采用竹節(jié)樁對擠密螺紋樁復(fù)合地基進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用

王雪梅 梁 皓 丁繼輝 崔志鵬 李君鵬

（1.中國二十二冶集團(tuán)有限公司，河北唐山 064099；2.河北益坤巖土工程有限公司，河北石家莊 050066；3.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定 071002；4.河北縱橫集團(tuán)豐南鋼鐵有限公司，河北省唐山 064000）

0 引言

變截面擠密螺紋樁復(fù)合地基可增加樁身的粗糙度，加大樁身的側(cè)摩阻力，減少樁體和復(fù)合地基沉降。前人分析了螺紋樁的受力機(jī)理，探討了螺紋樁單樁承載力的確定方法[1-3]。錢建固等[4]、周敏明等[5]通過試驗得到螺紋加固效應(yīng)主要是增大樁土間的黏聚力。周 楊等[6]通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬，表明變截面螺紋樁的螺紋結(jié)構(gòu)及圓臺形樁身能大幅度提高側(cè)摩阻力。Ho 等[7]、Saleem 等[8]通過室內(nèi)模型試驗研究了螺紋樁的傳遞機(jī)理。擠密螺紋樁復(fù)合地基的設(shè)計和施工中還處于探索階段，缺乏深入的理論研究。

竹節(jié)樁是一種新型的預(yù)應(yīng)力管樁，其通過在樁體外側(cè)加設(shè)環(huán)狀凸肋和縱狀凸肋來增加樁-土接觸面積以提高單樁承載力。周佳錦等[9]通過軟土地基的現(xiàn)場靜載試驗表明，相比普通預(yù)應(yīng)力管樁，機(jī)械連接竹節(jié)樁的環(huán)狀凸肋使得其抗壓和抗拔承載力提高20%以上。理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗和模型試驗等方法也用于研究靜鉆根植竹節(jié)樁的承載特性和變形特性[10-11]。靜鉆根植竹節(jié)樁主要通過樁周水泥土改善樁-土接觸面摩擦性質(zhì)以及樁端水泥土擴(kuò)大頭改善樁端承載性能。酈 亮等[12]通過靜載荷試驗研究了竹節(jié)樁復(fù)合地基進(jìn)行單樁、單樁復(fù)合地基的承載特性。王忠瑾等[13]基于現(xiàn)場實測和數(shù)值模型，分析帶肋竹節(jié)樁的竹節(jié)數(shù)、樁土模量比、肋徑比、摩擦系數(shù)等參數(shù)對抗壓承載力的影響。何福渤[14]通過長螺旋鉆孔植樁和錘擊法施工的竹節(jié)樁單樁抗壓承載力試驗，表明錘擊法施工的竹節(jié)樁的承載力大于錘擊法施工的 PHC 管樁，長螺旋鉆孔植樁工法竹節(jié)樁的承載力比錘擊法施工PHC 管樁承載力提升明顯，且和錘擊法施工的竹節(jié)樁比，其承載力發(fā)揮相對穩(wěn)定。

沿海軟土區(qū)料棚采用擠密螺紋樁復(fù)合地基，地基承載力有所提高，但不能滿足一次性堆載要求。在堆載作用下發(fā)生過大的豎向沉降和水平變形，導(dǎo)致料棚邊柱樁基水平變形過大等問題，使料棚處于超危狀態(tài)。因此采用竹節(jié)樁加固擠密螺紋樁復(fù)合地基，通過現(xiàn)場監(jiān)測地表變形、柱水平變形和深層水平變形、樁基沉降等，調(diào)整施工方案，以滿足料棚和柱基礎(chǔ)的穩(wěn)定與安全。

1 原料堆場擠螺紋樁復(fù)合地基分析

1.1 土層性質(zhì)

如圖1 土層剖面圖所示，場地內(nèi)主要土層從上至下：人工填土①，軟土②呈流塑狀態(tài)，粉質(zhì)黏土③呈軟塑狀態(tài)，粉土④稍密，粉質(zhì)黏土⑤呈軟塑-可塑狀態(tài)，粉土⑥稍密，粉砂夾粉土⑦呈中密-密實，粉質(zhì)黏土⑧呈可塑，粉砂⑨密實，粉質(zhì)黏土⑩呈可塑-硬塑狀態(tài)。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度，④層粉土層會產(chǎn)生中等液化。第①、②、③、④、⑤、⑥層為軟弱土、第⑦層及以下土層為中軟土。穩(wěn)定水位標(biāo)高1.25～2.75 m。各土層的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

