濱海軟土地區(qū)基礎(chǔ)加固案例分析與研討

戚玉亮，任樂民，陳帥光，2

（1、廣州建筑產(chǎn)業(yè)研究院有限公司 廣州510663；2、廣州建筑股份有限公司 廣州510030）

0 引言

某化工廠區(qū)既有建構(gòu)筑物地基加固處理項(xiàng)目位于珠海地區(qū)灘涂填海造地拋石填地塊，在前期土建施工中，已對預(yù)防地基沉降進(jìn)行處理，包括為增強(qiáng)構(gòu)筑物及基礎(chǔ)的剛度，采用強(qiáng)夯和堆載預(yù)壓等方法對地基進(jìn)行預(yù)處理。然而，由于深厚淤泥質(zhì)軟土地基承載能力弱，填石層壓實(shí)度不足，加上地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，海洋的潮汐作用，以及上部各類構(gòu)筑物的荷載分布不均勻，造成了現(xiàn)在的地基差異沉降，出現(xiàn)了構(gòu)筑物開裂、傾斜或損壞、地坪沉降、墻體滲水開裂、支撐懸空等情況，部分設(shè)備基礎(chǔ)下沉明顯，已嚴(yán)重地影響到工廠生產(chǎn)的安全運(yùn)行。為此，經(jīng)過技術(shù)方案比選采用高壓旋噴疊壓鋼管混凝土樁加固技術(shù)，從加固強(qiáng)化軟土力學(xué)特性、提高基礎(chǔ)承載力和減少地基沉降3 個(gè)方面進(jìn)行基礎(chǔ)工程加固，借以解決廠區(qū)既有建構(gòu)筑物下面深厚淤泥質(zhì)軟土填石地基不均勻沉降的問題，控制部分基礎(chǔ)的過大沉降。既有建構(gòu)筑物基礎(chǔ)加固后，相應(yīng)靜載實(shí)驗(yàn)報(bào)告、期間檢測和沉降觀測數(shù)據(jù)等滿足國家和行業(yè)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，并通過工程質(zhì)量驗(yàn)收。

本文針對該項(xiàng)技術(shù)案例進(jìn)行深入分析和探討，為把握和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)成果提供參考。

1 場地環(huán)境和地質(zhì)特點(diǎn)

本場地原始地貌類型屬于珠海地區(qū)淺海灘涂地貌，經(jīng)拋石人工填海造地平整而成。該地區(qū)場地東南面距南海約3 km，平均風(fēng)速較大，每年的7～10 月是臺風(fēng)的盛季，伴隨有暴雨、暴潮和巨浪，年平均潮位差為0.84～1.24 m。

按地質(zhì)時(shí)代、成因類型和巖土性質(zhì)，場地自上而下劃分為5 個(gè)主要土層，依次為:人工填石層、海相沉積層、海陸交互相沉積層、殘積層和泥盆系粉砂巖風(fēng)化層。其中，人工填石層平均厚度約10 m，海相沉積層流塑淤泥質(zhì)土（富含有機(jī)質(zhì)）平均厚度9.14 m，海陸交互相沉積層軟塑淤泥質(zhì)土平均厚度6.12 m（富含有機(jī)質(zhì)，層間夾有透鏡沙層），以下為硬塑和堅(jiān)硬巖土層。

地下水位埋深平均約2.92 m，水位受海水潮位影響而變化。地下水主要賦存于人工填石層的石土孔隙中，為上層滯水，與地表水聯(lián)系強(qiáng)；賦存于海陸交互相沉積的透鏡沙層孔隙中，為承壓水，由于受上部淤泥質(zhì)土/淤泥層和下部粉質(zhì)粘土層阻隔，與地表水和砂巖裂隙水聯(lián)系較弱。

根據(jù)地質(zhì)勘察和巖土實(shí)驗(yàn)資料及相關(guān)文獻(xiàn)分析［1-3］，場地地層對工程建設(shè)的影響主要為:

