從剛性樁復(fù)合地基發(fā)展歷程看短螺旋擠土工藝剛性樁復(fù)合地基綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)*

黨昱敬，程少振，劉天翔

(1.中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司北京市巖土錨固工程中心，北京 100088；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

0 引言

在地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，因天然地基強(qiáng)度不足和壓縮性較大而不能滿足上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要對(duì)天然地基進(jìn)行加固處理，以增強(qiáng)地基強(qiáng)度和剛度，提高地基承載力和穩(wěn)定性，減少地基變形，確保建(構(gòu))筑物安全和正常使用。復(fù)合地基是較為常用的地基加固處理方法之一，它是以天然地基作為基體、在一定深度范圍內(nèi)設(shè)置豎向增強(qiáng)體形成的人工地基，在荷載作用下，基體與豎向增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載作用[1-3]，如圖1所示。

圖1 復(fù)合地基

圖1中豎向增強(qiáng)體通常稱為樁，基于樁、土相對(duì)剛度不同的理念，通常把豎向增強(qiáng)體復(fù)合地基分為柔性樁、半剛性樁和剛性樁復(fù)合地基三大類，剛性樁豎向增強(qiáng)體所形成的復(fù)合地基加固效果最為顯著，已在土木工程不同領(lǐng)域地基加固處理中得到廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)剛性樁復(fù)合地基發(fā)展歷程的追溯和梳理，著重闡述鉆頭改進(jìn)后的短螺旋擠土工藝(以下簡(jiǎn)稱SDS工藝)施工所形成的剛性樁復(fù)合地基的加固機(jī)理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，為進(jìn)一步拓展剛性樁復(fù)合地基的應(yīng)用范圍和剛性樁復(fù)合地基與基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 剛性樁復(fù)合地基的形成和發(fā)展歷程及SDS工藝技術(shù)特點(diǎn)

在我國(guó)，復(fù)合地基形成于20世紀(jì)70年代末，起初主要以碎石樁和砂石樁(以下稱柔性樁)復(fù)合地基為主[4-7]。同時(shí)柔性樁復(fù)合地基作為消除地基液化沉陷措施，其加固機(jī)理主要有以下兩點(diǎn)：①因碎石樁或砂石樁良好的排水通道作用而抑制地基土中超孔隙水壓力的增長(zhǎng)；②因碎石樁或砂石樁施工工藝的擠密效應(yīng)有效減少了地基土液化的可能性[4]。由此不難理解，排水通道碎石樁或砂石樁作為增強(qiáng)體和碎石樁或砂石樁施工工藝對(duì)樁間土的擠密效應(yīng)，所形成的柔性樁復(fù)合地基也可使地基土的承載力增加和沉降量減少。柔性樁復(fù)合地基已被拓展用于素填上和雜填土及非液化地基土的加固處理[5]。

柔性樁按施工工藝分類，主要包括振沖碎石樁、振動(dòng)沉管碎(砂)石樁和柱錘沖擴(kuò)砂石樁，3種成樁加固機(jī)理均屬擠密和置換雙重效應(yīng)[3-7]。當(dāng)柔性樁復(fù)合地基以提高地基承載力、增強(qiáng)地基穩(wěn)定性和減少地基變形為主要目的時(shí)，柔性樁復(fù)合地基承載力特征值fspk計(jì)算通過(guò)以天然地基基體土承載力特征值fsk的某一倍數(shù)(樁土應(yīng)力比)表達(dá)：fspk=[1+m(n-1)]fsk(式中符號(hào)意義解釋詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1])。柔性樁單樁豎向承載力特征值是依靠增強(qiáng)體樁周土體的側(cè)限阻力保持其形狀并提供抗力，其相應(yīng)的樁土應(yīng)力比n一般在1.5～4[1]。由此可知，柔性樁復(fù)合地基承載力特征值fspk相比天然地基承載力特征值fak的提高幅度ξ(fspk/fak)不大，降低地基壓縮變形的效果也不顯著[1-7]。工程實(shí)踐和研究表明：3種施工工藝所形成的復(fù)合地基，其碎石樁增強(qiáng)體和樁間土承載力取值大小基本相同，即樁土應(yīng)力比n基本一致，其承載力提高幅度和降低變形效果存在差異，主要原因是由于3種施工工藝的碎石樁增強(qiáng)體成樁直徑和布置間距不同，導(dǎo)致增強(qiáng)體面積置換率m大小不同所致[8]。

