某封閉煤場(chǎng)改造項(xiàng)目鉆孔灌注樁與勁性復(fù)合樁方案對(duì)比分析

王海東，隋明昊，牛井恒，胡云鵬，張旭成

（1.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

勁芯復(fù)合樁是一種新型的地基處理技術(shù)，該技術(shù)是在水泥土攪拌樁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，即在水泥土攪拌樁成樁之后，水泥土初凝之前用壓樁技術(shù)將剛性加強(qiáng)體（管樁、型鋼等）壓入水泥土內(nèi)，形成剛性加強(qiáng)體與水泥土的復(fù)合樁共同承受上部荷載［1］。勁芯復(fù)合樁十分適用于沿海軟土地基處理，它綜合了單一樁型（如柔性砂石樁、半剛性水泥土樁和剛性混凝土樁）的優(yōu)點(diǎn)，能根據(jù)土質(zhì)情況、上部結(jié)構(gòu)要求、加固目的而有針對(duì)性地、靈活地采取多種組合方式，調(diào)整各種樁的樁徑、樁長(zhǎng)、強(qiáng)度、施工工藝參數(shù)等，使復(fù)合樁充分發(fā)揮出樁周軟土摩阻力和樁底阻力，且匹配具有一定強(qiáng)度的材料而產(chǎn)生足夠高的單樁承載力，滿足不同的設(shè)計(jì)要求［2］。

由柔性砂石樁（S）、半剛性水泥土樁（M）和剛性混凝土樁（C）可構(gòu)成多種組合方式的多元復(fù)合地基樁，如SM、SC、MC、SMC 等，其中 MC 即是目前大量被運(yùn)用推廣的“MC 高強(qiáng)復(fù)合地基樁”和“長(zhǎng)短樁”復(fù)合地基樁［2］。

勁性復(fù)合樁突破了單一樁型的局限性，“將 S 樁（散體樁）、M 樁（半剛性樁）、C 樁（剛性樁）中兩種或三種樁型復(fù)合為同一樁體，形成有互補(bǔ)增強(qiáng)作用的復(fù)合樁［3］，是技術(shù)組合的創(chuàng)新和應(yīng)用，其樁身具有較高的強(qiáng)度、剛度、密度和均勻性，且與樁周土具有共同工作性能”（見(jiàn)圖 1），適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、砂土以及人工填土地基。

圖1 某工程勁性復(fù)合樁照片

在上覆土層厚度大、性質(zhì)較好的樁端持力層埋深較深的場(chǎng)地，特別是在一些特殊性巖土場(chǎng)地，比如場(chǎng)地上覆土層中存在較厚的濕陷性土層，樁長(zhǎng)須穿透濕陷性土層，并且要考慮負(fù)摩阻力的不利影響；限于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和封閉煤場(chǎng)項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)對(duì)樁基礎(chǔ)抗水平推力的要求較高，采用鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)往往很長(zhǎng)，施工質(zhì)量不宜保證，造價(jià)較高，而且工期也比較長(zhǎng)。

1 工程實(shí)例分析

1.1 工程概況

某發(fā)電有限責(zé)任公司煤場(chǎng)揚(yáng)塵治理工程分為一二期和三期兩個(gè)煤場(chǎng)，擬建全封閉煤場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)擬采用張弦拱桁架結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)跨度約 180 m，長(zhǎng)度約 210 m；桁架支座反力豎向約為 5000 kN，水平反力約為 2 000 kN。擬建工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，擬采用灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)承臺(tái)埋深約 2.5 m，樁徑 1 000 mm，單樁承載力特征值約 2 000 kN，水平承載力特征值約 200 kN。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程煤場(chǎng)改造區(qū)域主要土層構(gòu)如下。

