預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土攪拌樁在軟基處理中的應(yīng)用

盧榮富 LU Rong-fu

（珠海市斗門區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，珠海 519000）

0 引言

在沿海軟土分布區(qū)域開展市政工程建設(shè)，地基不僅土質(zhì)既松軟又具備很大的粘性，加之高含水量和低負(fù)荷容量，造成施工中的不均勻沉降和各類質(zhì)量缺陷問(wèn)題。一旦發(fā)生嚴(yán)重的路基不均勻沉降，就會(huì)削弱路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，形成一定的破壞性，進(jìn)而出現(xiàn)瀝青路面鼓包和混凝土路面開裂的諸多問(wèn)題。隨著交通量的逐年增大，要想市政道路在設(shè)計(jì)年限內(nèi)能滿足運(yùn)行的需求，道路施工軟基處理技術(shù)至關(guān)重要。當(dāng)前國(guó)內(nèi)施工普遍應(yīng)用的處理方式主要有兩大類，即復(fù)合地基和預(yù)壓地基。其中，復(fù)合地基處理中具備相對(duì)成熟的軟土治理技術(shù)，而且擁有多元化的施工工藝選擇。復(fù)合地基又可細(xì)分為多種類型，如多樁型復(fù)合地基、水泥土攪拌樁復(fù)合地基、剛性樁復(fù)合地基、CFG樁復(fù)合地基等。

最近幾年，研究領(lǐng)域取得了一定的成果，比如陳善雄對(duì)長(zhǎng)短樁結(jié)合型的水泥噴粉樁復(fù)合地基進(jìn)行計(jì)算方式的設(shè)計(jì)；馬驥對(duì)長(zhǎng)短樁復(fù)合地基的研究和設(shè)計(jì)；楊軍龍通過(guò)深度分析長(zhǎng)短樁復(fù)合地基數(shù)值，研究該復(fù)合地基彼此作用的機(jī)理；周德泉深度分析和研究組合樁復(fù)合地基中的樁體和墊層相關(guān)問(wèn)題。但國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土攪拌樁組合法處理地基的研究有限。本文通過(guò)對(duì)湖中路南側(cè)18m市政道路工程的研究分析，著重分析預(yù)應(yīng)力管樁與水泥土攪拌樁組合法在市政工程軟土地基施工中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

該案例工程為珠海市某區(qū)的市政工程，具體位置為湖中路南側(cè)18m道路工程。設(shè)計(jì)道路走向從東北到西南，以湖心路市政道路為西起點(diǎn)，樁號(hào)為K0+000，坐標(biāo)X=2452975.614，Y=98051.763，東側(cè)與湖濱二路市政道路連接，樁號(hào)K0+537.198，坐標(biāo)X=2453340.008，Y=98446.477，工程總長(zhǎng)為537.198m，紅線設(shè)置18m的寬度，該道路為雙向兩車道的城市支路道路等級(jí)。該工程屬于新建道路的性質(zhì)，主要建設(shè)內(nèi)容涵蓋：道路施工、處理軟基、通信管位、給水工程、預(yù)留燃?xì)?、污水工程、照明工程、交通工程、電纜溝及預(yù)留溝工程等[1]。

1.2 工程周邊情況及地質(zhì)情況

該工程道路北側(cè)從東向西依次被一個(gè)水塘隔開的兩個(gè)建成小區(qū)，道路南側(cè)從東向西依次為一個(gè)在建小區(qū)和一個(gè)建成小區(qū)，該項(xiàng)目施工前要進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，以對(duì)場(chǎng)地淤泥層不同深度的應(yīng)力歷史和固結(jié)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

過(guò)表1可以看出，場(chǎng)地上部淤泥為欠固結(jié)土，因?yàn)樵摻Y(jié)果呈現(xiàn)出OCR=0.249～0.818超固結(jié)比。厚層的淤泥類軟土層廣泛分布在場(chǎng)地內(nèi)沿線處。淤泥層大約為12.70～35.00m的厚度，平均厚度26.07m，具備高壓縮性、大厚度以及觸變性。本工程K0+045～K0+506.1樁號(hào)段，利用預(yù)應(yīng)力管樁與水泥攪拌樁組合的模式處理該段的軟地基。軟基處理標(biāo)準(zhǔn)平面圖見圖1。

表1 高壓固結(jié)試驗(yàn)

2 預(yù)應(yīng)力管樁與水泥攪拌樁組合法的應(yīng)用

2.1 組合應(yīng)用的基本思路

①如果在樁頂施加豎向荷載，那么首先遭受壓縮的樁身上部就會(huì)產(chǎn)生對(duì)照于土的向下位移，于是向上的摩阻力在樁側(cè)面的樁周土形成；其擴(kuò)散的過(guò)程可以理解為荷載沿樁身向下傳遞的過(guò)程，需要不斷地克服阻力來(lái)完成這個(gè)過(guò)程，樁身的軸力會(huì)在深度方向逐漸縮小，形成的一種平衡就是樁端處與樁底反力；同時(shí)，樁端持力層會(huì)因?yàn)闃抖肆Χ纬蓧嚎s，樁身因此而下沉，摩阻力也會(huì)因?yàn)闃堕g土位移加大。以上的過(guò)程會(huì)因?yàn)闃俄斬?fù)荷逐漸增加而循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行，穩(wěn)定變形為止。因?yàn)椴粩嗬鄯e的樁身壓縮量，在位移上，上部樁身會(huì)大于下部樁身，所以，最先發(fā)揮摩阻力的總是上部；摩阻力上升到最大限度后就不再增加，隨著荷載的增加會(huì)逐漸調(diào)動(dòng)起下部樁側(cè)摩阻力，一直到全部樁身摩阻力完全滿足極限，因?yàn)橹饾u增加的負(fù)載由樁端持力層承受；如果樁端持力層承載力不夠，就會(huì)導(dǎo)致樁的不停滯而快速的下沉，進(jìn)而導(dǎo)致破壞。所以，適當(dāng)增強(qiáng)樁身上部樁側(cè)土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不僅能夠提升樁的承載力，更可以改善樁的變形性[2]。

