勁性復(fù)合樁在軟土地基中的應(yīng)用分析

■林江鎮(zhèn)

（漳州市古雷交通發(fā)展有限公司，漳州 363216）

勁性復(fù)合樁是由散粒樁、柔性樁和剛性樁中的2 種或3 種復(fù)合而成的新樁型。 較為常見(jiàn)的是在濕噴水泥樁（外芯）未硬凝時(shí)，在其中打入預(yù)制樁（內(nèi)芯）或先施打預(yù)制樁，后在樁周進(jìn)行注漿，形成豎向勁性復(fù)合樁。 預(yù)制樁的打入不僅可以提高水泥土體的剛度和強(qiáng)度，對(duì)樁周土體還具有擠密作用，而水泥土體可為預(yù)制樁提供側(cè)摩阻力，進(jìn)一步提高單樁承載力，形成強(qiáng)度較高的復(fù)合樁。 豎向勁性復(fù)合樁目前主要應(yīng)用于我國(guó)上海、江陰地區(qū)，用于處理沿海軟基土層。 其中，豎向勁性復(fù)合樁MC 樁沉降量小，同體積具有更高承載力。 通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)預(yù)制豎向勁性體在軟土地基中的應(yīng)用試驗(yàn)可知：增加豎向勁性體的樁基長(zhǎng)度或橫截面面積時(shí)，豎向勁性體的極限承載力也會(huì)增加[1]；長(zhǎng)徑比對(duì)豎向勁性體的極限承載力和沉降量影響突出[2]；圍箍材料可提高勁性水泥組合樁承載力的作用[3]；勁性水泥攪拌樁中豎向力主要由芯樁承擔(dān)，水泥土承擔(dān)的豎向力可忽略不計(jì)[4]。 綜上所述，本文通過(guò)靜載試驗(yàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁、水泥土鉆孔灌注樁及豎向勁性復(fù)合樁這3 種軟土地基處理方案的受力性能進(jìn)行分析比較，以選擇最適合在軟土地基中的施工方案。

1 工程概況

漳州沿海大通道（濱海一級(jí)疏港公路）漳浦段位于福建省漳州市，是福建沿海大通道的重要組成部分，全長(zhǎng)共75.71 km。 其中第LJ-11 合同段位于漳州市漳浦縣古雷鎮(zhèn)，起于古雷港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃西側(cè)邊界，終于本項(xiàng)目路線終點(diǎn)（沙溪鎮(zhèn)），起訖樁號(hào)為K106+328～K108+700， 長(zhǎng)2.37 km， 跨越烏橋港。 公路等級(jí)為一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度為32 m。

據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)勘察得知，第LJ-11 合同段道路沿線為沖海積小平原，下部土層中有厚度不均的淤泥和淤泥質(zhì)土，為本項(xiàng)目的主要不良工程地質(zhì)軟弱層。 本項(xiàng)目自上而下土層分布情況如圖1 所示：（1）素填土層厚0.3～0.5 m；（2）淤泥厚4.7～6.6 m；（3）亞粘土厚1.1～1.4 m；（4）淤泥質(zhì)土厚2.6～3.2 m；（5）砂土厚0.9～1.6 m；（6）卵石厚1.2～1.5 m；（7）全風(fēng)化花崗巖厚0.8～1.0 m；（8）中風(fēng)化花崗巖（持力層）。 軟土工程地質(zhì)性能差，屬軟土地基，一般不宜作為公路路基直接持力層，因此需進(jìn)行軟土地基加固處理。 軟土地基處理方案考慮采用復(fù)合地基處理，處理方法有預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁加固、 水泥土鉆孔灌注樁加固和勁性復(fù)合樁加固，應(yīng)根據(jù)受力性能、經(jīng)濟(jì)性和施工質(zhì)量比較，選擇最優(yōu)加固樁型。

圖1 項(xiàng)目地質(zhì)分布示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

為分析預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁、水泥土鉆孔灌注樁、勁性復(fù)合樁這3 種不同樁基加固型式在地基處理中的受力情況，采取試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。

2.1.1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)