較大幅度提高復(fù)合地基承載力特征值fspk和降低地基壓縮變形的關(guān)鍵是：改善增強(qiáng)體和樁間土的承載性能，提高樁土應(yīng)力比n。鑒于此，中國(guó)建筑科學(xué)研究院的科研和工程技術(shù)人員通過(guò)試驗(yàn)研究，向樁體碎石材料中加入少量的水泥、粉煤灰、石屑(或中砂)和水，按一定比例進(jìn)行攪拌后，早期用與振動(dòng)沉管碎(砂)石樁同樣的機(jī)械施工[4,7]，形成一種高粘結(jié)強(qiáng)度樁，工程上稱其為水泥粉煤灰碎石樁(簡(jiǎn)稱CFG樁，僅以水泥為膠凝材料時(shí)，稱為素混凝土樁)。其提高復(fù)合地基承載力的途徑主要是發(fā)揮CFG樁或素混凝土樁(以下統(tǒng)稱剛性樁)的樁體作用和振動(dòng)沉管工藝施工對(duì)樁間土的擠密效應(yīng)[1-7]。理論分析和工程設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，使用振動(dòng)沉管工藝施工形成的剛性樁復(fù)合地基，其地基加固處理效果明顯優(yōu)于振動(dòng)沉管碎(砂)石樁復(fù)合地基[7]。

但是振動(dòng)沉管工藝一般僅適用于加固處理深度較淺的松散和軟弱土等地基土層施工，且因受振動(dòng)和噪聲污染影響，難以在城市人口密集區(qū)實(shí)施。對(duì)于基底壓力較大和由附加應(yīng)力引起的壓縮層較深的高、大、重建(構(gòu))筑物，在地基土層構(gòu)成中遇有厚砂層和硬土層等地基土層時(shí)，因振動(dòng)沉管工藝施工置換深度難以達(dá)到預(yù)期剛性樁設(shè)計(jì)深度，而無(wú)法滿足較高基底壓力和基礎(chǔ)沉降控制限值的要求[3,7]。

20世紀(jì)90年代末由中國(guó)建筑科學(xué)研究院科研人員研發(fā)的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔壓灌混凝土施工工藝，使得剛性樁復(fù)合地基地層適用范圍更廣和處理深度更深，大大拓展了剛性樁復(fù)合地基的應(yīng)用范圍[7]。由于長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔壓灌混凝土施工工藝(以下簡(jiǎn)稱為長(zhǎng)螺旋非擠土工藝)的加固機(jī)理僅為置換作用，地基處理后的樁間土承載力特征值fsk與地基處理前的天然地基承載力特征值fak基本一致，因此其提高復(fù)合地基承載力特征值fspk的途徑主要是發(fā)揮剛性樁的樁體作用[3,7]。

鑒于此，研發(fā)一種具有兼顧改善剛性樁增強(qiáng)體和樁間土承載性能的施工工藝，是更進(jìn)一步拓展剛性樁復(fù)合地基應(yīng)用范圍、提高剛性樁復(fù)合地基承載力幅度和降低地基壓縮變形的關(guān)鍵。中冶建筑研究總院有限公司在借鑒國(guó)際已有先進(jìn)樁工技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)研發(fā)，完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的短螺旋擠土工藝(soil displacement screw，以下簡(jiǎn)稱SDS工藝)的特種鉆具和鉆機(jī)設(shè)備。SDS工藝是一種利用短螺旋擠擴(kuò)鉆具擠土成孔的新型工藝，根據(jù)地層條件的差異和剛性樁復(fù)合地基不同設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求，可以選用不出土和過(guò)流部分出土兩種擠擴(kuò)鉆頭，對(duì)地層有更好的適用性，如圖2所示。該技術(shù)通過(guò)鉆機(jī)施加扭矩和豎直向下壓力，使特制的短螺旋擠擴(kuò)鉆頭在下旋鉆孔過(guò)程中，首先通過(guò)鉆頭的旋轉(zhuǎn)將原天然地基基體土破壞，通過(guò)正旋葉片將土體上傳，并由擴(kuò)大頭將上傳土體擠到周圍土體中，提鉆過(guò)程中將塌落的土體通過(guò)擴(kuò)大頭擠壓入樁孔側(cè)壁，與此同時(shí)向經(jīng)擠擴(kuò)后的樁孔中壓灌高粘結(jié)強(qiáng)度材料，形成與傳統(tǒng)長(zhǎng)螺旋非擠土工藝施工相同的圓柱形增強(qiáng)體(CFG樁或素混凝土樁)，如在成型的素混凝土樁內(nèi)后插鋼筋籠，則為鋼筋混凝土灌注樁。當(dāng)以消除地基土濕陷性為主要目的時(shí)，提鉆后在樁孔內(nèi)分層壓實(shí)回填土，可形成素土樁。