圖1 3#料庫土層剖面圖

表1 土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 原料場擠密螺紋樁復(fù)合地基變形分析

圖2 為3#料庫擠密螺紋樁復(fù)合地基及堆載斷面圖，料庫長 675 m（1 軸-76 軸）。結(jié)構(gòu)型式為上部球節(jié)點鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土立柱。料庫棚架基礎(chǔ)采用勁性復(fù)合樁基，5 樁1 承臺，承臺埋深1.6 m。外圍為直徑700 mm 的水泥攪拌樁，長22 m，內(nèi)芯為PHC-500AB-125 預(yù)應(yīng)力管樁，長20 m。單樁豎向承載力特征值1200 kN，單樁水平承載力特征值150 kN。

圖2 料庫擠密螺紋樁復(fù)合地基及堆載圖示（單位：m）

料庫地基采用變截面擠密螺紋樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，樁間距為1.8 m×1.8 m 和1.9 m×1.8 m，樁身采用C20 混凝土澆筑，樁身上部2/3 長度直徑400 mm，下部1/3 長度樁徑300 mm，樁長15 m；第⑤層粉質(zhì)黏土作為樁端持力層，局部采用第⑥層粉土作為樁端持力層，且樁端進(jìn)入持力層均不小于1.0 m。地基處理要求：處理后的復(fù)合地基承載力達(dá)到250 kPa，堆載最大沉降處最終沉降值控制在 500 mm 以內(nèi)。

圖3 為3#料庫D 和E 列立柱水平變形，立柱水平變形方向均為向外側(cè)方向。3#料庫堆料設(shè)計堆載最大高度11 m，當(dāng)堆載至5～6 m 高度時，地面產(chǎn)生沉陷。在40 軸-50 軸之間，地表最大沉陷量約1.30 m，D 軸柱列網(wǎng)架立柱出現(xiàn)了較大的變形，最大水平位移超過680 mm。E 軸柱列由于4#庫的約束作用，水平變形遠(yuǎn)小于D 柱列的水平變形?，F(xiàn)場采取了清除庫內(nèi)堆料及料庫外側(cè)反壓措施，目前已基本穩(wěn)定。事故發(fā)生后對料庫地基進(jìn)行補(bǔ)充勘察，3#料庫補(bǔ)充勘察的縱向剖面見圖1，原設(shè)計擠密螺紋樁樁長不夠，樁端多數(shù)落在第④層粉土層，沒有進(jìn)入持力層，且第④層粉土層分布不均勻，導(dǎo)致擠密螺紋樁樁復(fù)合地基沉降過大、承載力不能滿足一次性堆料要求。

圖3 3#料庫網(wǎng)架立柱水平位移

1.3 竹節(jié)樁加固擠密螺紋樁復(fù)合地基方案

擠密螺紋樁復(fù)合地基總體設(shè)計方案為竹節(jié)樁+筏板的樁筏基礎(chǔ)，竹節(jié)樁布置如圖4所示。預(yù)應(yīng)力管樁型號為φ400T-PHC-B-95，竹節(jié)樁樁長29～33 m，不考慮第①層填土和第④層中等液化粉土層的側(cè)阻力，把第⑧層粉質(zhì)黏土或第⑨密實粉砂作為樁端持力層。首節(jié)插芯4φ 20 鋼筋，長度不小于11 m，插芯段全長灌注水泥砂漿，強(qiáng)度不低于M30。

圖4 竹節(jié)樁及監(jiān)測點平面布置圖（單位：mm）

擠密螺紋樁復(fù)合地基加固方案要求：(1)原堆料區(qū)地基已經(jīng)采用擠密螺紋樁復(fù)合地基進(jìn)行處理，取其地基承載力特征值為104 kPa；(2)料庫荷載達(dá)到原要求的70%，處理后的地基承載力特征值達(dá)到175 kPa；(3)竹節(jié)樁單樁豎向承載力特征值≥740 kN；(4)料庫在堆載的荷載作用下，地基不產(chǎn)生滑移剪切破壞，穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.2。

2 竹節(jié)樁沉樁過程中的監(jiān)測

料庫場地內(nèi)存在深厚淤泥層，厚約10～13 m，呈軟塑-流塑狀態(tài)，地下水位較高。竹節(jié)樁布置在原擠密螺紋樁樁位之間，竹節(jié)樁與擠密螺紋樁凈距僅1.4 m，在竹節(jié)樁施工過程中要采取措施保護(hù)原擠密螺紋樁完整性。大面積竹節(jié)樁施工導(dǎo)致土體擠土效應(yīng)明顯，造成地面隆起，周邊建筑物、廠區(qū)道路及地下管線產(chǎn)生水平及豎向位移，竹節(jié)樁樁頂上浮等現(xiàn)象。因此在加固處理的原料場在樁基施工時，為防止產(chǎn)生土體變形，引起取料機(jī)倒塌、網(wǎng)架立柱倒塌、頂棚垮塌。在竹節(jié)樁沉樁過程中對基礎(chǔ)沉降（X383-X479）、立柱傾斜（CX383-CX479）、土體深層沉降及水平位移（SC120-SC154）等進(jìn)行了監(jiān)測。測點布置見圖3，重點控制D 柱列40 軸-50 軸之間的監(jiān)測值。