⑴場地分布有海相沉積的淤泥質(zhì)土/淤泥層和海陸交互相沉積的淤泥質(zhì)土/淤泥層為欠固結(jié)土。因淤泥層的滲透系數(shù)很小，含水率高（45%左右）、排水能力弱，其前期固結(jié)壓力小于自重壓力，土體在自重壓力下還沒有達(dá)到壓密平衡，在施加外部荷載后發(fā)生的沉降不但包括附加荷載引起的沉降，而且還包括上覆土層荷載下尚未完成的沉降。

⑵表層塊石填土層和下部土層（含有較多的礫石和巖塊），對樁基施工影響較大。

⑶工程建設(shè)期間和運(yùn)營期間，因不同地段淤泥層厚度不同和巖土特性的差異性，容易引起地基的不均勻沉降，導(dǎo)致建構(gòu)筑物及道路的下沉和開裂等不良現(xiàn)象。

⑷軟土的長期固結(jié)沉降亦會對樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，導(dǎo)致樁的承載力不足。同時(shí)，因場地進(jìn)行了堆載預(yù)壓和高能強(qiáng)夯處理，在淤泥完成固結(jié)前，隨著孔隙水壓力的消散，淤泥穩(wěn)定性較差，周邊堆載等附加荷載過大會進(jìn)一步影響場地淤泥的穩(wěn)定。

⑸海岸線距離本場地較近，受到潮汐的影響。根據(jù)該區(qū)域既有建構(gòu)筑物基礎(chǔ)的安全性分析報(bào)告，大部分區(qū)域淤泥質(zhì)土較為深厚（中部區(qū)域淤泥層累計(jì)厚度達(dá)到29 m），場地內(nèi)地基沉降的固結(jié)變形還未趨于穩(wěn)定；區(qū)域內(nèi)天然基礎(chǔ)后期沉降量較大，沉降差相對較小，沉降較為均勻；樁（混凝土預(yù)應(yīng)力管樁）基礎(chǔ)沉降較少，沉降差較大，由于臺風(fēng)、傾斜偏心和深厚淤泥固結(jié)下沉，對既有樁基礎(chǔ)承載力的削弱作用明顯，其中最小安全系數(shù)為0.813，不能夠滿足安全要求。

2 樁基加固機(jī)理分析

著重于考慮深厚淤泥固結(jié)下沉樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力等綜合因素的不利影響，應(yīng)將提高既有樁基承載力和控制基礎(chǔ)沉降差作為加固補(bǔ)強(qiáng)方案的基本要求。既有樁基自身強(qiáng)度已是定值，提高其承載力應(yīng)該綜合施策，可以依靠提高樁周土體強(qiáng)度和密實(shí)度增大樁身的摩阻力；或者擴(kuò)大樁基承臺面積結(jié)合擴(kuò)散注漿，降低樁基承擔(dān)的荷載；也可以輔助增設(shè)加強(qiáng)樁體，發(fā)揮整體樁基抗力，同時(shí)使樁基沉降差得到有效控制，從而保證樁基的整體穩(wěn)定性。相對來講，后者更易于滿足既有樁基加固補(bǔ)強(qiáng)的基本要求。

場地工程地質(zhì)勘察評價(jià)指出:本場地下部土層中“淤泥穩(wěn)定性較差，周邊堆載等附加荷載過大會進(jìn)一步影響場地淤泥的穩(wěn)定”?？梢?，在既有樁基加固補(bǔ)強(qiáng)過程中，采取靜壓樁機(jī)、水泥土深層攪拌樁機(jī)等超重施工設(shè)備，或加大承臺等附加荷載，都可能影響下部淤泥土層的穩(wěn)定，加劇地基沉降；同時(shí)，還受到施工空間和環(huán)境限制。因此，采用輕型設(shè)備加固施工，降低對下部欠固結(jié)淤泥質(zhì)土層的擾動，是既有樁基加固的必要條件［4］。

