長—短PHC管樁復(fù)合地基在裕溪閘深厚軟土地基處理中的應(yīng)用

孟范兵，夏珊珊

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230088）

1 工程概況

裕溪閘位于安徽省巢湖流域裕溪河入長江口4 km處，是無為大堤上的大型水利工程，具有防洪、蓄水及排澇功能，該閘20 年一遇設(shè)計(jì)排洪流量1170 m3/s，100年一遇校核流量1475 m3/s，為Ⅱ等大（2）型水閘，無為大堤為1 級堤防，裕溪閘為1 級建筑物。閘室為胸墻式結(jié)構(gòu)，共14孔，單孔凈寬8 m，總凈寬112 m，兩孔一聯(lián)；閘墩間分縫，中墩厚1.2 m，縫墩厚1.0 m，單聯(lián)寬19.2 m。閘室總寬度為134.4 m，閘室底檻高程為3.0 m，底板厚1.3 m，閘頂高程14.5 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L18 m。

2 工程地質(zhì)

閘底板底高程為1.7 m，底板以下土層主要為：

（1）①層淤泥：飽和，多呈流塑狀，厚度0.6～2.5 m，局部夾有粉細(xì)砂薄層或透鏡體。

（2）②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：飽水，以軟塑狀為主，厚度2.0～6.1 m，局部含有粉細(xì)砂薄層或透鏡體（團(tuán)塊），該土層主要分布在節(jié)制閘上游河床。

（3）③層粉質(zhì)壤土與粉細(xì)砂互層：飽和、軟塑，厚度6.0～30.0 m，水平層理發(fā)育，粉質(zhì)壤土層厚度一般3.0～7.0 mm，粉細(xì)砂層厚度一般1.0～2.0 mm。

各土層力學(xué)性能指標(biāo)建議值見表1。

表1 裕溪閘各土層力學(xué)性能指標(biāo)建議值表

閘基持力層為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，具有高壓縮性、承載力低、抗剪強(qiáng)度低、高靈敏度等工程特性，存在軟土沉降變形、不均勻沉降及抗滑穩(wěn)定問題。

3 長—短樁復(fù)合地基處理設(shè)計(jì)

3.1 地基處理方案比選

閘室最大基底應(yīng)力為121 kPa，天然地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，需對地基進(jìn)行處理。地基處理方法有灌注樁基、水泥土攪拌樁及長—短PHC管樁復(fù)合地基等。閘址處軟弱土層深而厚，土體強(qiáng)度低，參照距離該閘軸線180 m已建成裕溪復(fù)線船閘，土層巖性相同，經(jīng)水泥土攪拌樁地基處理的（船閘閘室基底應(yīng)力110 kPa，粉噴樁處理的復(fù)合地基承載力檢測試驗(yàn)值110 kPa，施工一年后累計(jì)沉降約15 cm，雙向攪拌樁處理的復(fù)合地基承載力檢測值160 kPa，設(shè)計(jì)處理深度16 m，一年后累計(jì)沉降近10 cm）復(fù)合地基難以達(dá)到效果，工程主體結(jié)構(gòu)適宜采用灌注樁與長—短PHC管樁復(fù)合地基，控制建筑物水平位移和沉降，以一聯(lián)閘室為例，擬定以下兩種方案進(jìn)行比較。

方案一：水上鉆孔灌注樁方案。該方案灌注樁采用水上浮箱平臺施工方案，不需搭建平臺在水上即可施工，樁的布置根據(jù)計(jì)算確定，樁間距3.5 m，一聯(lián)閘室共布置36 根樁，樁長28 m，樁徑1.2 m，總樁長1008 m，樁造價為2500 元/m，水上鉆孔灌注樁地基處理總投資約252萬元。

方案二：長—短PHC管樁復(fù)合地基方案。該方案樁基采用C80 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)砼預(yù)制管樁，樁頂設(shè)1.5 m 厚塑性砼褥墊層。PHC 管樁樁徑0.8 m，長樁長25 m、樁距4.0 m×4.4 m，短樁長16 m，樁距2.8 m×4.4 m，一聯(lián)閘室布置長樁36 根、短樁27 根，總樁長1 332 m、塑性混凝土褥墊層576 m3，PHC 管樁造價為395元/m，塑性混凝土單價425元，長—短樁復(fù)合地基處理總投資約77萬元。