為減少竹節(jié)樁施工對原有擠密螺紋樁和邊柱承臺和基樁的影響，采取了如下措施：

(1)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理布置打樁流向

預(yù)制樁常規(guī)打樁順序一般分為由一側(cè)向單一方向進(jìn)行、自中間向兩個方向?qū)ΨQ進(jìn)行、自中間向四周進(jìn)行等。

本工程打樁區(qū)域位于既有建筑物內(nèi)，為確保立柱水平及豎向位移滿足設(shè)計要求，保證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全性，制定了創(chuàng)新性的打樁順序：①沿料庫長方向劃分施工段，在每個施工段內(nèi)打樁機(jī)采取梯隊式打樁作業(yè)；②先施工靠近立柱一側(cè)的3 排竹節(jié)樁，由立柱向堆取料機(jī)施打閉門樁，減小立柱的變形。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理布置打樁流向、樁機(jī)作業(yè)間距需≥60 m、控制沉樁速率，以確保變形滿足設(shè)計要求。

(2)結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定長螺旋引孔、應(yīng)力釋放孔的深度及數(shù)量

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定長螺旋引孔、應(yīng)力釋放孔的深度及數(shù)量。引孔次數(shù)局部2 次，調(diào)整為1 次，釋放孔次數(shù)由2～3 次調(diào)整為1～2 次，引孔及釋放孔深度由18～20 m，逐漸縮短為12～15 m。

圖5-圖8 為D 柱列典型測點立柱沉降和立柱水平位移、土體深層沉降和深層變形隨時間的變化規(guī)律。監(jiān)測從2019年12月2日到2020年1月16日，共46 d，2020年1月17日-2020年3月5日由于新冠肺炎疫情停止施工。2020年3月7日開始施工，2020年6月17日結(jié)束。

圖5 D 柱列典型立柱沉降隨時間變化圖

由圖5 可以看出，竹節(jié)樁開始沉樁，距離測點較遠(yuǎn)時，測點表現(xiàn)為沉降且值很小。隨著沉樁距離距離測點的距離的縮小，立柱上浮，到2020年1月16日停工前上隆值隨時間的增加而增加，最大上隆值小于15 mm。繼續(xù)沉樁，當(dāng)沉樁超過測點后，開始恢復(fù)。停工期間開始下沉最大值15 mm 左右。復(fù)工開始立柱上浮，上浮值不超過20 mm，沉樁結(jié)束后開始恢復(fù)，直至穩(wěn)定，穩(wěn)定后的沉降值不超15 mm。圖6 為D柱列典型測點的傾斜值，通過調(diào)整施工路徑、采用引孔和打釋放孔，控制傾斜值不大于5%。

圖6 D 柱列典型立柱水平位移隨時間變化圖

由圖7 可以看出，竹節(jié)樁施工期間深層沉降的最大值發(fā)生在地表。在竹節(jié)樁施工期間采用了引孔和應(yīng)力釋放孔，其深度12～15 m，最大沉降控制在50 mm。由圖8 可以看出，竹節(jié)樁施工期間土體深層水平位移以向外為主，最大值在地表下0～6 m 范圍內(nèi)，46 d 時最大水平位移11.6 mm。停工后沉降開始恢復(fù)，停工50 d 最大水平位移值恢復(fù)到4.3 mm。復(fù)工后沉降繼續(xù)增加，到110 d 時水平位移的最大值為48 mm。

圖7 D 柱列測點SC150 深層沉降隨時間變化曲線圖

圖8 D 柱列典型測點深層水平位移隨時間變化曲線圖

施工結(jié)束后對8 根竹節(jié)樁進(jìn)行豎向抗壓靜載荷試驗，試驗結(jié)果表明8 根受檢樁均加載至設(shè)計最大荷載1480 kN，最終穩(wěn)定；判定單樁豎向抗壓承載力承載力為740 kN，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

(1)沿海軟土地區(qū)變截面擠密螺紋樁復(fù)合地基，由于擠密螺紋樁長度不足，料條下擠密螺紋樁復(fù)合地基沉降過大，承載力不能滿足一次性堆料要求。

(2)采用竹節(jié)樁對擠密螺紋樁復(fù)合地基進(jìn)行加固，通過合理布置竹節(jié)樁打樁流向，采用長螺旋引孔、應(yīng)力釋放孔，減小竹節(jié)樁沉樁的擠土效應(yīng)對原有擠密螺紋樁、邊柱承臺和樁基的影響。

(3)料庫加固后的現(xiàn)場監(jiān)測和運行結(jié)果表明，加固后的竹節(jié)樁+筏板和復(fù)合地基滿足堆載的設(shè)計要求。