為此，經(jīng)過加固方案的反復(fù)比選，確定采用高壓旋噴鋼管混凝土組合樁型的獨(dú)立樁基（以下簡稱組合樁）加固方案。該方案預(yù)先通過淺孔錘引孔穿透地表下約10 m的人工填石層，然后采用高壓旋噴注射水泥漿，形成直徑約600 mm 的水泥土樁，穿過流塑狀淤泥質(zhì)土層進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層，再于水泥土樁上部插入非等長鋼管樁（φ 150 mm），管芯灌注防腐性微膨脹自密實(shí)混凝土。各鋼管樁上部采用剛性措施（擴(kuò)展承臺或托梁等）與既有樁基承臺固接，從而形成組合樁基輔助的樁基加固體，提高既有樁基安全度和穩(wěn)定性。

考慮到海相古沉積淤泥土力學(xué)特征，地表下欠固結(jié)淤泥土層現(xiàn)狀和新增地表附加荷載（人工填石層等）的影響，將使得地表沉降變形和負(fù)摩阻力長期發(fā)展。因此，為保證上部設(shè)備系統(tǒng)正常運(yùn)行，整體加固既有樁基具有其可行性和遠(yuǎn)期意義［5，6］。

3 組合樁模型分析

加固方案所采用的高壓旋噴疊壓鋼管素混凝土組合樁型的獨(dú)立樁基（以下簡稱組合樁）是由2類材料組成的復(fù)合樁（模型見圖1）。其中，組合樁上段由鋼管混凝土樁穿過人工填石層，與承臺或托梁錨固，分擔(dān)既有樁基上部荷載；中段以鋼管混凝土樁疊壓入高壓旋噴水泥樁中央，形成組合樁主體；下段為高壓旋噴水泥樁入強(qiáng)風(fēng)化巖。高壓旋噴水泥樁通過改善水泥土物理力學(xué)性能，增大樁徑和樁體截面，提高組合樁側(cè)摩阻力和樁端阻力；鋼管混凝土樁則能夠增強(qiáng)組合樁抗壓和抗剪切強(qiáng)度，這樣，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的優(yōu)勢互補(bǔ)，綜合提高組合樁的承載力，降低樁基沉降值。

圖1 樁基加固組合樁模型Fig.1 Composite Pile Model of Existing Pile Foundation Reinforcement

該組合樁受力模型主要由樁頂荷載、淤泥層欠固結(jié)沉降引起的負(fù)摩阻力、高壓旋噴水泥土樁體外側(cè)摩阻力和組合樁端阻力構(gòu)成。其中，上段鋼管混凝土樁主要承擔(dān)豎向壓力，側(cè)向由于人工填石層的嵌固作用，能夠控制其水平位移，保證側(cè)向穩(wěn)定；同時(shí)，由于鋼管混凝土芯樁外壁光滑，能夠降低填石層沉降引起的負(fù)摩阻力。中段高壓旋噴水泥土樁體疊壓鋼管混凝土芯樁，并通過調(diào)整水泥漿配比、復(fù)噴和增加鋼管側(cè)壁粗糙度等措施，提高組合樁的整體粘結(jié)性和承載力。這樣，在荷載傳遞過程中，鋼管混凝土芯樁與水泥土樁之間依靠較強(qiáng)的黏結(jié)性，過渡形成中間強(qiáng)度高、外圍強(qiáng)度低的合理的荷載傳遞樁體結(jié)構(gòu)。其主要意義在于提高組合樁強(qiáng)度和測摩阻力，抵抗淤泥層欠固結(jié)沉降引起的負(fù)摩阻力和組合樁頂荷載，降低樁體沉降。根據(jù)柔性水泥土樁荷載和變形傳遞規(guī)律，樁體下部傳遞的內(nèi)力和壓縮變形劇減，影響明顯減弱。為此，下段僅考慮采用高壓旋噴水泥土樁，通過改善淤泥質(zhì)土的物理力學(xué)性能，增加承載力，以顯著降低樁體沉降值［7，8］。

本加固方案采用的組合樁可視為剛性摩擦樁，其承載力應(yīng)同時(shí)考慮:

⑴組合樁樁周土和組合樁樁端土的抗力；

⑵水泥土加給鋼管混凝土芯樁樁側(cè)抗力和鋼管混凝土樁樁端土的抗力；

⑶合樁樁體復(fù)合材料的強(qiáng)度。

取三者可能提供的單樁豎向抗壓承載力的最小值，來確定組合樁的極限承載力。目前，國內(nèi)專家學(xué)者對組合樁機(jī)理和承載力計(jì)算方法取得了諸多研究成果，然而國家有關(guān)技術(shù)規(guī)范對此尚未明確，一般按相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估，最終仍通過靜載實(shí)驗(yàn)確定組合樁承載力［9，10］。

