素混凝土樁復(fù)合地基在擋土墻軟土地基處理中的應(yīng)用

焦 倓，王瑞春

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 廣州510060）

0 引言

華南沿海地區(qū)廣泛存在深厚軟土地基，對于市政工程而言，軟基處理技術(shù)較為復(fù)雜，單項造價占整個項目的比重大，合理可行的處理方案將會對市政道路的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益提供強(qiáng)有力的保證。

軟土地基處理的主要方法有復(fù)合地基、換填墊層、排水固結(jié)等。如項目具有軟土厚度和附加荷載大、建設(shè)工期緊等特點，通常采用復(fù)合地基處理工藝。復(fù)合地基工藝一般包括水泥攪拌樁、旋噴樁、預(yù)應(yīng)力管樁、CFG 樁、素混凝土樁等，可根據(jù)不同的建設(shè)條件選擇不同的復(fù)合地基處理方法。相較于水泥攪拌樁，素混凝土樁作為一種剛性樁，能提供較高的地基承載力，同時具有施工工期短、造價較低、施工難度較小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于實際工程中。

近些年來，關(guān)于剛性樁復(fù)合地基的研究成果很多，國家和廣東省也發(fā)布了相關(guān)技術(shù)規(guī)范［1-4］，詳細(xì)說明和規(guī)定了素混凝土樁的適用范圍、承載力和地基沉降計算等設(shè)計內(nèi)容。但研究多集中在CFG 樁和混凝土管樁，關(guān)于素混凝土樁的研究較少。陶景暉等人［5］基于試驗數(shù)據(jù)，對復(fù)合地基的工作機(jī)理、荷載分擔(dān)特性、樁身應(yīng)力分布特征、基礎(chǔ)沉降特點等進(jìn)行了分析，并探討了樁底后注漿工藝對復(fù)合地基工作性狀的影響；鄂海清［6］在佛開高速拓寬工程中，對素混凝土樁復(fù)合地基處理工藝進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，研究復(fù)合地基的沉降變形特性。陳躍進(jìn)等人［7］在高層建筑中應(yīng)用素混凝土樁復(fù)合地基，闡述了其設(shè)計要點。吳建濤等人［8］通過廣東省某高速公路原位試驗，研究了振動沉管施工素混凝土樁的擠土效應(yīng)。羅文輝［9］結(jié)合某高速公路擴(kuò)建工程，研究了素混凝土樁復(fù)合地基施工質(zhì)量控制措施，形成一套質(zhì)量管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。譚化川等人［10］采用長螺旋鉆機(jī)成孔的C25 素混凝土樁復(fù)合地基處理高速公路軟基，效果良好。

在廣州沿海地區(qū)的某市政道路擋墻地基處理設(shè)計中，經(jīng)過多方案比選，決定采用素混凝土樁復(fù)合地基，從實施情況看，施工參數(shù)合理，檢測結(jié)果滿足要求。本文總結(jié)了素混凝土樁復(fù)合地基設(shè)計和施工的關(guān)鍵技術(shù)，供類似項目借鑒和參考。

1 工程概況

某項目位于廣州市南沙區(qū)，場地屬于三角洲沖積平原及殘丘坡地，軟弱松散土層發(fā)育。地貌表現(xiàn)為明顯的河口沖積形態(tài)，區(qū)內(nèi)水網(wǎng)密布，地勢平坦。陸地的絕大部分為平原田地，由河道沉積和人工圍墾共同作用形成。

本項目的擋土墻類型為懸臂式鋼筋混凝土路肩擋土墻，擋土墻長度為110 m，平均高度為5.5 m。擋土墻臨河涌，且部分擋土墻段浸入河涌。根據(jù)地勘資料，擋土墻基底路段存在軟土，需要進(jìn)行軟基處理。擋墻施工前現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 擋墻施工前現(xiàn)場Fig.1 Site before Construction

2 地質(zhì)概況和物理力學(xué)參數(shù)

