深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基分析

匡成華，吳彥青

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)

1 概述

在水利工程中，對有一定深度的軟土地基主要采用復合地基加固、樁基兩類處理方式，水利工程建筑物對地基有防滲要求，采用水泥土攪拌樁復合地基處理，既保證建筑物底板與地基土間緊密結合，又能滿足工程對地基防滲能力及承載力的要求，因此水泥土攪拌樁處理是工程中較常用的復合地基加固措施。由于水泥土攪拌樁復合地基處理在土層深度超過12～15m后，基礎加固處理效果減弱，因此對深度大于15m的深厚軟土地基采用該措施難以達到提高建筑物地基強度與變形控制雙重要求。

對于軟土深度大于15m的地基可采用剛性樁處理穿過深厚軟土層，進入持力層，滿足承載力和沉降控制要求，但剛性樁周軟土的沉降可能超過基樁的沉降，致使建筑物底板與地基土層之間脫空產生空隙，從而形成集中滲流通道，需布設垂直截滲控制措施對基礎截滲。另一方面，在多種荷載影響下，剛性樁樁基的水平位移往往較大，進而帶動水工建筑物的水平位移，如臨空面較高的擋土結構地基采用剛性樁基處理，仍需解決地基整體穩(wěn)定問題。因而，在剛性樁地基處理中常需增加樁間土固化措施，控制樁體水平位移，從而增強地基的整體穩(wěn)定性。剛性樁可以有效保證深厚軟土地基的加固深度，但在發(fā)揮天然地基整體作用、增強天然地基整體穩(wěn)定性方面作用較弱，而同時需要與其他地基處理方式結合使用，以增強天然基礎強度和整體穩(wěn)定性。

在長江大堤無為段I級堤防上的劉拐斗門涵洞的地基處理中，涵洞底部地基為淤泥質粉質粘土和淤泥質粉質壤土，承載力低、壓縮性大，并且軟土層厚度達到近30m，這種工程既需要保證地基強度滿足要求，又需要防止建筑物產生位移、并且減少處理過程中對土基整體穩(wěn)定性的影響，傳統(tǒng)處理方式很難滿足設計要求。因此針對這類深度大于15m的軟土地基，本文以加固天然地基、約束軟土地基垂直與水平變形為目標，將剛-柔性樁組合復合地基與格構墻技術相組合，創(chuàng)新性提出深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基，將剛性樁與柔性樁間隔布置，分深、淺層加固軟土地基，同時利用水泥土攪拌樁形成格構墻，對軟土地基圍固，二者結合，既增強了建筑物地基強度，又提高了復合地基整體作用和抗變形能力。

深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基結構較為復雜，利用現(xiàn)有資料無法對其受力機理進行針對性分析研究。為了合理構造該新型地基處理方式，本文從水泥土攪拌樁格構墻布置、剛性樁與柔性樁作用分擔比、深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基布置方式等三個關鍵點開展分析，合理確定復合地基中剛-柔性樁與格構墻布置。

2 水泥土攪拌樁格構墻布置

基于軟弱地基蠕變特征與破壞原理，提出了以水泥土攪拌樁形成的格構墻為處理措施，約束土體蠕變，解決軟土蠕變引起的地基強度下降與變形增大問題。針對格構墻的深度與布置等開展分析，為深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基分析提供依據。

2.1 格構墻處理深度分析

2.1.1以地基整體穩(wěn)定原則確定

軟土地基常見的破壞型式是穩(wěn)定性破壞，表現(xiàn)為滑坡、基坑隆起、結構歪斜或傾覆等。格構墻作用是加固地基滿足地基整體穩(wěn)定要求。當水利建筑物地基的整體抗滑穩(wěn)定安全系數達不到規(guī)范所規(guī)定的允許最小值時，水泥攪拌樁的處理深度需要到最危險滑弧面以下1.5～2m左右,采用水泥土攪拌樁處理后，應重新復核地基的抗滑穩(wěn)定。

