勁性復合樁在水利工程中的應用與研究

徐建軍, 王洪玉, 朱振宇, 杭 丹

(1.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處， 江蘇 蘇州 215218； 2.江蘇省水利工程建設局， 江蘇 南京 210029； 3.江蘇省防汛防旱搶險中心， 江蘇 南京 211500； 4.江蘇省新孟河樞紐工程建管局， 江蘇 常州 213022)

近年來，勁性復合樁作為一種適合特殊地基的地基處理技術(shù)，被廣泛應用于工業(yè)與民用建筑和交通領域加固軟弱地基，這種新方法在南水北調(diào)東線一期工程泗陽站水利工程建設中也得到了應用。勁性復合樁先施打半剛性水泥土類樁(M樁)，水泥未硬凝時再施打勁性樁，形成勁性復合樁(MC樁)，共同承擔上部結(jié)構(gòu)荷載[1-3]。勁性復合樁通過褥墊層與基礎連接，褥墊層是構(gòu)成勁性復合樁復合地基的重要組成部分[4]。我國住房和城鄉(xiāng)建設部頒布的《勁性復合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJT327—2014)中，僅有豎向承載力的計算方法，缺少勁性復合樁水平承載力方面的計算內(nèi)容，水利工程中翼墻、閘室墻等承受水平力的部位需要進行抗滑驗算，同時擋水水工建筑物地基基礎有防滲要求，不宜采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》和《勁性復合樁技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的砂石材料褥墊層[5-6]。為此，本文對水利工程中勁性樁設計方法進行探討，并對地基有防滲要求的情況，采用水泥土作為褥墊層進行現(xiàn)場觀測研究，本文的探討和現(xiàn)場試驗結(jié)果，將對勁性復合樁在水利工程中的應用和推廣提供參考。

1 地基處理設計

1.1 單樁與復合地基承載力計算

勁性復合樁單樁豎向承載力可按《勁性復合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJT327—2014)中樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面破壞和位于外芯和樁周土的界面兩種情況分別計算，然后取二者小值，但此規(guī)范驗算時未校核樁身強度，設計中可按文獻[7-8]中CFG復核樁頂強度確定的承載力：

Ra=ψCfckAG+ηfcuAP

(1)

式中：fck為芯樁混凝土軸心抗壓強度， 取混凝土強度等級的一半或混凝土軸心抗壓強度設計值(kPa)；fcu為與外芯樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊(邊長為 70.7 mm 的立方體，也可采用邊長為 50 mm 的立方體)在標準養(yǎng)護條件下 90 d 齡期的立方體抗壓強度平均值(kPa)；AG為勁性復合樁內(nèi)芯樁身截面面積(m2)；AP為勁性復合樁外芯水泥土截面面積(m2)；ψC為芯樁工作條件系數(shù)，預制芯樁取0.9， 灌注芯樁取0.8；η為樁身強度折減系數(shù)，干法可取 0.20～0.30；濕法可取 0.25～0.33。

勁性樁復合地基承載力及沉降計算可依據(jù)規(guī)范進行計算。

1.2 水平承載力計算

水利工程中勁性復合樁和地基土聯(lián)合作用，以復合地基的形式共同承擔上部荷載。現(xiàn)行《勁性復合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T327—2014)單樁水平承載力規(guī)定以現(xiàn)場試驗確定[6]，設計時復合地基的抗滑等效強度參考廣東省海堤工程設計導則中攪拌樁復合體的強度參數(shù)計算公式進行計算：

Cc=Cs(1-m)+Cp×m

(2)

tan(Φc)=(1-m)tan(Φs)+mtan(Φp)

(3)

式中：Cc、Φc分別為復合地基黏聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)；Cs、Φs分別為樁間土黏聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)；Cp、Φp分別為樁體黏聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)。

計算出復合地基等效強度參數(shù)后，依據(jù)相關(guān)規(guī)范計算地基土的綜合摩擦角計算其穩(wěn)定性。

1.3 褥墊層設計

工程設計上褥墊層設計主要參照規(guī)范，憑經(jīng)驗進行設計。依據(jù)文獻[6]，樁頂和基礎之間應設置褥墊層，褥墊層材料宜用中砂、粗砂或級配砂石，碎石最大粒徑不宜大于30 mm，厚度宜取150～300 mm。然而，大部分水利工程擋水建筑物對地基基礎有防滲要求，不宜采用該規(guī)范中規(guī)定的砂石材料褥墊層，為此依據(jù)以往水利行業(yè)設計經(jīng)驗，可采用20～30 cm厚的水泥土作為勁性樁復合地基的墊層。

2 工程實例及加固效果

2.1 工程概況及地質(zhì)條件

奔牛水利樞紐工程為新孟河延伸拓浚工程干河樞紐工程之一，位于常州市奔牛鎮(zhèn)新孟河與京杭運河交匯處，工程的主要任務包括防洪、引排水和通航，樞紐由京杭運河立交地涵、船閘、節(jié)制閘和孟九橋組成。

樞紐中船閘閘首、閘室、節(jié)制閘以及大部分翼墻、導航墻底板均坐落于②3層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土層上，該土層在建筑物底板下厚度約8～10 m，局部深度達到15 m，②3層土體含水率41.9%、塑性指數(shù)為17.2，地基土體局部含有腐蝕質(zhì)，其地基允許承載力為70 kPa，不能滿足建筑物地基承載力的要求，地基土層及其基本性質(zhì)見表1。