圖2 鉆頭結(jié)構(gòu)示意

SDS工藝具有無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、適應(yīng)地層范圍廣的特點(diǎn)，既能穿透地基土層構(gòu)成中的厚砂層、硬土層等地基土層，同時(shí)又對(duì)所穿透的地基土層進(jìn)行擠密，使剛性樁樁間土強(qiáng)度指標(biāo)得到改善，從而也使剛性樁單樁承載力Ra和樁間土地基承載力fsk得到提高。SDS工藝在施工過(guò)程中，無(wú)泥土污染、渣土(樁身土)運(yùn)輸及棄土場(chǎng)地等環(huán)保及資源浪費(fèi)問(wèn)題，屬于環(huán)境友好型施工工藝[8-9]。因此，SDS工藝與振動(dòng)沉管擠土工藝和傳統(tǒng)長(zhǎng)螺旋非擠土工藝相比，具有技術(shù)、環(huán)保、成本等方面的優(yōu)勢(shì)，綜合性價(jià)比更高。

SDS工藝由于綜合性價(jià)比高和社會(huì)效益顯著等特點(diǎn)，為規(guī)范設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)和驗(yàn)收以及更廣泛的在工業(yè)與民用建筑和其他領(lǐng)域的地基加固處理中推廣應(yīng)用，由中冶建筑研究總院有限公司和建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司主編的T/CECS 781—2020《短螺旋擠土灌注樁技術(shù)規(guī)程》已于2021年5月1日頒布實(shí)施[9]。

2 SDS工藝的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)

剛性樁樁復(fù)合地基自20世紀(jì)80年代末研制開(kāi)發(fā)，到20世紀(jì)90年代中后期普遍應(yīng)用于工程實(shí)踐，先后經(jīng)歷了振動(dòng)沉管工藝[7]、長(zhǎng)螺旋非擠土工藝[8]和SDS工藝[9]3種施工工藝。振動(dòng)沉管工藝是向四周擠開(kāi)與自身體積相等的土體進(jìn)入地基土層中的過(guò)程，而長(zhǎng)螺旋非擠土工藝是將與自身體積相等的土體作為棄土排出的過(guò)程。由此可見(jiàn)，前者的加固機(jī)理兼有擠密和置換雙重作用，后者的加固機(jī)理僅為置換作用。

如前所述，SDS工藝在原天然地基基體一定深度范圍內(nèi)設(shè)置豎向增強(qiáng)體的同時(shí)，也使原天然地基基體中豎向增強(qiáng)體深度范圍內(nèi)的土體被擠入樁間土中，即在設(shè)置豎向增強(qiáng)體的同時(shí)，也達(dá)到增加樁間土密實(shí)度和改善樁間土物理力學(xué)性能指標(biāo)的效果。SDS工藝的完全擠土效應(yīng)，既能使處理后樁間土的密實(shí)度增加、承載力特征值fsk提高，又能使土體的抗剪強(qiáng)度和側(cè)摩阻力提高，最終達(dá)到提高剛性樁豎向承載力特征值Ra的效果。由于SDS工藝的擠密和置換作用使樁間土承載力特征值fsk和剛性樁豎向承載力特征值Ra得以提高，由剛性樁復(fù)合地基承載力特征值fspk的理論計(jì)算公式可知[1]，剛性樁復(fù)合地基承載力特征值fspk也相應(yīng)提高。因此，與相同設(shè)計(jì)參數(shù)的長(zhǎng)螺旋非擠土工藝施工所形成的剛性樁復(fù)合地基相比，SDS工藝施工所形成的剛性樁復(fù)合地基承載力特征值fspk提高幅度更大，地基壓縮變形也更小，更有利于剛性樁復(fù)合地基與基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省工程投資[10-11]。

通過(guò)以上對(duì)剛性樁復(fù)合地基形成、加固機(jī)理和施工工藝沿革歷程的追溯、梳理和分析探討，總結(jié)采用SDS工藝施工所形成的剛性樁復(fù)合地基具有以下顯著綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1)與有基本相同擠密效果和樁體作用的振動(dòng)沉管工藝相比，SDS工藝施工具有無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、適應(yīng)地層范圍廣等特征。

2)與具有主要發(fā)揮樁體作用的長(zhǎng)螺旋非擠土工藝相比，剛性樁單樁承載力Ra和樁間土地基承載力fsk得到提高，施工無(wú)泥土污染、渣土運(yùn)輸和棄土場(chǎng)地等不良環(huán)保及浪費(fèi)資源問(wèn)題。

3)采用SDS工藝所形成的剛性樁復(fù)合地基具有與預(yù)制樁相同的樁體作用和對(duì)樁間土擠密效應(yīng)的雙重效果，在地基土層構(gòu)成、各層土體的物理力學(xué)性能參數(shù)和剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)相同的情況下，與長(zhǎng)螺旋非擠土工藝剛性樁復(fù)合地基相比，SDS工藝剛性樁復(fù)合地基中剛性樁與樁間土之間具有更合理的剛度梯度，使樁土相互作用和共同作用更加合理，共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載能力更強(qiáng)，加固效果更為顯著，綜合性價(jià)比更高。