本次加固樁型對(duì)比試驗(yàn)對(duì)3 種不同樁型各設(shè)計(jì)2 根試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)。 混凝土預(yù)制管樁直徑為600 mm，編號(hào)為Z1、Z2；水泥土鉆孔灌注樁成孔直徑為800 mm，編號(hào)為Z3、Z4；勁性復(fù)合樁樁芯采用直徑600 mm 預(yù)制管樁，成孔直徑為800 mm，編號(hào)為Z5、Z6。 以上試驗(yàn)樁樁底均位于中分化巖層。 試件具體參數(shù)如表1 所示。

表1 不同樁型施工方案的加固樁基試驗(yàn)參數(shù)

2.1.2 試驗(yàn)構(gòu)件制作

利用壓樁機(jī)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁進(jìn)行靜壓成樁， 具體施工流程為： 壓樁機(jī)就位→吊裝喂樁→樁身對(duì)中調(diào)直→壓樁→終止壓樁→切割樁頭。沉樁過(guò)程應(yīng)注意控制樁身豎直度， 避免樁身傾斜，平穩(wěn)沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。 鉆孔灌注樁利用旋挖鉆引孔，具體施工工藝流程為：護(hù)筒埋設(shè)及泥漿制作→鉆機(jī)就位→成孔→停鉆→清孔→灌注水泥土。 鉆孔過(guò)程應(yīng)注意避免塌孔， 水泥土灌注后應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)。豎向勁性復(fù)合樁利用旋挖鉆成孔與靜壓機(jī)沉樁共同結(jié)合成樁，應(yīng)在外芯水泥土凝固之前及時(shí)將內(nèi)芯樁植入。

2.1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

由于樁基加固土體主要增強(qiáng)地基強(qiáng)度與剛度，即承載力與沉降，因此需對(duì)加固試驗(yàn)樁采集的數(shù)據(jù)包括：承載力、單樁總沉降量、每毫米沉降量對(duì)應(yīng)的每平方米樁身材料可承受荷載值。

2.2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用配重塊進(jìn)行分級(jí)加載，加載方式如圖2所示。 第一級(jí)加載荷載為800 kN，此后每級(jí)遞增400 kN。每級(jí)荷載施加后，需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每級(jí)荷載一施加便開(kāi)始第一次采集，此后每隔15 min 進(jìn)行1 次數(shù)據(jù)采集。 當(dāng)沉降趨于穩(wěn)定時(shí)，再進(jìn)行下一級(jí)加載。

圖2 試驗(yàn)加載示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 承載力與沉降對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁最大豎向荷載加載量為4000 kN， 水泥土鉆孔灌注樁的最大豎向荷載加載量為3900 kN， 豎向勁性復(fù)合樁最大豎向荷載加載量為8000 kN，3 組靜載試驗(yàn)的加載量與沉降量關(guān)系如圖3 所示。 可以看出，在相同荷載作用下，豎向勁性復(fù)合樁的沉降量小于預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁和水泥土鉆孔灌注樁，說(shuō)明豎向復(fù)合樁的控制沉降量性能相對(duì)兩者更好。

圖3 3 組靜載試驗(yàn)的加載量與沉降量關(guān)系

3 組靜載試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯?，豎向勁性復(fù)合樁所承受的最大荷載約為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和水泥土鉆孔灌注樁的2 倍；豎向勁性復(fù)合樁每毫米沉降量對(duì)應(yīng)的每平方米樁身材料可承受荷載值分別是另外2 種樁型的3.19 倍和2.03 倍。

表2 不同樁型施工方案的靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

綜上所述，通過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁與水泥土樁復(fù)合形成的豎向勁性復(fù)合樁，提高了樁基豎向承載能力并且很好地保持了沉降量少的優(yōu)點(diǎn)，較好地綜合了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和水泥土鉆孔灌注樁的承載力和沉降控制性能。