格構墻處理地基的抗滑穩(wěn)定計算通常采用通過基底土層的圓弧滑動面驗算，不計支撐作用時，其安全系數要求不低于1.25。格構墻處理地基抗滑穩(wěn)定可采用瑞典圓弧法或簡化畢肖普法分析計算，地基上建筑物荷載作為附加荷載作用在地基上。計算公式如下：

(1)瑞典圓弧法：

(1)

式中，Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數；Wi—土條重力,kN；ci—土的凝聚力，kPa；li—土條的圓弧長度，m；αi—土條底面中點至圓心的連線與垂直線的夾角，(°)；φi—土的內摩擦角，(°)。

(2)簡化畢肖普法：

(2)

(3)

式中，F(xiàn)s—安全系數；mai—第i個條塊的計算系數，kN；αi—第i個條塊底部的傾角，(°)；Wi—第i個條塊的重量，kN；ci—第i個條塊的凝聚力，kPa；bi—第i個條塊的長度，m。

(3)基坑抗隆起驗算

建筑物基礎土體隆起驗算可采用四種方法，具體如下：

①太沙基及朗肯方法

(4)

式中，p—荷載，kPa；γ—土的濕容重，kN/m3；c—粘聚力，kPa；B—基坑寬度，m；H—開挖寬度，m；

上述公式一般適用在假設土體內摩擦角φ=0，滑動面為圓筒面與平面所組成。

太沙基提出，粘土地基極限支持力qd用粘聚力c表達的公式為

qd=5.7c

(5)

抗隆起安全系數F為：

(6)

②契鮑塔列夫方法

(7)

式中，F(xiàn)—抗隆起安全系數；D—基坑底面至硬土層的深度，m；L—基坑開挖面長度，m。

③美國海軍設施工程師設計手冊(NAVFACDM—71971)方法，該法載于：H.F.Wul-terkpom.H.Y.Fang(Foundation.Eengineering.Handbook)1850。該法建議安全系數為1.5。

作用在板樁埋入深度以上的荷載：

如d≥2B/3,p=0.7(γHB-1.4cH-πcB)

如d<2B/3,p=1.5dB(γHB-1.4cH-πcB)

(8)

式中，d—坑底二邊緣以45角相交后相交點到坑底之高度，m。

抗隆起安全系數F為：

(9)

式中，Nc—承載力系數；c—土的粘聚力，kPa；H—基坑深度，m；γ—土的濕容重，kN/m3；q—地面荷載，kPa。

④同時考慮土體的c、φ值的抗隆起驗算法。對于粘性土，在考慮抗剪強度中，應包括c和φ的因素，因此需同時考慮c、φ值得影響。

此方法在參照Pandtl和Terza-ghi所提出的地基承載力公式的基礎上，將墻底面作為求極限承載力的基準面，其土體塑性滑動線如圖1所示。

圖1 考慮土體值得抗隆起驗算示意圖

上部荷載重為：p1=γ(H+D)+q

底面承載力為：pr=γDNq+cNc

(10)

式中，D—格構圍固體的入土深度，m；H—基坑的開挖深度，m；c—土的粘聚力，kPa；γ—坑內土層容重加權平均值，kN/m3；γ1—坑外土層容重加權平均值，kN/m3；q—地面荷載，kPa；Nq、Nc—底面承載力系數。

2.1.2以控制軟土側向蠕變原則確定

根據胡琦針對軟土進行的剪切試驗可以發(fā)現(xiàn)，剪切蠕變特性與剪應力大小呈正相關，在剪應力與極限抗剪強度比值R>50%時，蠕變對土體的影響不能忽略。因建筑物地基的受力特征，地基附加應力在荷載作用下可分為正向附加應力σ1、側向附加應力σ3。根據摩爾-庫侖理論，土體破壞面上的剪應力與土體主應力(σ1-σ3)關系成正比，從深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基結構來看，格構墻的主要作用是利用對地基土體形成的圍壓，增大地基中側向主應力σ1，從而減少正向主應力σ1與側向主應力差值即(σ1-σ3)，可達到減少剪應力的目的。地基的剪應力分布極其復雜，且隨深度是變化的，與軟土特性、荷載特點、邊界條件、地下水滲流特征等有關，為控制軟土蠕變對地基穩(wěn)定與變形影響，格構墻圍固深度應滿足剪應力與極限抗剪強度比值達到R≤50%水平。在實際工程上可通過有限元方法分析地基應力分布，而從確定格構墻深度。