4)采用SDS工藝和長(zhǎng)螺旋非擠土工藝進(jìn)行地基加固處理，所形成的人工地基均屬于剛性樁復(fù)合地基范疇。因SDS工藝剛性樁復(fù)合地基加固機(jī)理具有擠密和置換雙重作用，與長(zhǎng)螺旋非擠土工藝剛性樁復(fù)合地基的樁間土承載力特征值fsk和地基處理前的天然地基承載力特征值fak基本一致不同，SDS工藝剛性樁復(fù)合地基可使處理后樁間土承載力特征值fsk達(dá)到天然地基承載力特征值fak的1.1～1.5倍，且當(dāng)?shù)鼗翆訕?gòu)成和剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)相同時(shí)，與長(zhǎng)螺旋非擠土工藝剛性樁復(fù)合地基相比，SDS工藝剛性樁單樁豎向極限承載力也提高30%～50%[8-9]。

5)因SDS工藝擠土效應(yīng)使剛性樁樁間土的孔隙比減少、密實(shí)度增大，也能有效消除或降低黃土地基濕陷性和飽和粉土、砂土地基液化[4,9,12,13]。對(duì)于擬在濕陷性黃土場(chǎng)地上建造的高、大、重建(構(gòu))筑物，當(dāng)同時(shí)以消除地基土濕陷性和提高地基土承載力為目的時(shí)，充分利用SDS工藝施工的擠土效應(yīng)，采用素土擠土樁與擠土灌注樁組合(或與CFG樁、素混凝土樁組合，形成多樁型復(fù)合地基)，既可有效消除濕陷場(chǎng)地的濕陷性，又能提高擠土灌注樁(或多樁型復(fù)合地基)的承載力[1-2,6,14-15]。

3 SDS工藝剛性樁復(fù)合地基施工方法和施工工藝流程

SDS工藝分為雙向擠土施工方法和可調(diào)控?cái)D土量的雙向擠土施工方法，根據(jù)加固處理地基土層構(gòu)成和地基土的狀態(tài)、密實(shí)度和風(fēng)化程度及上部結(jié)構(gòu)對(duì)剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求，選擇確定SDS工藝施工方法。

1)雙向擠土施工方法使用短螺旋封閉擠擴(kuò)鉆具，鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出扭矩≥200kN·m，如圖3所示。雙向擠土施工方法適用于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N≤35的地基土層，其中包括軟塑～硬塑黏性土、稍密～中密粉土和黃土、稍密～中密砂土、角礫、圓礫及全風(fēng)化軟質(zhì)巖等可擠密巖土層，且樁徑≤600mm、成孔深度≤30m。

圖3 短螺旋封閉擠擴(kuò)鉆具

2)可調(diào)控?cái)D土量的雙向擠土施工方法使用可調(diào)控?cái)D土量的短螺旋擠擴(kuò)鉆具，鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出扭矩≥300kN·m，如圖4所示。可調(diào)控?cái)D土量雙向擠土施工方法適用于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N≤60的地基土層，其中包括軟塑～硬塑黏性土、稍密～中密粉土和黃土、稍密～中密砂土、角礫、圓礫、碎石、卵石及全風(fēng)化軟質(zhì)巖與強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖層，且樁徑可大于600mm、成孔深度可大于30m。

圖4 可調(diào)控?cái)D土量的短螺旋擠擴(kuò)鉆具

SDS工藝剛性樁復(fù)合地基施工工藝流程如圖5所示。

圖5 SDS工藝剛性樁復(fù)合地基施工工藝流程

SDS工藝剛性樁復(fù)合地基施工順序如圖6所示。

圖6 SDS工藝剛性樁復(fù)合地基施工順序

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文在對(duì)已有剛性樁復(fù)合地基發(fā)展歷程追溯和梳理的同時(shí)，進(jìn)一步闡述SDS工藝，通過(guò)對(duì)鉆頭的改進(jìn)，使樁孔中的土體完全擠擴(kuò)到樁周所形成的剛性樁復(fù)合地基。與振動(dòng)沉管工藝和長(zhǎng)螺旋非擠土工藝施工效果相比，SDS工藝除具有適用地層廣、處理厚度深、加固效果顯著等技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，還兼有效消除或降低黃土地基濕陷性和飽和粉土、砂土地基液化可能性的功能。

2)和振動(dòng)沉管工藝和長(zhǎng)螺旋非擠土工藝相比，SDS工藝既沒(méi)有振動(dòng)沉管工藝的噪聲和振動(dòng)影響，也沒(méi)有長(zhǎng)螺旋非擠土工藝的泥土污染、渣土運(yùn)輸和棄土場(chǎng)地等不良環(huán)保及浪費(fèi)資源問(wèn)題。

3)SDS工藝能縮短工期、大幅提升建設(shè)速度和降低施工造價(jià)直接成本，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。