勁性復合樁在軟土地基中的應用分析

■林江鎮

（漳州市古雷交通發展有限公司，漳州 363216）

勁性復合樁是由散粒樁、柔性樁和剛性樁中的2 種或3 種復合而成的新樁型。 較為常見的是在濕噴水泥樁（外芯）未硬凝時，在其中打入預制樁（內芯）或先施打預制樁，后在樁周進行注漿，形成豎向勁性復合樁。 預制樁的打入不僅可以提高水泥土體的剛度和強度，對樁周土體還具有擠密作用，而水泥土體可為預制樁提供側摩阻力，進一步提高單樁承載力，形成強度較高的復合樁。 豎向勁性復合樁目前主要應用于我國上海、江陰地區，用于處理沿海軟基土層。 其中，豎向勁性復合樁MC 樁沉降量小，同體積具有更高承載力。 通過國內外學者對預制豎向勁性體在軟土地基中的應用試驗可知：增加豎向勁性體的樁基長度或橫截面面積時，豎向勁性體的極限承載力也會增加[1]；長徑比對豎向勁性體的極限承載力和沉降量影響突出[2]；圍箍材料可提高勁性水泥組合樁承載力的作用[3]；勁性水泥攪拌樁中豎向力主要由芯樁承擔，水泥土承擔的豎向力可忽略不計[4]。 綜上所述，本文通過靜載試驗對預應力混凝土預制管樁、水泥土鉆孔灌注樁及豎向勁性復合樁這3 種軟土地基處理方案的受力性能進行分析比較，以選擇最適合在軟土地基中的施工方案。

1 工程概況

漳州沿海大通道（濱海一級疏港公路）漳浦段位于福建省漳州市，是福建沿海大通道的重要組成部分，全長共75.71 km。 其中第LJ-11 合同段位于漳州市漳浦縣古雷鎮，起于古雷港經濟開發區規劃西側邊界，終于本項目路線終點（沙溪鎮），起訖樁號為K106+328～K108+700， 長2.37 km， 跨越烏橋港。 公路等級為一級公路，設計速度80 km/h，路基寬度為32 m。

據本項目地質勘察得知，第LJ-11 合同段道路沿線為沖海積小平原，下部土層中有厚度不均的淤泥和淤泥質土，為本項目的主要不良工程地質軟弱層。 本項目自上而下土層分布情況如圖1 所示：（1）素填土層厚0.3～0.5 m；（2）淤泥厚4.7～6.6 m；（3）亞粘土厚1.1～1.4 m；（4）淤泥質土厚2.6～3.2 m；（5）砂土厚0.9～1.6 m；（6）卵石厚1.2～1.5 m；（7）全風化花崗巖厚0.8～1.0 m；（8）中風化花崗巖（持力層）。 軟土工程地質性能差，屬軟土地基，一般不宜作為公路路基直接持力層，因此需進行軟土地基加固處理。 軟土地基處理方案考慮采用復合地基處理，處理方法有預制預應力混凝土預制管樁加固、 水泥土鉆孔灌注樁加固和勁性復合樁加固，應根據受力性能、經濟性和施工質量比較，選擇最優加固樁型。

圖1 項目地質分布示意圖

2 試驗設計

2.1 試驗方案

為分析預應力混凝土預制管樁、水泥土鉆孔灌注樁、勁性復合樁這3 種不同樁基加固型式在地基處理中的受力情況，采取試驗方法進行分析。

2.1.1 試驗構件設計

本次加固樁型對比試驗對3 種不同樁型各設計2 根試件進行靜載試驗。 混凝土預制管樁直徑為600 mm，編號為Z1、Z2；水泥土鉆孔灌注樁成孔直徑為800 mm，編號為Z3、Z4；勁性復合樁樁芯采用直徑600 mm 預制管樁，成孔直徑為800 mm，編號為Z5、Z6。 以上試驗樁樁底均位于中分化巖層。 試件具體參數如表1 所示。

表1 不同樁型施工方案的加固樁基試驗參數

2.1.2 試驗構件制作

利用壓樁機對預應力混凝土預制管樁進行靜壓成樁， 具體施工流程為： 壓樁機就位→吊裝喂樁→樁身對中調直→壓樁→終止壓樁→切割樁頭。沉樁過程應注意控制樁身豎直度， 避免樁身傾斜，平穩沉樁至設計標高。 鉆孔灌注樁利用旋挖鉆引孔，具體施工工藝流程為：護筒埋設及泥漿制作→鉆機就位→成孔→停鉆→清孔→灌注水泥土。 鉆孔過程應注意避免塌孔， 水泥土灌注后應及時養護。豎向勁性復合樁利用旋挖鉆成孔與靜壓機沉樁共同結合成樁，應在外芯水泥土凝固之前及時將內芯樁植入。

2.1.3 試驗數據采集

由于樁基加固土體主要增強地基強度與剛度，即承載力與沉降，因此需對加固試驗樁采集的數據包括：承載力、單樁總沉降量、每毫米沉降量對應的每平方米樁身材料可承受荷載值。

2.2 試驗加載

試驗采用配重塊進行分級加載，加載方式如圖2所示。 第一級加載荷載為800 kN，此后每級遞增400 kN。每級荷載施加后，需進行數據采集，每級荷載一施加便開始第一次采集，此后每隔15 min 進行1 次數據采集。 當沉降趨于穩定時，再進行下一級加載。