1.3 地下水條件

勘察期間屬于枯水期，勘察深度范圍內(nèi)存在地下水，地下水類型屬于孔隙潛水，主要賦存于第④層粉土、第⑤層粉質(zhì)黏土中，涌水量不大，初見(jiàn)水位埋深 30.3～31.9.0 m，水位高程 460.69～463.21 m，靜止水位埋深 29.6～31.3 m，水位高程 460.89～463.81 m，地下水水位隨季節(jié)性變化較大，主要受大氣降水為補(bǔ)給條件，以蒸發(fā)和徑流方式排泄。水位受大氣降水的影響顯著，枯水季節(jié)和豐水季節(jié)水位變化在 1.0 m 左右。

1.4 鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)計(jì)算

1.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

樁型及成樁工藝采用干作業(yè)成孔灌注樁，樁徑 1.00 m，樁長(zhǎng) 32.00 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí) C30，縱向受力鋼筋采用Φ25@HRB400，加強(qiáng)筋Φ14@HRB400，混凝土保護(hù)層厚度 50 mm，樁頂水平位移允許值取 10 mm，樁頂標(biāo)高 488.50 m，巖土性能參數(shù)如表 1 所示。

表1 鉆孔灌注樁巖土性能參數(shù)表

1.4.2 計(jì)算結(jié)果

1）單樁豎向承載力特征值。單樁豎向承載力特征值可按下式計(jì)算，見(jiàn)式（1）。

式中：u 為樁的周長(zhǎng)，m；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁的截面面積，m2；qsik為樁周第 i 層土的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpk為樁徑為 800 mm 的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為第 i 層土的厚度，m；K 為安全系數(shù)，取 2。

2）單樁水平承載力特征值。單樁水平承載力特征值按下式計(jì)算，見(jiàn)式（2）。

E I 為樁身抗彎剛度，對(duì)于鋼筋混凝土樁，EI =0.85ECI0；其中 EC取3.0×104MN/m2，I0為樁身?yè)Q算截面慣性矩：圓形截面為I0=W0b0/2；vx為樁頂水平位移系數(shù)，樁頂約束情況為鉸接，取值為 2.441；m 為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，取 4.0 MN/m4；ρg為樁身配筋率，取 0.873 %；b0為樁身計(jì)算寬度，b0=0.9（1.5d+0.5）；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，取 6.67；d0為扣除保護(hù)層厚度的樁直徑，取 0.90 m；

3）考慮承臺(tái)效應(yīng)、群樁效應(yīng)的基樁承載力。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，承臺(tái)下預(yù)計(jì)需要 9 根灌注樁，灌注樁布置如圖 2 所示。因承臺(tái)底的土層為濕陷性土層，依據(jù) JGJ 94－2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第 5.2.3 條、5.2.5 條［4］，對(duì)基樁豎向承載力特征值，不考慮承臺(tái)效應(yīng)，取單樁豎向承載力特征值。

圖2 鉆孔灌注樁布置示意圖

依據(jù)同類項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，上部結(jié)構(gòu)反力水平荷載較大，樁數(shù)一般由水平力控制。按最不利工況下，縱向主桁架水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值約 2 200 kN，縱向擬采用 9 根灌注樁，承臺(tái)尺寸 9 m×8 m，樁中心距取 3.00 m，以此計(jì)算群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力［5-6］。

根據(jù) JGJ 94－2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.7.3 條，群樁基礎(chǔ)的基樁水平承載力特征值應(yīng)考慮由承臺(tái)、樁群、土相互作用產(chǎn)生的群樁效應(yīng)，可按式（3）～（7）確定。

式中：ηc為群樁效應(yīng)綜合系數(shù)；ηi為樁的相互影響效應(yīng)系數(shù)；ηr為樁頂約束效應(yīng)系數(shù)，取 2.05；ηl為承臺(tái)側(cè)向土水平抗力效應(yīng)系數(shù)，取 0；ηb為承臺(tái)底摩組效應(yīng)系數(shù)；Sa/d 為沿水平荷載方向的距徑比；n1n2為分別為沿水平荷載方向與垂直水平荷載方向每排樁中的樁數(shù)，取 3；μ 為承臺(tái)底與地基土間的摩擦系數(shù)，取 0.25；Pc為承臺(tái)底地基土分擔(dān)的豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；ηc為承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)，取 0；A 為承臺(tái)總面積，m2；Aps為樁身截面面積，m2。

