柔剛復合樁在沿海地區工程中的應用

鄭德勝

(江蘇省化工設計院有限公司,江蘇 南京 210024)

我國東南沿海河口地區一般為濱海淤積平原,表層一般有人工吹填,地表淺部為第四紀全新世中晚期河口海相和海相堆積,承載力較低,如采用天然基礎很難滿足建筑承載力與沉降限值的要求,因此需要采用一定的措施進行地基處理,如采用水泥土攪拌樁或采用樁基礎。近些年來形成的一種將水泥土攪拌樁和預應力混凝土管樁兩種樁體組合形成新型樁基-柔剛復合樁,其利用水泥土攪拌樁加固表層土體,并提高樁側阻力,以高強預應力。混凝土管樁為芯樁可充分發揮其強度高、剛度大、質量可控、施工便捷的特點。我國對柔剛復合樁的研究和應用開始于20世紀80年代,經過多年的實踐,目前該類樁型已經廣泛應用于國內交通與建筑行業中樁基礎[1-2]。本文以實際工程案例介紹柔剛復合樁在工程中的應用。

1 工程概況

本工程位于余姚市靈山鎮,單體建筑平面尺寸為136.8 m×69.00 m,建筑高度23 m,為4層工業廠房,建筑物內設置較多反應釜及裝置儲罐等中、大型工業設備,屋面設有屋頂花園,采用鋼筋混凝土框架結構,單柱荷載約5 000 kN～7 000 kN。建筑安全等級為二級;抗震烈度為6度;地震加速度值為0.05g;建筑場地類別為Ⅲ類,抗震分組為第一組,屬于抗震一般地段,建筑抗震設防類別為乙2類,鋼筋混凝土框架抗震等級為三級,抗震構造措施三級。項目分多期實施,本期廠房為工程第三期,前期廠房已經竣工投產。

1.1 工程地質情況

根據地勘報告顯示,場地特殊性巖土主要為:1)表層素填土與沖填土,為后期人工吹填而成,結構松散,成分較雜,內摻碎石、磚塊等混黏性土,具有中—高壓縮性。2)④-1層軟土,距離地表下16 m～39.5 m,具有高靈敏性、高壓縮性、高觸變性、低強度、弱透水性等典型軟土特性,在天然狀態下具有一定強度,但一旦擾動,土體極易破壞,土體結構極易破壞,強度急劇降低。其余各層土層物理力學指標如表1所示(極限側阻力和端阻力分別為預制樁/灌注樁取值)。

表1 場地主要土層物理力學參數

1.2 水文情況

由勘察資料可知場地地下水主要為場地淺部地下水,主要賦存于淺部雜填土層及淺層黏性土層中的孔隙潛水,潛水主要接受大氣降水和附近河水補給,其水位變化受氣候、環境影響明顯,以蒸發方式排泄和向附近河流側向徑流排泄為主,穩定地下水位埋深為0.2 m～2.0 m左右。本場地孔隙承壓水分為淺部微承壓水及深部微承壓水,淺部微承壓水主要分布于第③-1層黏質粉土、第③-2層砂質粉土及第③-3層粉砂層中,該組合大層厚度約10 m以上,第③-1層及第③-2層含水量較小,第③-3層含水量稍大,孔隙承壓水系微承壓水,對基坑開挖影響有限,但本場地潛水位標高較高,當基坑底標低于潛水位標高時,在潛水作用下,易產生突沙、管涌現象,對基坑開挖影響較大,應提前進行降水作業。

場地地下水、土對混凝土結構均為微腐蝕,對混凝土結構中鋼筋在干濕交替下有弱腐蝕性,長期浸水時為微腐蝕性,按照GB/T 50046—2018工業建筑防腐蝕設計標準第3.1.12條,微腐蝕環境可按正常環境設計[3-4]。

2 各種樁型施工可行性比較

根據地勘資料并結合項目前期設計方案,現場可采用鉆孔灌注樁、高強預應力管樁與柔剛復合樁三種樁型,就以上樁基選型進行可行性分析,具體內容如下。

2.1 鉆孔灌注樁方案

采用直徑800 mm的鉆孔灌注樁,樁長54 m,配筋選用國家建筑標準設計圖集22G813鋼筋混凝土灌注樁中YZ800-54-4,35/E,19/D-C35;計算后承載力特征值約3 050 kN,采用該類樁型優點:鉆孔灌注樁屬非擠土樁,無振動,低噪聲,成樁直徑大,單樁承載力較高,樁徑和樁長可根據上部結構與荷載要求等特點靈活選擇。適宜于本場區巖土工程條件和施工環境,同時,該樁型在寧波市已有大量工程采用,成樁施工沒有問題,只要解決好樁底沉渣厚度等問題,樁基質量一般均能滿足設計要求。