2.2 格構墻平面布置與強度復核

在使用格構墻控制土體蠕變、提高地基強度的同時，還應考慮格構墻是否能滿足自身強度要求。由于荷載變化、土層不均勻等因素，格構墻兩側土壓力往往有差異，形成壓差，產生不平衡剪力，因此格構墻除承受基礎直接傳遞的荷載外，還要承受復合地基協(xié)同作用所產生的附加應力。為了防止墻體受到破壞，在格構墻的布置中需要通過側壓力分析、墻體強度復核其合理性。

(1)格構墻側壓力計算

基礎荷載通過褥墊層調整傳遞到地基上，墻與格構內地基土體壓縮模量差異性較大，可按公式(10)、(11)計算格構墻所承受的水平側壓力：

Aσy+γAdy=ξσytanΦ0ωdy+(σy+dσy)A

化簡得

(11)

式中，γ—地基土容重，kN/m3；Ф0—地基土與格構墻之間的摩擦角，(°)；A—格構的平均面積，m2；ω—格構的周界長度，m；y—地基深度，m。

根據y=0，σy=0的邊界條件，可以獲得微分方程式的解答如下：

(12)

當考慮基底附加應力σ0，格構墻的側壓力等于τ

(13)

從上式看出，地基自上而下格構墻側壓力是個增大至減弱的過程。格構墻側向應力也可通過有限元方法進行計算。

(2) 格構墻厚度確定

根據所計算的格構墻兩側土壓力差，計入滲流等產生的水壓力差，計算出格構墻最大不平衡剪力Qh，格構墻厚度d需滿足下列強度要求：

d×τq≥Qh

(14)

式中，τq—水泥土攪拌樁墻抗剪強度。

2.3 分析小結

軟土地基采用攪拌樁格構墻分隔與圍封，荷載作用下在地基土層能形成圍壓，提高側向主應力σ3，減少土體剪應力，達到控制土體側向變形效果。對水泥土攪拌樁格構墻處理深度、布置等開展的研究，提出按超過深層滑動面深度2m確定格構墻處理深度，大臨空面建筑物地基格構墻處理后需滿足基坑抗隆起安全計算要求。格構墻的布置間距影響到控制軟土側向蠕變的效果，工程上一般根據基礎、地基、荷載等特征進行布置。分析認為，采用有限元等方法分析格構墻內土體應力及格構墻兩側土壓力差，計算墻體不平衡剪力，并按滿足強度要求確定格構墻厚度，以保證格構墻的整體作用。

3 剛性樁與柔性樁作用分擔比分析

使用柔性樁對地基進行處理時，通過向地基中攪拌注入水泥，從而形成柔性樁—水泥土攪拌樁，提高地基承載力，但柔性樁的處理效果隨著軟基深度增加而逐漸減小，在大于15m的深厚軟土地基處理中很難發(fā)揮效用；使用剛性樁則可以穿過軟土層，加固深層軟土，但由于剛性樁周軟土的沉降可能超過基樁的沉降，致使結構底板與地基間脫空，最終形成集中滲流通道。因此本文提出工程中使用剛-柔性樁結合的方式對地基進行處理，提高地基強度，以滿足承載力要求，同時可以有效處理厚度大于15m的深層地基，并且能夠有效控制地基沉降。但需要注意的是深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基一方面需要通過控制復合地基置換率滿足承載力要求；另一方面需要防止因剛性樁比例大而出現(xiàn)建筑物沉降值過小，不能有效發(fā)揮樁間土作用，甚至產生底板與地基脫空現(xiàn)象。因此深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基需合理確定數量的剛性樁，真正能發(fā)揮其對地基沉降的控制作用，使建筑物地基沉降控制在合理范圍內。組合復合地基中剛-柔性樁布設比例確定，主要考慮因素是沉降控制需要，因此需要進行復合地基承載力、沉降兩方面分析計算，從而確定剛-柔性樁布設比。