經(jīng)計(jì)算：?jiǎn)螛冻休d力特征值 Ra=1 510 kN，單樁水平承載力特征值 Rha=176 kN；考慮群樁效應(yīng)的水平承載力特征值 Rh=234 kN。

1.5 勁性復(fù)合樁設(shè)計(jì)計(jì)算

1.5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

樁型采用 MC1100（600）長(zhǎng)芯樁，外圍水泥土樁有效長(zhǎng)度 22 m，芯樁采用 PHC-600（130）AB-13，樁頂標(biāo)高按 489 m 計(jì)。以 ZK08 為例，孔口標(biāo)高為 493.23 m，M 樁樁徑 1 100 mm，樁長(zhǎng) 18.52 m；C 樁樁徑 600 mm，樁長(zhǎng) 26 m；M 樁樁身周長(zhǎng) 4.838 m，C 樁樁身周長(zhǎng) 1.885 m；M 樁樁端面積 0.950 m2，C 樁樁端面積 0.283 m2。巖土參數(shù)如表 2 所示。

1.5.2 單樁豎向承載力計(jì)算

根據(jù) JGJ/T 327－2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》第 4.3 節(jié)進(jìn)行單樁承載力估算。

1）樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時(shí)，基樁豎向抗壓承載力特征值按下式估算，見(jiàn)式（8）。式中：Ra為勁性復(fù)合樁單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；為勁性復(fù)合樁內(nèi)芯樁身周長(zhǎng)，m；lc，lj為分別為勁性復(fù)合樁復(fù)合段長(zhǎng)度和非復(fù)合段第 j 土層的厚度，m；為勁性復(fù)合樁內(nèi)芯樁身截面積，m2；為勁性復(fù)合樁復(fù)合段內(nèi)芯側(cè)阻力特征值，kPa，取室內(nèi)相同配比水泥土試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下 90 d 齡期的立方體（邊長(zhǎng) 70.7 mm）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的 0.08 倍，設(shè)計(jì)要求該無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.6 MPa；為勁性復(fù)合樁非復(fù)合段內(nèi)芯第 j 土層側(cè)阻力特征值，kPa；為勁性復(fù)合樁內(nèi)芯樁端土的端阻力特征值，kPa。

經(jīng)計(jì)算，Ra=4 367 kN。

2）樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土界面時(shí)，基樁豎向抗壓承載力特征值按下式估算，見(jiàn)式（9）。

式中：u 為勁性復(fù)合樁復(fù)合段樁身周長(zhǎng)，m；li為勁性復(fù)合樁復(fù)合段第 i 土層厚度，m；qsia為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第 i 土層側(cè)阻力特征值，kPa；qpa為勁性復(fù)合樁段阻力特征值，kPa；ξsi為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第 i 土層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，Ra=5 889 kN。

3）依據(jù)《10G409 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》，PHC-600（130）AB 型管樁樁身結(jié)構(gòu)軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值 Rp=4 824 kN，管樁樁身能承受單樁最大豎向抗壓承載力特征值 Ra=Rp/1.35=3 573.33 kN。

表2 勁性復(fù)合樁巖土性能參數(shù)表

4）勁性復(fù)合樁設(shè)計(jì)單樁抗壓承載力特征值取 2 500 kN，小于上述1）～3）確定的承載力特征值，驗(yàn)算通過(guò)。

1.5.3 水平承載力特征值

依據(jù)《10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》，PHC-600（130）AB 型管樁樁身受剪承載力設(shè)計(jì)值 Vp=352 kN管樁樁身能承受單樁最大水平承載力特征值 Va=Vp/1.35=260.74 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.5.4 勁性復(fù)合樁布置