采用該類樁型缺點:鉆孔灌注樁投資大、工期長,其成樁質量受施工單位的施工工藝、施工設備和施工人員的技術素質等因素的影響較大,尤其是地基土中粉粒含量較高,清孔、孔底沉渣厚度等較難判斷,場地淤泥層,施工現場將產生大量泥漿,還需解決場區泥漿排污問題,總體對環境影響較大。現場前期項目中有建筑單體采用該類樁型,承壓水及④-1層淤泥質粉質黏土層對沉樁有一定的影響,易產生塌孔和縮徑,前期現場施工中出現的三類樁較多,但經檢測后尚能滿足承載力要求。

2.2 高強預應力管樁方案

采用高強預應力混凝土管樁,樁型選用浙江省建筑標準圖集2010浙G22先張法預應力混凝土管樁中 PHC 600 AB 130-C80型,樁長54 m,采用錘擊法施工,優點如下:樁身強度高,樁身質量由制造廠商保證,沉樁質量滿足要求。現場施工機械化程度高,無泥漿污染,質量較為可靠,施工工期短,費用相對較低。樁端以第⑧-1層作為樁端持力層,承載力特征值2 700 kN。因建筑場地上部全場存在中密,局部密實狀的第③-1層及第③-2層粉土層,局部存在中密狀的第③-3層粉砂層,現場沉樁困難,設置開口型樁尖,但擠土效應還是較為明顯,導致后期沉樁尤其困難,爆樁率較高,現場補樁較多,引起設計變更較多,增加樁基和承臺的費用。

2.3 柔剛復合樁方案

將水泥土樁和預應力混凝土樁兩種樁結合起來,組成柔剛復合樁,主要樁型見圖1。柔性樁采用水泥土樁,采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥,摻入量不小于18%,水灰質量比0.6,在標準養護條件下,90 d齡期的立方體抗壓強度值不小于1.6 MPa,樁徑1 000 mm;剛性芯樁采用高強預應力混凝土管樁,由于單樁承載力加高,地面首節樁采用PHC 600(130)-C105超高強混凝土管樁,其余各節樁采用PHC 600 AB 130-C80。由于軟弱土層較為深厚,建筑物單柱下荷載較大,為防止樁基沉降較大,綜合考慮采用長芯柔剛復合樁,單樁承載力約為3 700 kN。

3 柔剛復合樁設計分析

結合建筑荷載特性和場地地質條件,本工程選用的樁型為長芯柔剛復合樁,外芯采用注漿攪拌樁,攪拌長度10 m,剛性芯樁采用高強預應力混凝土管樁,由于單樁承載力加高,首節樁采用PHC 600(130)-C105,其余各節樁采用PHC 600 AB 130-C80,樁長54 m,樁間距取值max(4倍內芯直徑;1.5倍外芯直徑)=2.4 m;長芯柔剛復合樁豎向抗壓承載力特征值承載力估算可按照JGJ/T 327—2014勁性復合樁技術規程[5]第4.3章進行估算:

1)長芯柔剛復合樁樁側破壞面位于內、外芯界面時,基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式估算:

Ra=1.884×100×10+1.884×(6.7×27+1×28+16.7×9+5.8×20+10.3×18+1.7×32+1.7×40)+35 00×0.282 6=4 346 kN。

2)長芯柔剛復合樁樁側破壞面位于外芯和樁周土的界面時,基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式估算:

其中,u為長芯柔剛復合樁身周長,m;li為長芯柔剛復合樁樁身截面積,m2;qsia為長芯柔剛復合樁復合段外芯第i土層側阻力特征值,kPa;εsi為長芯柔剛復合樁外芯第i土層側阻力調整系數。

Ra=3.14×(1.4×8×0.8+1.6×27×9.2)+1.884×(6.7×27+1×28+16.7×9+5.8×20+10.3×18+1.7×32+1.7×40)+ 3 500×0.282 6=3 740 kN。

3)樁身結構混凝土強度對應的豎向承載力特征值按Ra=Rp/1.35計算。樁型分別選用2010浙G22先張法預應力混凝土管樁PHC 600 AB 110型Ra=4 255/1.35=3 151 kN; PHC 600 AB 130型Ra=4 824/1.35=3 573 kN,當樁身值采用C80混凝土PHC樁時,承載力特征值略低于設計要求樁特征值;將樁基首節樁換用321183-R177—2021JH先張法預應力超高強混凝土管樁UHC600(130)Ⅰ型樁基,樁基混凝土強度C105,承載力特征值Ra=5 652/1.35=4 186 kN,滿足設計要求。

