊層至地坪結構層至少回填800 mm 厚粘性土，保證樁帽以上土拱高度不小于1 200 mm。

3.3 CFG樁網復合地基施工（見圖3）

樁網復合地基主要的施工順序為：平整場地?測量放線?CFG樁施工?樁帽施工?土工格柵、級配碎石回填碾壓?回填整平、分層碾壓。主要施工工法如下：

⑴平整場地。

⑵測量放線。

⑶CFG 樁施工。長螺旋鉆機就位，鉆進至設計深度后停止下鉆，并開始往樁底泵送混合料，當鉆桿芯管充滿混合料后開始均勻提拔至樁頂，并循環進行下一根CFG樁施工。

⑷樁帽施工。成樁達到設計強度后清除樁間土，切割樁頂標高以上樁頭，成樁28 d 后進行低應變力樁身完整性檢測及單樁載荷試驗。樁帽施工采用預制構件便于運輸安裝，節約工期。

⑸褥墊層施工。分兩次進行樁間土回填，每層使用打夯機夯實。樁帽頂部為400 mm 厚的級配碎石墊層，碎石墊層中間鋪兩層雙向抗拉同強的土工格柵，雙向抗拉力60 kN。碎石墊層采用靜力壓實法碾壓密實，碎石頂部到交工面為厚度800 mm 分三層碾壓密實的填土墊層。

圖3 樁網復合地基剖面Fig.3 Profile of Pile Net Composite Foundation

3.4 設計計算

3.4.1 樁長設計計算

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；μp為樁周長，取值1.256 m；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值（kPa）；li為樁周范圍內第i層土的厚度（m）；α為樁端端阻力發揮系數，與樁長、土層相關；qp為樁端端阻力特征值（m）；Ap為樁的截面積，取值0.125 6 m2；fcu為樁體試塊標準養護28 d的立方體抗壓強度平均值，取值20 MPa。代入數值可計算出單樁豎向承載力特征值為184.3 kN。

3.4.3 剛性樁樁網間距計算采用正方形布樁的單樁荷載分擔面積為：

式中：q為樁頂上墊層土自重及使用荷載，取值30 kPa。代入數值可計算出單樁分擔的面積A應不大于6.14 m2，因此取樁間距為2.4 m×2.4 m。

3.4.4 復合地基承載力計算式中：λ為單樁承載力發揮系數；β為樁間土承載力折減系數，宜按地區經驗取值，如無地區經驗時可取0.65～0.95，取值0.9；m為復合地基面積置換率，取值0.021 8；fsk為樁間土承載力特征值，取值60 kPa。代入數值可計算出復合地基承載力為85.0 kPa。

4 地基處理效果分析

根據文獻［8］要求，選取4根具有代表性的樁進行靜載試驗。靜載試驗中，4 根CFG 樁都分別加載至極限破壞階段，整理得到如圖4所示4根單樁的荷載-沉降曲線。從圖4 中可以看出，試驗加載過程中，4 根CFG樁的Q-s曲線均未出現明顯拐點，表現為緩變形。加載初期，樁側摩阻力先發揮作用，樁頂荷載先由樁側摩阻力承擔，樁端受力較小，因而Q-s曲線前期變化相對平緩。繼續加載，待樁側摩阻力充分發揮后，轉由樁端開始承受荷載，直至最終樁端發生刺入破壞。

平板靜載試驗的沉降曲線平穩，說明加載過程中未出現地層剪切破壞或樁的大尺寸滑動。從圖4可以看出，極限承載力Qu大于921 kN，試驗復合地基極限承載力fspk大于80 kPa，沉降變形也較小，符合設計要求。

圖4 CFG樁荷載-沉降（Q-s）曲線Fig.4 CFG Pile Load-settlement（Q-s）Curve

5 結語

⑴樁網復合地基相較CFG 樁與水泥土攪拌樁復合地基，更能充分發揮樁、網、土在承擔荷載的過程中三者的協同作用，既符合加固、沉降、位移等要求，也節約造價，減少材料消耗，具有良好而獨特的技術經濟性。

⑵物流倉庫地坪一般須比庫外高出1 300 mm，后期填土較多，有效保證CFG 樁網復合地基上部回填土厚度，將上部荷載集中至樁基上部。

⑶樁網復合地基用于處理物流倉庫地坪，遇較厚淤泥層，有較大優勢，處理效果顯著，有效解決大面積物流倉庫地坪沉降、不均勻沉降問題。