方案一主要優(yōu)點(diǎn)為可提前進(jìn)行施工，節(jié)省工期，樁基與砼底板連接可靠；主要缺點(diǎn)為水上施工難度大，對施工平臺及鋼護(hù)筒安裝要求高，工程投資大。方案二主要優(yōu)點(diǎn)為工程投資小，施工進(jìn)度快、工期短，預(yù)制樁樁體質(zhì)量有保證；主要缺點(diǎn)為打樁船體積較大，作業(yè)區(qū)域有一定限制。

以上兩種地基處理方式均能滿足地基承載力設(shè)計(jì)要求，方案二施工進(jìn)度快、工期短、工程投資少，綜合考慮，采用長—短PHC 管樁復(fù)合地基處理方案。

（1）增加人力資本投資，教育培訓(xùn)是人力資本投資的重要部分，各級政府財(cái)政支出中應(yīng)進(jìn)一步增大教育支出占比，完善相關(guān)教育財(cái)政制度，加強(qiáng)各級政府官員對教育發(fā)展、教育投入的重視程度；

3.2 長—短樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

3.2.1 長—短樁布置技術(shù)要求

對深厚軟土地基，采用長—短樁復(fù)合地基處理，能達(dá)到建筑物地基強(qiáng)度與變形控制要求。長—短樁復(fù)合地基上部置換率高、剛度大，下部置換率底、剛度小，與荷載作用下地基上部附加應(yīng)力大，下部附加應(yīng)力小相適應(yīng)，不僅能滿足地基承載力要求，且能節(jié)省工程投資。

長—短樁樁長確定原則：滿足復(fù)合地基承載力和地基沉降要求，長樁穿過深厚軟土層、進(jìn)入強(qiáng)度相對較高硬土層；短樁穿過淺層最軟土層，當(dāng)短樁樁端位于軟弱土層時，驗(yàn)算樁端的軟弱下臥層承載力。本工程長、短樁均采用C80 預(yù)制PHC 管樁，樁徑0.8 m、壁厚0.11 m，長樁穿過軟弱層，進(jìn)入強(qiáng)度相對高的④層粉細(xì)砂層1.5 m、樁長25 m，短樁樁端位于③層粉質(zhì)壤土與粉細(xì)砂互層，樁長16 m。

3.2.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

（1）計(jì)算長—短PHC 單樁豎向抗壓承載力特征值Ra

根據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T50783-2012），PHC單樁豎向抗壓承載力特征值Ra，取由樁周土和樁端土的抗力能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值和由樁體材料強(qiáng)度能提供的單樁豎向抗壓承載力特征值二者中的較小值。分別由下列公式計(jì)算：

式中：Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ap為單樁橫截面積，m2；up為樁的橫截面周長，m；n為樁長范圍所內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為第i層土的樁側(cè)摩阻力特征值，kPa；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；qp為樁端土地基承載力特征值，kPa；α 為樁端土地基承載力折減系數(shù)，剛性樁復(fù)合地基α 取1.0；fcu為樁體抗壓強(qiáng)度平均值，C80PHC 管樁fcu取35 900 kPa；η為樁體強(qiáng)度折減系數(shù)，η可取0.34。

經(jīng)計(jì)算長、短樁單樁豎向抗壓承載力特征值分別為Ra1=1398 kN，Ra2=860 kN。

（2）確定長、短樁間距

長—短樁復(fù)合地基承載力特征值fspk可由下式計(jì)算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk為樁間土地基承載力特征值，kPa；Ra1、Ra2分別為長樁、短樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ap1、Ap2分別為長樁、短樁單樁橫截面積，m2；m1、m2分別為長樁、短樁復(fù)合地基置換率，m=d2/d2e，d為樁身直徑，de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，矩形布樁de=1.13d1d2，d1、d2分別為樁縱向間距和橫向間距；βp1、βp2分別為長樁、短樁豎向抗壓承載力修正系數(shù)，βp1可取1.0，βp2可取0.70～0.95，本工程βp2取0.70；βs為樁間土地基承載力修正系數(shù)，βs可取0.50～0.90，本工程取0.50。

