剛-柔性長短樁復合地基在軟基處理中的應用分析

張芳芳，張 丹

(1.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.河南理工大學機械與動力工程學院，河南 焦作 454003)

1 概述

淮河流域中下游平原地區地層大多為河湖相沉積，以淤泥和淤泥質壤土為代表的軟土廣泛分布。此類土體主要的工程特性是含水量高、孔隙比大、壓縮模量高、強度低及觸變性、流變性等。因此，軟土地基的強度和變形問題是制約工程安全最為關鍵和重要的因素[1]。

針對此類軟土地基，常規的換填墊層法、強力夯實法在施工工藝、處理深度等方面無法滿足要求，水利工程常用的處理方式包括樁基礎和復合地基兩大類。其中，樁基礎主要有鉆孔灌注樁、混凝土預制樁等，該方式對提高地基承載力、約束沉降變形效果較好，但工程造價較高。復合地基主要有水泥土攪拌樁復合地基、CFG樁復合地基、振碎石樁復合地基等，此類單一復合地基處理方式在地基承載力增加幅度、加固深度等方面往往受限[2]。剛-柔性長短樁復合地基綜合了以上處理方式的優點，柔性短樁增強淺層地基、協調平面變形，剛性長樁全深度加固土體并控制豎向沉降變形，充分發揮樁間土體的承載能力，滿足了建筑物對地基強度、變形控制等方面的要求[3]。

隨著科學技術、施工工藝的進步，剛-柔性長短樁復合地基近年開始在國內應用。楊軍龍等[4]研究了長短樁復合地基的作用機理和沉降規律，提出了兩種不同模式對應的沉降計算方法；匡成華[5]等針對深厚軟土地基，提出了剛-柔性樁與格構墻復合地基，探討了其加固模式及處理效果；葛忻聲、龔曉南[6]等圍繞某商住樓鋼筋混凝土樁與水泥土攪拌樁相結合的復合地基探討了長短樁復合地基穩定和沉降計算方法。復合地基樁土間相互作用、沉降規律本身是較為復雜的課題，目前仍在進一步發展和探索中[7]。本文以淤泥質土基上陳郢站工程為例，提出了預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁相結合的剛-柔性長短樁復合地基處理措施，并通過合理的承載力驗算、沉降計算論證了其處理效果有效、可靠，可為類似工程的基礎處理提供參考依據。

2 剛-柔性長短樁復合地基基本原理

2.1 作用機理

剛-柔性長短樁復合地基是指以剛性長樁和柔性短樁共同作為豎向增強體的復合地基[8]，如圖1所示。此類復合地基較好地融合了樁基減沉和單一復合地基提高承載力的優點，剛性長樁深入低壓縮性的持力層，通過樁身將基底應力傳至持力層，達到減沉效果[9]；柔性短樁有效加固淺層軟土，同時協調樁間土體的側向變形，提高基礎的整體穩定性[10]。剛-柔性長短樁結合運用，發揮各自的工程優勢，增強土體強度，控制沉降變形，并較大程度地降低了工程造價，不矢為一項技術可行、可靠經濟的處理措施。

圖1 剛-柔性長短樁復合地基示意圖

2.2 復合地基承載力驗算

根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》，具有粘結強度的剛-柔性長短樁復合地基承載力特征值按下式(1)計算[11]。

(1)

式中，m1、m2—分別為剛性樁、柔性樁的面積置換率；λ1、λ2—分別為剛性樁、柔性樁的單樁承載力發揮系數，據工程經驗取值；Ra1、Ra2—分別為剛性樁、柔性樁的單樁承載力特征值，kN；Ap1、Ap2—分別為剛性樁、柔性樁的截面面積，m2；β—樁間土承載力發揮系數，結合經驗取值0.95；fsk—處理后復合地基樁間土承載力特征值，kPa；單樁承載力特征值設計時根據樁周土側阻力特征值與樁端端阻力特征值計算所得，同時不應小于由樁身材料確定的抗壓強度[12-13]。

2.3 復合地基沉降計算

剛-柔性長短樁復合地基沉降(s)應由墊層壓縮量、加固區壓縮量(s1)和下臥土層壓縮量(s2)組成，復合地基分區參見示意圖1。通常墊層壓縮量很小，且在實際施工過程已基本完成，可忽略不計；加固區壓縮變形量(s1)由長、短樁共同加固范圍內復合土層壓縮量和短樁以下只有長樁部分復合土層壓縮量組成[14]。因此，剛-柔性長短樁復合地基沉降宜按下式(2)計算：

s=s1+s2

(2)