3.1 剛-柔性樁在復合地基承載力計算

柔性樁以水泥土攪拌樁為主，數量較多，對地基有一定的加固、改良作用，按有關地基處理規(guī)范提出的復合地基承載力計算方法及公式計算柔性樁處理后的復合地基承載力是合理、可行的。在此計算基礎上再與剛性樁復合，計算剛-柔性樁在復合地基承載力。剛-柔性樁與格構墻復合地基中剛性樁雖然單樁作用較強，但在復合地基中其作用不強，因此把剛性樁、柔性樁平行分別按不同置換率計入復合地基承載力計算中，比較符合剛-柔性樁與格構墻復合地基的實際情況。計算公式如下：

fspk=βp1m1Ra1/Ap1+βp2m2Ra2/Ap2+βs(1-m1-m2)fsk

(15)

式中，Ap1—剛性樁樁的單樁截面積，m2；Ap2—柔性樁的單樁截面積，m2；Ra1—剛性樁的單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ra2—柔性樁的單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；fsk—樁間土地基承載力特征值，kN；m1—剛性樁的面積置換率；m2—柔性樁的面積置換率；βp1—剛性樁豎向抗壓承載力修正系數，宜綜合復合地基中剛性樁實際豎向抗壓承載力和復合地基破壞時長樁豎向抗壓承載力發(fā)揮度，結合工程經驗取值；βp2—柔性樁豎向抗壓承載力修正系數，宜綜合復合地基中短樁實際豎向抗壓承載力和復合地基破壞時短樁豎向抗壓承載力發(fā)揮度，結合工程經驗取值；βs—樁間土地基承載力修正系數，宜綜合復合地基中樁間土地基實際承載力和復合地基破壞時樁間土地基承載力發(fā)揮度，結合工程經驗取值。

3.2 剛-柔性樁復合地基沉降計算

根據現(xiàn)有資料，可主要采用二種方法計算剛-柔性樁復合地基沉降：

(1)基于土體的計算方法

①全復合地基模式

當P≤T，將短樁范圍內群樁僅考慮為實體深基礎是不合適的，這勢必導致樁越長，樁與樁間土組合重量G越大計算沉降越大的不合理結果。復合地基沉降分為三部分。

S=S1+S2+S3

(16)

式中，S1—剛-柔性樁復合區(qū)域壓縮量，S2—剛性樁復合區(qū)域壓縮量，S3—下臥層壓縮量。

計算S1的復核模量計算式為

Ecs1=m1Ep1+m2Ep2+(1-m1-m2)Es

(17)

式中，Ep1—剛性樁壓縮模量，Ep2—柔性樁壓縮模量，Es—樁間土壓縮模量。

計算S2的復核模量計算式為：

Ecs2=m1Ep1+(1-m1)Es

(18)

②等代實體加復合地基模式

當P>T，基礎沿長、寬周邊深度的剪力抵抗不住外荷載的作用，剛-柔性樁復合區(qū)域四周土體產生很大的剪切應變。S1主要樁體壓縮，相對于S2、S3，S1變形可以忽略，則

S=S2+S3

(19)

采用分層總和法，從短樁樁尖平面開始計算復合地基的最終沉降量。計算S2的復核模量采取式(20)求解時，要考慮樁尖的刺入作用：

Ecs2=μm2Ep1+(1-m1)Es

(20)

式中，μ—模量發(fā)揮度。

(2)基于樁身的計算方法

以剛性樁為分析研究對象，剛-柔性樁復合地基總沉降主要包括剛性樁樁身壓縮量、下臥層沉降、剛性樁相對于褥墊層和樁端土的塑性刺入變形等。

S=S1+S2+S3

(21)