2.1 地質(zhì)和水文條件

地質(zhì)勘探揭示，擋土墻段部分，巖性及狀態(tài)自上而下劃分為：素填土、淤泥、全風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶。部分地質(zhì)鉆孔如圖2所示。將擋土墻段部分地層自上而下分析如下。

①素填土：呈層狀或似層狀分布。褐灰色，稍濕，松散，欠壓實，主要由黏性土組成，含少量碎石及砂礫。

②淤泥：灰黑色、深灰色，飽和，流塑，具臭味，有機(jī)質(zhì)含量0.85%～4.64%，平均值2.77%，局部夾薄層粉細(xì)砂。

③全風(fēng)化帶：呈透鏡狀分布。褐黃色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，呈堅硬土狀，手捻易散，遇水易軟化崩解。

④中風(fēng)化帶：呈透鏡狀或似層狀分布。褐黃色，巖石裂隙較發(fā)育，巖芯較破碎，巖質(zhì)較硬，錘擊聲較清脆。

場地的地下水類型主要有上層滯水和孔隙潛水、承壓水。

⑴上層滯水：賦存于人工填土層中。場區(qū)內(nèi)人工填土層分布連續(xù)廣泛，結(jié)構(gòu)疏松，含上層滯水，但含水量不大，其動態(tài)受季節(jié)控制。

⑵孔隙潛水、承壓水：賦存于淤泥質(zhì)細(xì)砂層、細(xì)砂層中。場區(qū)砂層局部發(fā)育，厚度一般，透水性良好，含豐富的孔隙水。

圖2 擋土墻路段地質(zhì)鉆孔Fig.2 Geological Borehole of Retaining Wall

根據(jù)鉆孔終孔24 h 后觀測，場地地下水混合穩(wěn)定水位埋深一般為0.60～1.50 m，標(biāo)高一般為4.29～6.69 m。

河水、地下水腐蝕性方面，分析結(jié)果表明，水樣的pH 值在7.2 左右，侵蝕性CO2在4.1 mg/L 左右，氯離子含量在70 mg/L，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕程度為微腐蝕，對混凝土中鋼筋的腐蝕程度為微腐蝕。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

擋土墻段部分地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

3 地基處理設(shè)計

由于本項目擋墻高度為5.5 m，設(shè)計要求復(fù)合地基承載力不小于150 kPa。結(jié)合南沙地區(qū)常用的復(fù)合地基工藝，分別選用水泥攪拌樁（濕法）、預(yù)應(yīng)力管樁和素混凝土樁進(jìn)行方案比對。

3.1 地基處理方案比選

水泥攪拌樁適用土質(zhì)類型廣、加固深度大，施工工期短、成本低、機(jī)械化程度高，常用于地基處理，但也存在樁體強(qiáng)度低，復(fù)合地基承載力相對有限等缺點。

要使水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力大于150 kPa，經(jīng)計算，直徑0.5 m的水泥攪拌樁的間距需要達(dá)到0.8 m，正三角形布樁，方可滿足設(shè)計要求。樁過于密集，造價較高，不利于現(xiàn)場施工，且樁凈間距不滿足文獻(xiàn)［3］要求。故舍棄水泥攪拌樁處理方案。

表1 擋土墻段部分地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and Mechanical Property Index of Some Stratum in Retaining Wall Section

預(yù)應(yīng)力管樁施工周期短、樁長調(diào)整較方便，噪聲對環(huán)境影響小，對環(huán)境無污染且無劇烈振動。但與此同時，預(yù)應(yīng)力管樁對地下水或土層腐蝕性介質(zhì)的防腐要求高，在穿越較厚的粉土粉砂層或硬塑粘土層，沉樁困難，嚴(yán)重的會發(fā)生管樁壓不下或壓力過大樁身碎裂。此外，當(dāng)?shù)鼗至拥幕鶐r面傾斜嚴(yán)重且基巖上硬土層較薄時應(yīng)慎用。