復(fù)合地基置換率m影響復(fù)合地基承載力大小，調(diào)整樁間距，也相應(yīng)改變復(fù)合地基承載力大小。水上施工采用錘擊預(yù)制成樁[1]，為避免產(chǎn)生明顯擠土的效應(yīng)及減弱復(fù)合地基承載力，樁最小中心距宜不小于2.5d。閘室最大基底應(yīng)力為121 kPa，經(jīng)計(jì)算：長樁與短樁交錯布置，長樁間距5.3 m×2.2 m、置換率m1為0.043，短樁間距5.3 m×2.2 m、置換率m2為0.043，復(fù)合地基承載力特征值fspk=184 kPa，故復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 驗(yàn)算短樁樁端的復(fù)合地基承載力

短樁樁端位于③層粉質(zhì)壤土與粉細(xì)砂互層，該層承載力底、壓縮性高，按式（4）式驗(yàn)算短樁樁端的復(fù)合地基承載力。

式中：pz為短樁樁端處的附加壓力值，kPa；L0為矩形基礎(chǔ)底邊長度，m；B0為矩形基礎(chǔ)底邊寬度，m；h為復(fù)合地基加固區(qū)深度，m；a0為基礎(chǔ)長度方向樁的外包尺寸，m；b0為基礎(chǔ)寬度方向樁的外包尺寸，m；p0為復(fù)合地基加固區(qū)頂部附加壓力，kPa；qs為復(fù)合地基加固區(qū)樁側(cè)摩阻力，kPa；pcz為短樁樁端處地基土的自重壓力值，kPa；faz為短樁樁端經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，kN/m3，地下水位以下取浮重度；D為基礎(chǔ)埋置深度，m；fspd為短樁樁端未經(jīng)深度修正的復(fù)合地基承載力特征值，kPa，由式（7）計(jì)算。

式中：fskd為短樁樁端樁間土地基承載力特征值，kPa；Ra3為短樁樁端下長樁豎向抗壓承載力特征值，kN；m1為長樁復(fù)合地基置換率；βp1為長樁豎向抗壓承載力修正系數(shù)，可取1.0；βs為樁間土地基承載力修正系數(shù)，可取0.5～0.9，本工程取0.5。

經(jīng)計(jì)算，fspd=115 kPa，faz=254 kPa，pz=76 kPa，pcz=144 kPa，可見pz+pcz=220 kPa

3.2.4 復(fù)合地基沉降計(jì)算

復(fù)合地基沉降由加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2組成，其中加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1由短樁范圍內(nèi)復(fù)合土層壓縮變形量S11和短樁以下只有長樁部分復(fù)合土層壓縮變形量S12組成，其中S11、S12均由式（8）計(jì)算，S2式（9）計(jì)算：

式中：Δpi為第i層土的平均附加應(yīng)力增量，kPa，附加應(yīng)力pz由式（5）計(jì)算；li為第i層土的厚度，mm；Espi為長、短樁范圍內(nèi)第i層復(fù)合土體的壓縮模量，kPa；Ep1、Ep2分別為長樁、短樁壓縮模量，kPa；m1、m2分別為長樁、短樁復(fù)合地基置換率，本工程均為0.043；Ψs1為復(fù)合地基加固區(qū)壓縮變形量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本工程取1.2；Esi基礎(chǔ)底面下第i層土壓縮模量，kPa；Ψs2為復(fù)合地基加固區(qū)下臥土層壓縮變形量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本工程取1.3。

經(jīng)計(jì)算長—短樁樁復(fù)合地基最大沉降為S=S11+S12+S2=16 mm，沉降量滿足設(shè)計(jì)要求。且2016 年水下工程驗(yàn)收運(yùn)行至今，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，水平位移為5 mm，最大沉降為16 mm。