值得注意的是，高壓旋噴水泥土與鋼管混凝土芯樁黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)該保持在一個(gè)合理區(qū)間（即剛度系數(shù)比不宜過?。彩前l(fā)揮組合樁機(jī)能的關(guān)鍵點(diǎn)。

4 負(fù)摩阻力

根據(jù)場地地質(zhì)勘察資料，人工填石層下部海相沉積層淤泥質(zhì)土超固結(jié)比OCR=0.17～0.71，均小于1.0，為欠固結(jié)土層。因?yàn)橥馏w遠(yuǎn)沒有達(dá)到壓密平衡，其變形將持續(xù)發(fā)展，不但發(fā)生自重壓力的固結(jié)沉降，還包括人工填石附加荷載的疊加沉降。這樣，淤泥層相對組合樁向下運(yùn)動，并施加負(fù)摩阻力，會導(dǎo)致組合樁承載力的特征值降低。

在組合樁模型靜力平衡條件中，應(yīng)增加組合樁側(cè)負(fù)摩阻力因素。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范:JGJ 94-2008》，應(yīng)滿足Nk+Qng≤Ra。其中，Qng為負(fù)摩阻力引起的下拉荷載，組合樁基的豎向承載力特征值Ra，只計(jì)中性點(diǎn)以下部分側(cè)阻力和端阻力；中性點(diǎn)深度比ln/l0可參考取值0.5。并提出，中性點(diǎn)以上的樁身可對其表面進(jìn)行處理，以減少負(fù)摩阻力［11，12］。

本場地內(nèi)淤泥質(zhì)土欠固結(jié)沉降引發(fā)的樁基負(fù)摩阻力，是削弱其承載力的重要因素。因此應(yīng)慎重考慮組合樁負(fù)摩阻力影響下的受力平衡狀態(tài)，確定中性點(diǎn)深度比和組合樁數(shù)量，采取降低負(fù)摩阻力措施，比如，組合樁上段采用外壁光滑的鋼管混凝土樁，顯著降低了負(fù)摩阻力的影響，并以增大組合樁截面提升側(cè)摩阻力和端阻力安全儲備。

5 樁基加固技術(shù)分析

本文探討的既有樁基礎(chǔ)加固技術(shù)，在其它基礎(chǔ)加固工程中得到實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，并獲得國家技術(shù)專利證書，是組合樁理論的創(chuàng)新性實(shí)踐。

5.1 技術(shù)特點(diǎn)

⑴針對本地區(qū)臺風(fēng)和潮汐的影響，鋼管混凝土芯樁有利于增強(qiáng)組合樁上部抗壓強(qiáng)度和水平抗力，并提高既有加固樁基的整體抗震能力和延性儲備。

⑵穿過人工填石層的鋼管混凝土樁外側(cè)通過填砂和涂刷防腐漆等形成光滑表面，有利于削弱原加固地基和淤泥土欠固結(jié)沉降施加于組合樁的負(fù)摩阻力，保證加固樁基的整體承載水平。

⑶控制鋼管混凝土芯樁插入水泥土樁的有效長度，既要保證組合樁的豎向承載力，又利于提高工效，降低工程成本。

⑷高壓旋噴樁疊壓鋼管混凝土芯樁工藝，操作輕便，能夠避免因過重樁具等附加荷載和擾動引發(fā)的原有加固地基的加速沉降。

⑸各組合樁通過擴(kuò)展承臺或托梁與既有加固樁基結(jié)成整體，有利于降低臺風(fēng)、潮汐漲落、深厚淤泥固結(jié)下沉對既有樁基產(chǎn)生的偏心傾斜和負(fù)摩阻力等綜合因素的不利影響。