綜上所述,長芯柔剛復合樁承載力特征值可選用:3 700 kN。

基礎設計時將芯樁內鋼筋錨固入承臺內,由于外圍設置勁性水泥土攪拌樁,樁的水平推力也較管樁有一定的提高,確保在風、地震工況下的樁基安全[6]。

4 樁基沉降計算

對于樁中心距不大于6倍樁徑的樁基,其最終沉降量計算可采用等效作用分層總和法。等效作用面位于樁端平面,等效作用面積為樁承臺投影面積,等效作用附加應力近似取承臺底平面附加壓力。等效作用面以下的應力分布采用各向同性均質直線變形理論,樁基內最大沉降量可按下式計算(按雙樁承臺設計)[7]:

計算得出沉降量如表2所示。

表2 樁基沉降表

現場采用慢速維持荷載法分別對管樁與剛柔復合樁進行單樁豎向抗壓試樁,最大試驗荷載和對應沉降量如表2所示。

由表2可知采用長芯柔剛復合樁承載力相較管樁,承載力有較大提高,但試驗沉降量并不增加,并明顯低于采用管樁計算方法取得的計算值,可見采用長芯柔剛復合樁,由于長芯管樁在插入水泥土樁時有向外擠擴作用且水泥土樁對周圍土體有一定的加固作用,能有效地控制建筑物的沉降量。

5 各樁型基礎經濟性比較

設計過程中,考慮樁基的穩定和荷載的有效傳遞,未選用單樁承臺,從造價上對各種樁型進行對比分析,承載力與單樁綜合造價如表3所示。

表3 各樁型經濟性比較

由表3可見采用混凝土灌注樁成本遠高于其他兩種樁型,采用長芯柔剛復合樁雖然樁數較少但單價較高,與高強預應力管樁基礎方案相比經濟性差異不大。后期針對工程的特性,采取一定優化措施:對建筑物周圍柱由于受力較小,樁型可換用成高強預應力管樁,中部受力較大柱下采用長芯柔剛復合樁,經計算最終地基方案采用PHC 600 AB 130-C80-54管樁:98根;采用長芯柔剛復合樁232根,樁造價為531.81萬元,樁承臺費用不變,總造價降低為688.13萬元,相較高強預應力管樁方案節省造價84.15萬元,節省造價約11%,具有一定的經濟優勢。

6 長芯柔剛復合樁的施工

施工前應收集必要的資料并進行成樁工藝試驗,數量不得少于3根。當成樁質量不能滿足設計要求時,應在調整設計與施工參數后重新進行試驗。外芯水泥土樁采用粉噴工藝施工,內芯管樁施工在外芯樁成樁6 h內進行,樁端采用樁尖或封頭鋼板進行封閉。

長芯柔剛復合樁的施工工藝流程為:定位放線→樁位復核→外芯水泥土樁機就位→外芯水泥土樁施工→外芯水泥土樁移位至下一根樁→管樁樁基就位→樁位再次復核→管樁樁基施工→長芯柔剛復合樁成樁。

施工時應特別注意外芯和內芯的垂直度和偏心,垂直度允許偏差為0.5%,樁位的允許偏差為±10 mm。

7 長芯柔剛復合樁的檢測

長芯柔剛復合樁質量檢查主要為外芯水泥土樁成樁和預制管樁成樁的兩個工藝過程的質量檢查。施工過程中應隨時檢查施工記錄,出現異常情況應及時處理。

水泥土樁的質量檢查應符合JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范的相關規定,主要檢查內容為:1)控制性軸線、樁位的復核、水灰比、水泥用量、樁長、攪拌頭轉數和機頭升降速率、復攪次數和深度、噴漿時間、停漿處理方法、樁頂及樁底標高、垂直度等施工參數及程序。2)成樁后7 d內采用淺部開挖樁頭(深度宜超過停漿(灰)面下0.5 m),目測檢查攪拌的均勻性,量測成樁直徑。檢查量為總樁數的5%。3)成樁后3 d內,可用輕便觸探試驗(N10)檢查每米樁身的均勻性,檢測數量為施工總樁數的1%且不少于3根。

預制混凝土管樁的質量檢查應按照GB 50202—2018建筑地基基礎工程質量驗收規范與JGJ 94—2008建筑樁基技術規范實施。

長芯柔剛復合樁一般在成樁14 d～28 d后進行單樁靜荷載試驗,采用慢速維持荷載法。單位工程的工程樁檢測數量不少于同條件下總樁數的1%,且不應少于3點;當總樁數少于50根時,檢測數量不應少于2根。由于樁基的承載力較高,樁基完整性檢測一般采用全部檢測,確保工程質量。

8 結語

在軟弱土層深厚的沿海地區,基礎工程的造價在整個工程中所占較高,長芯柔剛復合樁由于存在外芯注漿攪拌樁,增加了樁側的摩阻力且加固了表層土承載力,相較于一般管樁,長芯柔剛復合樁在承載力上有較大的提高,同時樁基沉降未見增加,能夠有效地減少建筑物的樁基數量,控制建筑物的沉降,增強地表土體承載力,在工程應用中具有一定的經濟效應,符合安全、低碳、綠色的結構設計理念。