本工程擬采用 MC 長(zhǎng)芯勁性復(fù)合樁，主桁架承臺(tái)埋深 2.5 m，外芯采用高壓旋噴水泥土樁（濕法攪拌工藝），樁徑Φ1 100 mm、有效樁長(zhǎng) L=22 m；四周搭接四根Φ950 mm 水泥土樁，有效樁長(zhǎng)L=7 m，P.O.42.5 水泥摻入量 15 %～18 %，四攪兩噴；內(nèi)芯采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁 PHC-600（130）AB，混凝土強(qiáng)度 C80，有效樁長(zhǎng) 26 m。內(nèi)芯采用錘擊打入，樁端支承于第④層粉土，屬端承型摩擦樁。管樁單樁豎向抗壓承載力特征值預(yù)計(jì) 2 500 kN，水平承載力特征值（10 mm 臨界值）250 kN。勁性復(fù)合樁示意如圖 3 所示。

圖3 勁性復(fù)合樁布置示意圖

1.5.5 試樁檢測(cè)

1）豎向靜載荷試驗(yàn)。本工程共進(jìn)行 3 組試樁，分別為 S1、S2、S3，載荷試驗(yàn)在設(shè)計(jì)要求的最大荷載下 p-s 曲線呈緩變型，無(wú)明顯拐點(diǎn)，在極限承載力 5 000 kN 作用下，沉降量分別為S1=10.12 mm，S2=13.08 mm，S3=12.74 mm，滿足要求。

2）水平承載力載荷試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水平載荷試驗(yàn)連續(xù)循環(huán)加壓，在加壓至設(shè)計(jì)值 250 kN 時(shí)，水平位移 S1=3.53 mm，S2=4.54 mm，S3=4.17mm；在加壓至極限值 500 kN 時(shí)，水平位移 S1=7.75 mm，S2=8.52 mm，S3=8.32 mm；當(dāng)位移達(dá)到 10 mm 時(shí)，水平承載力加載值分別為 S1加壓至 585 kN，S2加壓至 560 kN，S3加壓至 565 kN。

3）樁身完整性檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行 3 根樁的低應(yīng)變檢測(cè)，波速范圍值 3 950～4 350 m/s，均為Ⅰ類樁。

2 兩種方案的對(duì)比分析

2.1 工作量對(duì)比

2.1.1 鉆孔灌注樁

本項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)樁徑 1 000 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)達(dá) 32 m，該方案一二、三期煤場(chǎng)工程量如表 3 所示。

表3 灌注樁方案工程量統(tǒng)計(jì)

2.1.2 勁性復(fù)合樁

本工程擬采用 MC 長(zhǎng)芯勁性復(fù)合樁，該方案一二、三期煤場(chǎng)工程量如表 4 所示。

2.2 技術(shù)對(duì)比分析

2.2.1 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁方案成孔方式可采用旋挖成孔或泥漿護(hù)壁旋挖成孔，成孔方式為非擠土，不能消除場(chǎng)地土的濕陷性，豎向承載力計(jì)算時(shí)需考慮 ②～③ 層土的負(fù)摩阻力；水平承載力計(jì)算時(shí)頂部樁側(cè)土約束較弱，水平抗力比例系數(shù) m 值較低，造成樁徑及樁長(zhǎng)尺寸較大；另外，鉆孔灌注樁施工采用泥漿護(hù)壁施工時(shí)，孔底沉渣厚度不宜控制，影響成樁質(zhì)量，泥漿會(huì)污染施工場(chǎng)地。