圖2 試驗加載示意圖

3 試驗結果分析

3.1 承載力與沉降對比

根據試驗結果，預應力混凝土預制管樁最大豎向荷載加載量為4000 kN， 水泥土鉆孔灌注樁的最大豎向荷載加載量為3900 kN， 豎向勁性復合樁最大豎向荷載加載量為8000 kN，3 組靜載試驗的加載量與沉降量關系如圖3 所示。 可以看出，在相同荷載作用下，豎向勁性復合樁的沉降量小于預應力混凝土預制管樁和水泥土鉆孔灌注樁，說明豎向復合樁的控制沉降量性能相對兩者更好。

圖3 3 組靜載試驗的加載量與沉降量關系

3 組靜載試驗結果如表2 所示。可以看出，豎向勁性復合樁所承受的最大荷載約為預應力混凝土管樁和水泥土鉆孔灌注樁的2 倍；豎向勁性復合樁每毫米沉降量對應的每平方米樁身材料可承受荷載值分別是另外2 種樁型的3.19 倍和2.03 倍。

表2 不同樁型施工方案的靜載試驗結果對比

綜上所述，通過預應力混凝土預制管樁與水泥土樁復合形成的豎向勁性復合樁，提高了樁基豎向承載能力并且很好地保持了沉降量少的優點，較好地綜合了預應力混凝土管樁和水泥土鉆孔灌注樁的承載力和沉降控制性能。

4 經濟性與施工質量對比

4.1 經濟性對比

在方案比選中，除了考慮構件性能，還需要考慮經濟效益。 在漳州沿海大通道第LJ-11 標段中，填土高度4.7 m， 處理長度50 m， 處理路基寬度42.5 m， 采用預應力混凝土管樁處理地基時， 樁長12 m，間距按2.2 m 正方形布置，共布置525 根；采用水泥土鉆孔灌注樁處理地基時，樁長16 m，間距按照1.5 m 正方形布置，共布置1066 根；采用豎向勁性復合樁處理地基時，樁長12 m，間距按3 m 正方形布置，共布置300 根，總樁長3600 m。從施工方的競標報價中，對比3 種樁體的經濟性，如表3 所示。 可以看出，水泥土鉆孔灌注樁的單樁造價與成樁總造價均為最高，為較不經濟樁型；豎向勁性復合樁的單樁造價較預應力混凝土預制管樁高68%，但其布置間距大，所需根數少，成樁總造價較預應力混凝土管樁低約4%。 因此豎向勁性復合樁具有較好的經濟優勢，可節省造價。

表3 不同樁型施工方案的經濟性對比

4.2 施工質量對比

根據土層土體分布情況可知，因存在密實性砂層， 采用預應力混凝土管樁將產生較大的擠土效應，對周圍環境影響大，且容易出現樁身傾斜以及因未能打入硬質巖而導致承載力不足，造成材料上的浪費；水泥土鉆孔灌注樁因需現場施工，在成孔過程中常出現鉆孔偏差、塌孔、縮孔以及樁身夾泥等現象，成樁質量不易掌握；勁性復合樁是采用水泥攪拌樁（外芯）包裹預應力混凝土管樁（內芯）的結構形式， 外包的水泥攪拌樁可提供樁身摩阻力，且可保證預應力混凝土管樁的樁身保持豎直不傾斜，樁身摩阻力及豎直的樁身可更充分發揮預應力混凝土管樁的承載力，施工質量可控。

綜上分析可知，豎向勁性復合樁的承載性能和控制沉降量性能優于水泥土鉆孔灌注樁與預應力混凝土管樁，且在豎向勁性復合樁與預應力混凝土管樁造價相差不多的情況下，豎向勁性復合樁的受力性能優于預應力混凝土管樁且施工質量可控，更能適應不同的地層，綜合來看是一種高性價比的樁型。

5 結論

針對漳州沿海大通道第LJ-11 標段中存在的軟土地基，通過對比預應力混凝土預制管樁、水泥土鉆孔灌注樁及豎向勁性復合樁這3 種軟土地基處理方案的豎向承載力、經濟性和施工質量，得到以下結論：（1）豎向勁性復合樁的豎向承載力以及在相同荷載作用下沉降控制量性能更好；（2）豎向勁性復合樁單樁造價高但所需根數少，成樁總造價低，具有較好的經濟優勢，可節省造價；（3）豎向勁性復合樁因其外包水泥攪拌樁（外芯）可提供樁身摩阻力，可保證預應力混凝土管樁（內芯）的樁身保持豎直不傾斜，施工質量可控，更能適應不同的地層。 目前本工程項目已完工，根據完工驗收報告可知，路面線形平順，無塌陷等缺陷病害。 因此利用豎向勁性復合樁對漳州沿海大通道第LJ-11 標段軟土地基加固取得了良好成效。