目前，復合地基沉降變形理論研究并不完善，其關鍵在于加固區復合地基模量的確定，工程實踐中較為認可的有等效地基和加權模量兩種方法。

(1)等效地基法

將剛柔性長短樁復合地基等效為天然地基，考慮樁土作用關系及模量相關性，長短樁復合加固區、僅長樁加固區壓縮模量提高系數分別按下式(3)、(4)計算[15]：

(3)

(4)

式中，fspk、fspk1—分別為長短樁共同加固區和只有長樁加固區的復合地基承載力特征值，kPa；fak—基礎底面以下天然地基地基承載力特征值，kPa；ξ1、ξ2—分別為長短樁共同加固區和只有長樁加固區的復合地基壓縮模量提高系數；

(2)加權模量法

假定復合地基中樁土作用時變形協調，根據長短樁面積置換率確定各加固區復合模量。

長短樁共同加固區復合模量：Esp1=m1Ep1+m2Ep2+(1-m1-m2)Es

只有長樁加固區復合模量：Esp2=m1Ep1+(1-m1)Es

式中，Ep1、Ep2、Es分別為長樁、短樁和樁間土的壓縮模量。

加權模量法是根據樁體材料壓縮模量結合置換率得到的復合模量，比較適用于柔性樁，但不能準確反映剛-柔性長短樁的作用情況。工程實踐中，剛-柔性長短樁復合地基中剛性樁體對褥墊層及加固區下臥層均存在一定的刺入效應，樁體的壓縮模量應由樁體材料和土體壓縮模量共同決定[16]。

相比較而言，等效地基法能更為準確地表達樁土之間的作用關系，更接近實際情況。

3 工程實例

3.1 工程概況

本次擬定新建陳郢排澇站位于蚌埠市中環線西側約410m，淮河堤壩附近新挖的排澇溝上。該站主要功能為抽排、自排，設計抽排流量54.40m3/s，自排流量62.40m3/s，總裝機6000kW，其主要建筑物級別為2級。泵站采用正向進、出水，主要建筑物包括排澇引渠、進水閘、前池、泵房、排澇出水涵等。

文章選取陳郢站站身為例，對其地基處理進行深入分析。陳郢站站身采用堤后干室型布置方式，為整體式筏式基礎。泵房內布置6臺1600ZLB-70立式軸流泵，其中3臺機組一聯，站身順水流向長度為28.7m，垂直水流方向(含安裝間)總寬49.82m。

3.2 地質條件

根據地質勘探及室內試驗成果，站身建基面高程(1985國家基準高程，下同)為8.90m，其下地層分布如圖2所示，圖中高程單位為m，其余單位均為mm。相應地，各土層主要物理力學性能指標見表1。

表1 站址處建基面以下地層分布及參數特性表

圖2 站身處地質縱剖面圖

③層淤泥質重粉質壤土，軟塑為主，屬高壓縮性，強度低、沉降變形大；④層重粉質壤土強度尚可，硬可塑，屬中層壓縮性；④1層中粉質壤土強度較低，軟塑～軟可塑，屬中等偏高壓縮性，對建筑物沉降不利；⑤層粉細砂，⑥1層混合花崗巖強度均較高，宜作樁基礎樁端持力層。

3.3 剛-柔性長短樁復合地基加固方案

陳郢站站身座落于③層淤泥質重粉質壤土上，該層土屬高壓縮性，地基承載力僅為70kPa，天然地基無法滿足站身穩定要求。③層與下部④1層中粉質壤土相對軟土層間隔約3.4m厚的④層重粉質壤土，為典型的多層軟土地基。結合以往的工程經驗，選用預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁相結合的剛-柔性長短樁復合地基處理措施，樁頂設0.5m厚的塑性砼褥墊層。具體布置型式為：

預應力混凝土管樁，樁徑0.4m，樁距2.4m×2.4m，樁底伸入⑤層粉細砂不小于1.5m，平均樁長18.8m；水泥土攪拌樁，樁徑0.5m，樁距1.2m×1.2m，樁底伸入④層重粉質壤土不小于1.0m，平均樁長4.7m。預應力管樁與水泥土攪拌樁平面上均呈矩形排列，管樁與攪拌樁總體上間隔布置，保證每根管樁四邊都被攪拌樁包圍，充分約束軟土的側向變形。另外，沿建筑物外輪廓線設置雙排水泥土攪拌樁墻，其內布置攪拌樁格構墻，增強基礎的整體穩定性。站身基礎樁位布置縱剖面及平面圖如圖3—4所示，圖中高程單位為m，其余單位均為mm。