表4 勁性復(fù)合樁方案工作量統(tǒng)計(jì)表

表5 樁基施工方案工期對(duì)比

2.2.2 勁性復(fù)合樁

勁性復(fù)合樁方案施工時(shí)先行噴水濕法攪拌，預(yù)先消除樁周土層濕陷，同時(shí)水泥土四攪兩噴，提高了內(nèi)芯預(yù)制管樁與外芯水泥土之間的樁側(cè)摩阻力，因此可提高預(yù)制管樁的豎向承載力。預(yù)制管樁采用錘擊沉樁，沉樁過(guò)程產(chǎn)生的擠土效應(yīng)可消除土的濕陷性。此外，頂部外芯水泥土樁側(cè)搭接水泥土樁，水泥土樁連成整體田字型格柵狀，可提高樁基的水平承載力。因此，與灌注樁方案相比，所需內(nèi)芯樁徑及樁長(zhǎng)均較小，且基樁水平承載力更高。

2.3 工期對(duì)比分析

以一二期煤場(chǎng)為例，兩種樁基施工方案所需的工期如表 5 所示，與常規(guī)灌注樁方案對(duì)比，如采用勁性復(fù)合樁方案，每個(gè)煤場(chǎng)的樁基施工周期可由 30 d 縮短至 18 d。

3 結(jié)論

1）本工程擬采用 MC 長(zhǎng)芯勁性復(fù)合樁，每個(gè)承臺(tái)下擬采用外芯為 M 樁（高壓干濕法旋攪水泥土樁）、中芯樁為 C 樁（PHC-600（130）AB-C80）、勁性樁體上部采用互相搭接的水泥土樁（有效長(zhǎng)度 7 m，直徑1 100 mm）形成“田”字型連體格柵的連體協(xié)力勁性復(fù)合樁形式。

2）勁性復(fù)合樁集置換、豎向增強(qiáng)、排水排氣、固結(jié)、膠結(jié)、壓密、充填、振密、擠密等于一體［2］，可有效提高軟基強(qiáng)度及穩(wěn)定性，降低地基壓縮沉降量，并保證地基均勻性，從而滿足不同設(shè)計(jì)要求（復(fù)合樁長(zhǎng)一般僅需達(dá)淺層相對(duì)較硬持力層）。樁身造價(jià)低廉、強(qiáng)度較高、質(zhì)量可靠。

3）勁性復(fù)合樁能大幅提高地基承載力、加快軟土固結(jié)，減少地基沉降（沉降量?jī)H為天然地基的 20 %、單一樁型的 50 % 左右），縮短工后穩(wěn)定期，同時(shí)解決了由軟弱土層共生的復(fù)雜地基不均勻性問(wèn)題，減少建筑物不均勻沉降的發(fā)生。

4）勁性復(fù)合樁由成熟工法組合或復(fù)打而成，融合各樁優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)有效避免了單一樁型的固有缺陷。其單樁承載力、復(fù)合地基承載力、壓縮模量和變形計(jì)算、驗(yàn)收檢測(cè)等均有國(guó)家規(guī)范規(guī)程、樁基理論參照，避免了一般新技術(shù)、新工藝推廣應(yīng)用中的不利因素障礙，確保建造部門(mén)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

5）針對(duì)本工程的濕陷性土層，勁性復(fù)合樁可通過(guò)調(diào)整樁徑、樁長(zhǎng)、摻灰量、強(qiáng)度、顆粒級(jí)配、攪拌和復(fù)打次數(shù)，充分發(fā)揮復(fù)合樁周軟土摩阻力和樁底阻力，并匹配材料強(qiáng)度，進(jìn)而提供充足的單樁承載力。

6）勁性復(fù)合樁在上覆土層分布深厚、基巖埋深較大的場(chǎng)地有突出的優(yōu)勢(shì)，克服了鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)采用泥漿護(hù)壁減小側(cè)壁摩阻力的風(fēng)險(xiǎn)，也克服了深厚覆蓋層如砂層中沉渣太厚的問(wèn)題，同時(shí)可以改變樁側(cè)土的強(qiáng)度，消除濕陷性，是一種可靠的樁基礎(chǔ)方案。