5.2 影響性因素的控制

⑴前文提到，高壓旋噴水泥土與芯樁黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)該保持在一個(gè)合理區(qū)間，保持兩種材料的結(jié)合效果很重要。例如，在插入水泥土中鋼管芯樁側(cè)表面間隔均勻地加焊螺紋短鋼筋、二次注漿和適度調(diào)整注漿液配合比等，提高水泥土與芯樁的粘結(jié)力和組合樁側(cè)摩阻力。

⑵控制水泥土成樁工藝，改善水泥土物理力學(xué)能效。通過漿液配合比、空氣壓力、提升速率、轉(zhuǎn)速、復(fù)噴部位、深度和次數(shù)等合理操控，實(shí)現(xiàn)中間強(qiáng)度高、外圍強(qiáng)度低的荷載傳遞樁體構(gòu)造，并適當(dāng)增加水泥土的厚度以提高組合樁的復(fù)合承載力。

⑶根據(jù)組合樁加載對比實(shí)驗(yàn)（其中，S1#樁鋼管混凝土樁插入旋噴樁8 m，S2#樁鋼管混凝土樁插入旋噴樁12 m。其荷載-沉降曲線（見圖2）表現(xiàn)出，隨著鋼管混凝土樁插入旋噴樁深度的增加，樁頂最大沉降量減少，組合樁的變形主要是由高強(qiáng)度的鋼管混凝土樁控制。

同時(shí)，結(jié)合柔性水泥土樁的荷載與沉降傳遞特點(diǎn)（見圖3），水泥土樁在上部荷載作用下，由于樁體的逐步壓縮變形，荷載沿深度的傳遞急劇衰減，即水泥土樁的受力變形主要發(fā)生于樁體上部，樁體下部的受力變形均較小［13］。施工實(shí)踐中，經(jīng)常在樁體上部1/3 樁長范圍采取復(fù)噴等方法提高該段樁體強(qiáng)度，并控制臨界樁長。

因此，在組合樁影響因素控制方面，應(yīng)該考慮:適當(dāng)增加芯樁的插入深度；在水泥樁與芯樁的結(jié)合段采取復(fù)噴加大該段樁體剛度；確定水泥土樁有效樁長，節(jié)省造價(jià)，改善樁體沉降特性。

圖2 組合樁荷載-沉降曲線Fig.2 The Load-settlement Curve of the Composite Pile

圖3 水泥土樁荷載—位移曲線Fig.3 Load-displacement Curve of Cement-soil Pile

⑷在本場地外緣圍筑海堤、人工填石層局部或外沿注漿，截?cái)嗟乇硭c海潮的聯(lián)系，減低潮汐對樁承臺地基土的沖蝕效應(yīng)；通過研制漿液配合比外加劑或填料，解決酸性有機(jī)質(zhì)淤泥土對水泥土樁的質(zhì)量隱患［2，14］。

6 結(jié)論

本案例既有樁基加固所采用的組合樁可視為剛性摩擦樁，各組合樁與既有樁基通過擴(kuò)展承臺能夠發(fā)揮群樁效應(yīng)，從而整體提高既有樁基的承載力和穩(wěn)定性。然而，由于高壓旋噴注漿難以形成致密均勻的水泥土固結(jié)體，在淤泥土中含有酸性有機(jī)質(zhì)的情況下，水泥土樁強(qiáng)度偏低，一般不易達(dá)到預(yù)期質(zhì)量效果［8］。同時(shí)，所用鋼管混凝土芯樁應(yīng)適當(dāng)增大樁徑，加強(qiáng)組合樁側(cè)向剛度，在更大程度上發(fā)揮其承載潛力和抗變形能力。為此，根據(jù)靜載實(shí)驗(yàn)和相關(guān)檢測資料，通過進(jìn)一步改善其構(gòu)造機(jī)理（增大鋼管混凝土樁直徑及剛度）和成樁工藝，該項(xiàng)加固技術(shù)將增大既有建構(gòu)筑物及設(shè)備基礎(chǔ)加固補(bǔ)強(qiáng)工程的應(yīng)用范圍。同時(shí)，由于其施工快捷、環(huán)境因素影響小以及工程成本低，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，將成為一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的創(chuàng)新型技術(shù)。