3.3 PHC管樁樁頂褥墊層設(shè)計(jì)

長—短樁均采用PHC管樁，復(fù)合地基中PHC管樁、天然地基的變形模量差距較大，且分布不均勻，需要有適宜的褥墊層，合理調(diào)整樁、土受力，保證樁和土共同受力形成復(fù)合地基[2]。在水利工程中普遍采用摻入比為8%的水泥土褥墊層，滿足地基的防滲要求，針對PHC 剛性樁復(fù)合地基，使用水泥土褥墊層，在施工壓實(shí)或受力過程中，較易發(fā)生剛性樁向上刺入等復(fù)合地基擾動。

本工程采用塑性砼褥墊層，不僅能滿足剛性樁樁頂抗壓、抗沖切等對褥墊層強(qiáng)度要求，且塑性砼還具有較好的變形能力、抗?jié)B能力和施工便捷等特點(diǎn)。塑性砼力學(xué)性能指標(biāo)：擴(kuò)散度300～340 mm，塌落度200～220 mm，28 d 靜壓彈模600～1000 MPa，容重不小于20 kN/m3，28 d 抗壓強(qiáng)度1.5 MPa～3.0 MPa，28 d滲透系數(shù)K小于1×10-6cm/s。褥墊層厚度影響樁、土承擔(dān)荷載比，褥墊越薄樁承擔(dān)的荷載占總荷載的百分比越高，本工程厚度為1.5 m，褥墊層頂部鋪一層直徑8 mm@150 的鋼筋網(wǎng)，該鋼筋網(wǎng)能防止褥墊層因樁土沉降不均勻產(chǎn)生反射裂縫，加強(qiáng)整體作用及增大褥墊層對樁的抗沖切能力。

3.4 長—短樁PHC剛性樁布置

根據(jù)長—短樁復(fù)合地基承載力和沉降計(jì)算，本工程閘室基礎(chǔ)采用預(yù)制B 型PHC 管樁，長、短樁樁徑均為0.8 m，壁厚0.11 m，長樁與短樁交錯布置，長樁間距5.3 m×2.2 m、短樁間距5.3 m×2.2 m，長樁穿過軟弱層、進(jìn)入強(qiáng)度相對高的④層粉細(xì)砂層1.5 m、樁長25 m，短樁樁端位于③層粉質(zhì)壤土與粉細(xì)砂互層，樁長16 m，樁內(nèi)回填細(xì)砂，樁頭3 m 范圍內(nèi)采用C25 細(xì)石砼填充。閘室底板下設(shè)1.5 m 厚塑性砼褥墊層，樁頂深入褥墊層1 m，在樁頂設(shè)一層直徑8 mm鋼筋網(wǎng)。單聯(lián)閘室長—短樁復(fù)合地基布置見圖1。

圖1 長—短樁復(fù)合地基布置圖

4 長—短樁質(zhì)量檢驗(yàn)

PHC剛性樁復(fù)合地基質(zhì)量檢驗(yàn)要求為：

（1）樁的平面布置應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，施工樁體垂直度允許偏差為0.5%，樁位允許偏差為樁徑的0.4倍。

（2）PHC 管樁施工完畢應(yīng)檢驗(yàn)樁體質(zhì)量，包括完整性、裂縫、斷樁等，采用低應(yīng)變動力檢查樁體的完整性。

（3）PHC 管樁剛性樁復(fù)合地基工程驗(yàn)收時，承載力檢驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行單樁豎向抗壓載荷試驗(yàn)和單樁復(fù)合地基豎向抗壓荷載試驗(yàn)。

長、短PHC 管樁施工完成后，經(jīng)第三方進(jìn)行了抽檢，檢測結(jié)果合格，單樁及復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)例，從復(fù)合地基承載力和沉降兩個方面對長、短樁樁長、布置及應(yīng)用進(jìn)行計(jì)算；底板與樁之間設(shè)塑性砼褥墊層以滿足長—短樁和土共同承擔(dān)上部荷載的要求，形成復(fù)合地基和確保閘基防滲穩(wěn)定。該長—短PHC 管樁復(fù)合地基處理方式對類似水利工程具有參考價值。