4 經(jīng)濟(jì)性與施工質(zhì)量對(duì)比

4.1 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

在方案比選中，除了考慮構(gòu)件性能，還需要考慮經(jīng)濟(jì)效益。 在漳州沿海大通道第LJ-11 標(biāo)段中，填土高度4.7 m， 處理長(zhǎng)度50 m， 處理路基寬度42.5 m， 采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁處理地基時(shí)， 樁長(zhǎng)12 m，間距按2.2 m 正方形布置，共布置525 根；采用水泥土鉆孔灌注樁處理地基時(shí)，樁長(zhǎng)16 m，間距按照1.5 m 正方形布置，共布置1066 根；采用豎向勁性復(fù)合樁處理地基時(shí)，樁長(zhǎng)12 m，間距按3 m 正方形布置，共布置300 根，總樁長(zhǎng)3600 m。從施工方的競(jìng)標(biāo)報(bào)價(jià)中，對(duì)比3 種樁體的經(jīng)濟(jì)性，如表3 所示。 可以看出，水泥土鉆孔灌注樁的單樁造價(jià)與成樁總造價(jià)均為最高，為較不經(jīng)濟(jì)樁型；豎向勁性復(fù)合樁的單樁造價(jià)較預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁高68%，但其布置間距大，所需根數(shù)少，成樁總造價(jià)較預(yù)應(yīng)力混凝土管樁低約4%。 因此豎向勁性復(fù)合樁具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可節(jié)省造價(jià)。

表3 不同樁型施工方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.2 施工質(zhì)量對(duì)比

根據(jù)土層土體分布情況可知，因存在密實(shí)性砂層， 采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁將產(chǎn)生較大的擠土效應(yīng)，對(duì)周?chē)h(huán)境影響大，且容易出現(xiàn)樁身傾斜以及因未能打入硬質(zhì)巖而導(dǎo)致承載力不足，造成材料上的浪費(fèi)；水泥土鉆孔灌注樁因需現(xiàn)場(chǎng)施工，在成孔過(guò)程中常出現(xiàn)鉆孔偏差、塌孔、縮孔以及樁身夾泥等現(xiàn)象，成樁質(zhì)量不易掌握；勁性復(fù)合樁是采用水泥攪拌樁（外芯）包裹預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（內(nèi)芯）的結(jié)構(gòu)形式， 外包的水泥攪拌樁可提供樁身摩阻力，且可保證預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的樁身保持豎直不傾斜，樁身摩阻力及豎直的樁身可更充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的承載力，施工質(zhì)量可控。

綜上分析可知，豎向勁性復(fù)合樁的承載性能和控制沉降量性能優(yōu)于水泥土鉆孔灌注樁與預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，且在豎向勁性復(fù)合樁與預(yù)應(yīng)力混凝土管樁造價(jià)相差不多的情況下，豎向勁性復(fù)合樁的受力性能優(yōu)于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁且施工質(zhì)量可控，更能適應(yīng)不同的地層，綜合來(lái)看是一種高性價(jià)比的樁型。

5 結(jié)論

針對(duì)漳州沿海大通道第LJ-11 標(biāo)段中存在的軟土地基，通過(guò)對(duì)比預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制管樁、水泥土鉆孔灌注樁及豎向勁性復(fù)合樁這3 種軟土地基處理方案的豎向承載力、經(jīng)濟(jì)性和施工質(zhì)量，得到以下結(jié)論：（1）豎向勁性復(fù)合樁的豎向承載力以及在相同荷載作用下沉降控制量性能更好；（2）豎向勁性復(fù)合樁單樁造價(jià)高但所需根數(shù)少，成樁總造價(jià)低，具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可節(jié)省造價(jià)；（3）豎向勁性復(fù)合樁因其外包水泥攪拌樁（外芯）可提供樁身摩阻力，可保證預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（內(nèi)芯）的樁身保持豎直不傾斜，施工質(zhì)量可控，更能適應(yīng)不同的地層。 目前本工程項(xiàng)目已完工，根據(jù)完工驗(yàn)收?qǐng)?bào)告可知，路面線形平順，無(wú)塌陷等缺陷病害。 因此利用豎向勁性復(fù)合樁對(duì)漳州沿海大通道第LJ-11 標(biāo)段軟土地基加固取得了良好成效。