要使預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基承載力大于150 kPa，經(jīng)計算，直徑0.5 m 的預(yù)應(yīng)力管樁的間距為2.4 m，正方形布樁，可達(dá)到強(qiáng)度要求，間距也符合文獻(xiàn)［3］要求。根據(jù)地層分布圖來看，持力層的基巖面較平，可作為穩(wěn)定持力層。但因擋墻臨近房屋，根據(jù)南沙區(qū)有關(guān)文件規(guī)定，不允許采用錘擊式施工方案，只能使用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁。由于擋墻侵入河涌，場地承載力不足，若采用靜壓設(shè)備，需平整和加固場地，措施費用高，經(jīng)濟(jì)性較差，因此舍棄管樁處理方案。

通過以上方案比選，決定采用素混凝土樁復(fù)合地基工藝。

3.2 素混凝土樁復(fù)合地基設(shè)計

素混凝土樁單樁承載力Ra取式⑴、式⑵中較小值，其復(fù)合地基承載力fspk采用式⑶計算［1］。

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)；fcu為混凝土試塊28 d 立方體抗壓強(qiáng)度平均值（kPa）；Ap為樁身平均截面積；μp為平均樁周長；psi為樁周第i層土的特阻力特征值；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值（kPa）；fspk為符合地基承載力特征值（kPa）；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6，承載力高時取低值；β為樁間土承載力折減系數(shù)；m為面積置換率；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；fsk為樁間土地基承載力特征值（kPa）。

經(jīng)計算，要使素混凝土樁復(fù)合地基承載力≥150 kPa，直徑0.5 m的素混凝土樁的間距為1.8 m，正方形布樁，素混凝土樁單樁承載力特征值不小于490 kN，全風(fēng)化和中風(fēng)化花崗巖作為持力層。

同時，考慮到擋土墻墻踵處的壓應(yīng)力較大，且墻踵處緊臨河涌，所以將墻踵側(cè)的樁間距，由1.8 m 改為1.7 m；將墻趾側(cè)的樁間距，由1.8 m 改為1.9 m，樁的橫向間距仍然為1.8 m，具體如圖3 所示。通過調(diào)整墻踵和墻趾處樁間距，在不加大樁基規(guī)模的前提下地基承載力得以提高。

圖3 素混凝土樁布樁橫斷面及平面Fig.3 Cross Section and Plan of Plain Concrete Pile

4 素混凝土樁施工參數(shù)及檢測

4.1 素混凝土樁施工參數(shù)

綜合考慮現(xiàn)場施工作業(yè)面、軟土深度、周邊建筑等因素，素混凝土樁機(jī)械規(guī)格選擇了CFG 26 m 全液壓長螺旋鉆機(jī)。該鉆孔機(jī)包括樁架和鉆進(jìn)系統(tǒng)兩部分，樁架地盤采用全液壓步履式行走，液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐實現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)，該設(shè)備設(shè)有4 個液壓支腿，既可實現(xiàn)步履式行走又可增加施工時整機(jī)的穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場調(diào)試試驗，確定了最佳的現(xiàn)場施工參數(shù)如下：鉆機(jī)直徑為500 mm，鉆桿長度為26 m，實際平均成孔速度為3.11 m/min（淤泥地質(zhì)），實際平均鉆進(jìn)速度4.07 m/min，實際平均提鉆速度2.15 m/min。

樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30 細(xì)石混凝土。水泥強(qiáng)度等級為42.5R，28 d抗折強(qiáng)度為8.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為51.4 MPa?；炷?8 d抗壓強(qiáng)度為40.1 MPa。

4.2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

對樁身完整性、單樁豎向承載力、復(fù)合地基承載力三方面進(jìn)行檢測。樁身完整性檢測采用低應(yīng)變法檢測；單樁豎向承載力檢測采用單軸豎向抗壓靜載試驗；復(fù)合地基承載力檢測采用平板荷載試驗。

4.2.1 低應(yīng)變法檢測結(jié)果

擋墻軟基處理的素混凝土樁共125 根，選取21 根樁進(jìn)行低應(yīng)變法檢測，并將檢測結(jié)果匯總于表2。

根據(jù)表2 可知，選取的21 根樁身有18 根樁身完整，3 根輕微缺陷，21 根樁符合使用要求，合格率達(dá)到100%。素混凝土樁施工參數(shù)選取合理。