圖3 剛-柔性長短樁復合地基縱剖面圖

圖4 剛-柔性長短樁復合地基平面布置圖

3.4 復合地基承載力驗算

泵房內共布置6臺機組，其中3臺機組一聯，本節選取站身單塊結構作為計算模型，平面尺寸為28.7m(順水流向)×21.9m(垂直水流向)。根據GB 50265—2022《泵站設計標準》7.3.9條款[17]，結合其結構布置及受力情況計算得陳郢站站身平均基底應力為129.5kPa，最大基底應力為150.5kPa。

根據2.2節多樁型復合地基承載力計算方法，得出陳郢站站身采用預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁加固后，復合地基承載力為217.9kPa，具體成果見表2。即站身基底平均應力小于復合地基允許承載力，且基底應力最大值小于復合地基允許承載力的1.2倍，此加固方式大幅提高了軟土地基承載力，滿足地基強度要求。

表2 站身復合地基承載力驗算

3.5 復合地基沉降計算

結合上節對兩種沉降計算理論的分析，等效地基法更能準確反應樁土之間的相互作用關系，本文選用等效地基法對陳郢站站身進行沉降分析，根據基礎加固前后地基承載力的提高程度確定復合地基土體的壓縮模量，計算得出各區域沉降值，成果見表3。

表3 站身復合地基沉降計算

基礎加固處理前，軟土地基上站身總沉降值為319.3mm，基礎變形量大，主體結構易產生裂縫甚至結構破壞。采用預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁相結合的剛-柔性長短樁復合地基處理后，站身沉降量減小為80.7mm；同理，計算得出泵站其他部位沉降量為40.6mm～69.2mm。管樁將上部荷載傳遞至⑤層粉細砂持力層，有效控制了壓縮變形，總沉降量大幅降低，滿足泵站主要建筑物沉降量小于150mm、相鄰部位沉降差不大于50mm的規范要求。同時，柔性水泥土攪拌樁協調基礎的平面變形，增強建筑物的整體穩定性。

3.6 復合地基施工工藝

建筑物基礎底板與樁體頂部之間鋪設0.5m厚的塑性砼褥墊層，水泥攪拌樁樁頂高程與褥墊層底面平齊，預應力混凝土管樁樁頂伸入褥墊層內0.3m。為減小剛性樁的擠土效應，具體實施時場地平整后，應先施工預應力混凝土管樁，后澆筑水泥土攪拌樁；樁體實施完工，基坑開挖過程中應注意保護樁體不受損壞，基坑開挖后及時鋪設褥墊層。

預應力混凝土管樁的制作、運輸、施工應參照《先張法預應力混凝土管樁》等執行，打樁順序應由中間向兩方向或四周對稱施打，并由毗鄰建筑物一側向另一方向施打。沉樁宜采用靜壓法，每根樁應一次性連續壓到底，接樁、送樁應連續。預制管樁內回填砂料、樁頭0.5m深度范圍內采用C25混凝土封堵，澆筑填芯砼前應將管壁浮漿清除干凈，并涂刷界面劑。

水泥土攪拌樁施工應參照《建筑地基處理技術規范》等執行，可采用二攪二噴施工工藝，即按樁機定位、切土下沉、提升攪拌、切土下沉、二次提升攪拌的流程實施。攪拌頭翼片的枚數、寬度與攪拌軸的夾角、提升速度等相匹配，以保證土體加固范圍任一點至少攪拌20次。停灰面應高于設計樁頂高程0.3m～0.5m，開挖時可將頂端澆筑質量較差的樁段挖除。攪拌樁的垂直度偏差不得超過1%，樁位偏差不得大于150mm[18]。

塑性混凝土褥墊層鋪設范圍一般超出建筑物外輪廓線邊緣1.0m，褥墊層設計壓實度不小于0.95。

4 結語

(1)對于平原地區河湖相沉積的軟土地基，水利工程中單一的復合地基處理方式處理深度和效果較為局限。本文提出了剛-柔性長短樁復合地基處理措施，兩種樁型結合運用，共同增強土體強度，控制沉降，提高基礎整體穩定性，技術可行，經濟可靠。

(2)以陳郢站為例，文章采用多樁型復合地基理論及等效地基法分別計算了剛-柔性長短樁復合地基承載力及沉降變形，驗證了柔性短樁增強淺層地基、控制側向變形，剛性長樁全深度加固土體并控制沉降變形。以上措施為類似軟基上泵站、水閘等建筑物的基礎處理提供借鑒[19]。

(3)文章所舉實例陳郢站工程地基處理方案已經審批同意，后期項目實施或投入運用后，應注意收集復合地基壓板檢測數據及沉降觀測資料，進一步佐證理論計算結果的準確性。