式中，S1—樁身壓縮變形，S2—樁端以下部分土層的壓縮變形，S3—樁相對上部褥墊層和和樁端土的塑性刺入變形。

3.3 剛性樁與柔性樁作用分擔比

在深厚軟土地基中，建筑物基礎范圍內，在淺層布置水泥攪拌樁固化軟土，并在中間布置穿透軟土層支承于持力層的剛性樁，使剛性樁與水泥攪拌樁及樁間土共同承受上部荷載，形成一種新型復合地基，以滿足承載力及控制建筑物沉降變形需要。因此，以在力求上部荷載作用下，剛性樁、柔性樁、格構墻及樁間土的應力狀態(tài)良好，建筑物底板與復合地基協(xié)同變形，復合地基各部位承受的應力均小于各材料允許應力，變形基本一致的原則，確定剛性樁和柔性樁各自承擔荷載的比例。

根據分析計算和實際工程經驗，剛性樁為PHC端承摩擦樁，當剛性樁承擔上部荷載比例為30%～40%時，各材料均能發(fā)揮作用，建筑物底板與復合地基變形基本一致。

4 復合地基布置方式

深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基主要包括：柔性樁、褥墊層、剛性樁、柔性樁和格構墻。平面布置為：格構墻將軟土地基分塊圍固，格構墻中布設淺層柔性樁和穿過軟土層的大間距剛性樁，格構墻與剛-柔性樁頂設置褥墊層。柔性樁為水泥攪拌樁，樁長結合地層分布、建筑物變形控制、地基強度與穩(wěn)定要求等因素確定，柔性樁樁長一般為8～15m。剛性樁可采用預制管樁，應穿透軟土層，支承于持力層，樁的長度一般20～40m，樁內回填灌砂，頂部0.5m范圍內采用C25細石混凝土封堵，剛性樁間距應大于樁直徑的3倍。格構墻為柔性樁連續(xù)布置形成，沿建筑物外輪廓線布置，平面形狀為長方形，內部可增設縱橫內隔墻，單個格構平面面積不超過50m2，長寬比小于4。格構墻深度與柔性樁長度相同，一般為8～15m。深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基布置如圖2—5所示。

圖2 深厚軟土剛-柔性樁與格構墻復合地基平面布置圖

5 工程實例

根據上述理論和計算方法，在解決劉拐斗門地基沉降及水平位移問題中，采用剛-柔性樁與格構墻組合復合地基處理技術進行加固處理。在涵洞基礎范圍內布置攪拌樁，樁距1.0m，在涵洞兩側邊線及涵洞節(jié)間分縫位置布置兩排水泥攪拌樁形成格構墻，攪拌樁樁徑0.5m，樁長14.0m；間隔布置PHC管樁，樁徑0.4m，樁距1.8m，樁長24～32m，進入相對硬土層2.0m。在地基處理層上設置一層塑性混凝土褥墊層，墊層厚0.8m。

圖3 A- A剖面圖

圖4 B- B剖面圖

圖5 管樁樁頭處理圖

工程于2015年開始建設，2016年完工。經過復合地基處理后，涵洞沉降在30mm以內，經過4年多的運行，涵洞一切正常，未發(fā)現(xiàn)較大沉降及位移，滿足預期設計要求，并且已在蕪湖縣十三連圩居家角站、花渡閘等項目運用，均取得良好的技術效果及經濟效益。

6 總結

以加固深厚軟土地基為目標，創(chuàng)新性提出了深厚軟土剛-柔性樁與格構墻組合的新型復合地基，采用格構式水泥攪拌樁墻加固地基軟弱土層并約束其側向變形，間隔布置剛性樁貫穿深厚軟土并支承在相對硬土層中，對深厚軟弱地基全深度加固，形成水泥土攪拌樁墻、端承摩擦剛性樁和樁間土共同作用的新型復合地基，有效地提高了軟土地基強度與抗變形能力。從水泥土攪拌樁格構墻布置、剛性樁與柔性樁作用分擔比、剛-柔性樁組合布置方式等三個關鍵點開展分析，合理確定復合地基中剛-柔性樁與格構墻布置。