4.2.2 單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果

表2 低應(yīng)變法檢測結(jié)果匯總Tab.2 Summary of Low Strain Test Results

選取3 根樁（編號1～3）進(jìn)行靜載試驗檢測，檢測結(jié)果如表3所示。

3 根試驗樁均滿足單樁豎向抗壓承載力特征值≥490 kN的要求。

4.2.3 平板荷載試驗結(jié)果

選取3 根樁（編號4～6）進(jìn)行靜載試驗檢測，并將檢測結(jié)果匯總于表3。

3根試驗樁均滿足復(fù)合地基承載力特征值≥150 kPa的要求。

表3 靜載及平板荷載試驗檢測結(jié)果匯總Tab.3 Summary of Static Load and Plate Load Test Results

5 素混凝土樁設(shè)計施工要點

本項目的設(shè)計、施工工藝中的要點總結(jié)如下：

⑴為了保證樁群的整體性，托板設(shè)置縱橫梁連接，空隙處填充砂墊層，砂墊層采用潔凈的中粗砂，含泥量不應(yīng)大于5%，細(xì)度模數(shù)大于2.7。

⑵ 素混凝土樁直徑50 cm。樁體所用水泥為42.5 級以上普通硅酸鹽水泥，為防止堵管，碎石最大粒徑不宜超過15 mm，并摻入石屑填充。28 d 立方體試塊抗壓強(qiáng)度宜不小于C15。

⑶樁料應(yīng)拌和均勻，每盤料拌和時間不宜小于60 s，混合料塌落度控制在160～200 mm。確保樁體垂直度偏差不大于1.5%。

⑷素混凝土樁宜采用長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓灌注成樁法施工。

⑸擋土墻與托板每10 m 一段，各設(shè)置2 cm 的沉降縫，沉降縫對齊。

⑹素混凝土樁施工結(jié)束28 d 后應(yīng)進(jìn)行樁身完整性檢測、復(fù)合地基承載力和單樁承載力檢測。

⑺抽檢頻率

①樁身完整性檢測，數(shù)量不少于總樁數(shù)的10%；

②復(fù)合地基豎向抗壓靜載試驗數(shù)量為總樁數(shù)的1%，且不少于3 點；單樁豎向抗壓靜載試驗數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%，且不少于3點。

施工過程和通車運營情況如圖4 所示。項目建成投入使用至今將近2年，道路使用狀況良好，整體工后沉降輕微，擋墻穩(wěn)定可靠，證明了素混凝土樁復(fù)合地基處理方案是成功的。

圖4 施工過程和通車運營Fig.4 Construction Process and Open to Traffic

6 結(jié)論

⑴本文根據(jù)項目建設(shè)條件，從技術(shù)可行性、造價成本、施工難度等方面對水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁和素混凝土樁復(fù)合地基處理工藝進(jìn)行綜合比較，結(jié)果表明采用水泥攪拌樁會存在布樁太密，造價較高等缺點；采用預(yù)應(yīng)力管樁會存在措施費用高，經(jīng)濟(jì)性較差等缺點；而素混凝土樁承載力較高，且造價較低，更加經(jīng)濟(jì)合理。

⑵介紹了素混凝土樁的設(shè)計、施工和檢測技術(shù)。從檢測結(jié)果和投入使用后的觀測情況看，樁身完整性良好，單樁承載力及復(fù)合地基承載力均滿足要求，投入運營至今使用狀況良好，表明該處理方案效果良好。

⑶總結(jié)了素混凝土樁復(fù)合地基設(shè)計和施工關(guān)鍵方法和工藝，主要包括墻踵墻趾處樁間距動態(tài)調(diào)整、現(xiàn)場機(jī)械施工參數(shù)、素混凝土樁成樁法等經(jīng)驗，可為相關(guān)工程提供借鑒與參考。