表1 地基土層基本物理力學性質(zhì)指標

設計采用勁性復合樁進行地基處理，樁長為12 m，內(nèi)芯直徑22 cm、外芯直徑70 cm，經(jīng)計算單樁承載力特征值為420 kN，樁間距1.25 m，復合地基承載力特征值180 kPa，樁頂設置20 cm厚的水泥摻量8%的水泥土作為褥墊層。

2.2 試樁

在工程樁施工之前，于工程場地進行試樁試驗，檢測該樁型的適用性及承載性能?，F(xiàn)場試樁檢測采用單樁靜載荷試驗進行，采用由主梁(工字鋼)、次梁和配重塊搭成的壓重平臺反力裝置，配重塊堆積，最大壓重量為1 000 kN。試樁樁頭情況和加載裝置分別為圖1、圖2所示。

圖1 現(xiàn)場試樁樁頭情況

圖2 現(xiàn)場試樁加載裝置

采用慢速維持荷載法，用電動油泵逐級加載，共分10級加載至承載力特征值的2倍。卸載采用5級卸載，單級卸載量為單級加載量的2倍。荷載值通過壓力傳感器測量傳輸給測試儀自動記錄；工程樁(試樁)沉降則通過對稱正向布置于樁頭承壓板的位移傳感器測量，傳輸給測試儀自動記錄。試樁結(jié)果表明該工程所抽測的勁性復合樁試樁的Q-S曲線均為緩變型，根據(jù)JGJ106—2014方法綜合分析確定，該工程試樁抽測的6根勁性復合樁的單樁豎向抗壓承載力Qu≥826 kN，滿足設計承載力要求。

圖3為6個試樁的荷載-沉降曲線。

圖3 試樁的荷載-沉降曲線

2.3 工程樁監(jiān)測

為對勁性復合樁加固的質(zhì)量進行檢驗，并為計算理論提供依據(jù)和設計參數(shù)，在施工過程中在現(xiàn)場根據(jù)不同的地質(zhì)條件及設計參數(shù)布置監(jiān)測斷面和埋設監(jiān)測儀器，以對勁性復合樁復合地基在上部荷載作用下樁和樁間土的沉降、樁土應力分擔等變化規(guī)律進行研究。監(jiān)測斷面儀器布置見圖4。

圖4 應力計表面沉降設備埋設布置圖(單位：cm)

填筑階段每上一層土觀測1次，或每3～5 d觀測1次，填土完成后逐步過渡到每10～15 d觀測1次，并根據(jù)數(shù)據(jù)情況隨時加密監(jiān)測。

表面沉降變化規(guī)律是對墻后填土施工速度進行動態(tài)控制的重要指標，其值也反映了軟土地基處理的效果，圖5為其沉降—填土高度—時間關(guān)系曲線，其中Ta、Td分別為翼墻左右兩側(cè)布置在樁間土上的沉降板，Tb為布置在樁頂上的沉降板，Tc為與Tb所在樁的對稱位置樁的水泥土上的沉降板。由圖可以分析得出以下規(guī)律：各斷面的表面沉降隨著填土高度的增加，沉降量相應增大，沉降過程線存在幾個較明顯的拐點。

圖5 西側(cè)斷面填土—表面沉降變化規(guī)律

荷載填筑初期樁頂和樁間土的沉降均較小，沉降發(fā)生的速率較慢，尤其是樁頂幾乎不發(fā)生沉降，說明此時荷載主要由樁間土承擔；當填筑高度達到8.5 m時，樁頂和樁間土沉降速率均有增大的趨勢，但樁間土的沉降速率要大于樁頂?shù)某两邓俾剩喜亢奢d在樁頂和樁間土上進行著調(diào)整。

測得的樁頂和樁間土應力隨填土荷載的變化過程線如圖6所示，各斷面變化規(guī)律均較相似，可以看出隨著荷載的增加樁頂及樁間土的應力均相應提高，但二者的增加規(guī)律卻有較大的差異。從該斷面的樁土沉降差異發(fā)展過程線可以看出，在樁土沉降差基本維持穩(wěn)定的前提下，樁土之間仍會產(chǎn)生一定的應力調(diào)整，這主要是底板下水泥土墊層已處于壓實狀態(tài)，而樁頂壓力更大導致墊層更為密實，墊層和樁及樁間土結(jié)合緊密后，樁土沉降差很小的發(fā)展即會引起樁土應力相對較大的調(diào)整。

圖6 西側(cè)斷面填土土壓力隨時間變化曲線圖

3 結(jié) 語

勁性水泥土復合樁(MC樁)綜合了水泥土樁及高強度樁芯的優(yōu)點，實現(xiàn)了造價低廉、單樁承載力高、沉降量小的目的。常規(guī)的勁性樁在豎向荷載下顯示的是樁基特性，而素混凝土勁性水泥土復合樁顯示的是復合地基性狀，水泥土樁及樁間土體承擔了部分荷載，很好地發(fā)揮了水泥土樁及樁間土體的承載能力。

勁性樁復合地基在提高樁周土地基承載力的同時，由于自身內(nèi)外芯樁的協(xié)同作用，更能有效的為支撐上部荷載提供保障，充分體現(xiàn)了其優(yōu)越性。勁性樁復合地基基礎具有性價比高，施工方便，造價低廉等優(yōu)點，且對周圍環(huán)境影響小，因而在軟弱地基土加固中有著廣闊的發(fā)展空間。