②軟土固結(jié)的特征會(huì)因?yàn)閼?yīng)用水泥土攪拌樁而明顯改善。在常規(guī)的認(rèn)知里，因?yàn)樗嗟膲嚎s曲線內(nèi)存在超固結(jié)現(xiàn)象，就忽略在水泥土樁底發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象的可能性，以為只是樁身的彈性壓縮。實(shí)際操作中對(duì)水泥攪拌樁的深厚軟土進(jìn)行加固中，通常不會(huì)貫穿全部軟土層，所以，仍然可以利用雙層地基－維固結(jié)理論分析下臥倒層和加固層軟土固結(jié)特征。研究固結(jié)的機(jī)理，首先是因?yàn)樵O(shè)置了加固層滲透性不高的水泥攪拌樁，因此不需要太多的下臥層軟土內(nèi)的排水通道，該層的排水固結(jié)明顯減緩；其次，水泥攪拌樁接受加固層豎向附加力的聚集，會(huì)造成樁間土應(yīng)力減少，也相應(yīng)減小了孔壓，所以很大的孔隙壓力差會(huì)形成在下臥層軟土之間，加速了該層軟土的固結(jié)[3]。

③天然軟土的性質(zhì)會(huì)因?yàn)閿嚢铇兜募庸套饔枚黠@改善。將固化劑加入后會(huì)讓流塑軟黏土構(gòu)成的加固土愈發(fā)的緊固，與原狀土相比水泥土的粘聚力和內(nèi)抹角顯著增加，在試驗(yàn)三軸不排水剪切時(shí)，隨著圍壓力增大，也會(huì)隨之增大水泥土破壞時(shí)的摩爾應(yīng)力圓直徑，包絡(luò)線成斜線，所以，其抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、變形模量等指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天然的百倍。一旦固化劑摻入比aw＞4.5%，可以實(shí)現(xiàn)500～4000kPa的加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu。相對(duì)抗拉強(qiáng)度σi=（0.15～0.25）qu。粘聚力c=（0.2～0.3）qu。內(nèi)摩擦角φ在20～30°之間，變形模量Eso=（120～150）qu。伴隨加固土強(qiáng)度的變化，加固土的變形特征會(huì)介于彈塑體和脆性體之間。高壓三軸研究顯示，如果接近于雙曲線的加固土應(yīng)力，可采用鄧肯-張模型。加固土強(qiáng)度的提高取決于固土齡期、水泥標(biāo)號(hào)、固化劑摻入比的增加程度。隨著水泥摻量的增加提升水泥土的抗?jié)B性能，抗?jié)B系數(shù)下降為數(shù)量級(jí)，下降幅度為10-7cm/s下降為（10-7～10-11）cm/s數(shù)量級(jí)。

④應(yīng)力狀態(tài)因?yàn)闃?、土?fù)合構(gòu)成而生成，基于三維共同工作和豎向及平面的剛度級(jí)配梯度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然地基承載力的合理補(bǔ)強(qiáng)，進(jìn)而符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，顯著減少了地基的沉降。

⑤通過(guò)兩種樁結(jié)合的作用，促進(jìn)三維地基剛度的形成，符合天然土層淺弱深強(qiáng)的普遍規(guī)律以及地基應(yīng)力傳遞特征，與此同時(shí)，長(zhǎng)預(yù)應(yīng)混凝土管樁能夠進(jìn)入良好的深層土層，大大減輕了復(fù)合地基的沉降。

⑥上部結(jié)構(gòu)和復(fù)合地基結(jié)構(gòu)利用褥墊層的柔性實(shí)施連接，垂直荷載可以通過(guò)水平負(fù)載作用下進(jìn)行。

⑦可以利用褥墊層對(duì)復(fù)合地基的樁土荷載分配實(shí)施合理調(diào)整，充分發(fā)揮土體的有效承載能力，特別是發(fā)揮淺層土體承載的作用。墊層的作用歸納為以下幾點(diǎn)：第一，確保樁間和樁體土共同承擔(dān)荷載。墊層的設(shè)置為樁體提供了上刺入的條件，哪怕是樁端的土層較好，也要確保樁間土的工作一直進(jìn)行。在實(shí)測(cè)的復(fù)合地基樁體和樁間土?xí)r程曲線（給定荷載下）上，樁、土受力始終為一常數(shù)。第二，對(duì)樁土荷載分擔(dān)比例進(jìn)行調(diào)整。樁間土?xí)S著墊層的增厚承擔(dān)更多的荷載；高水平的荷載下，在總荷載中樁承擔(dān)的比例越大。所以，土荷載的分擔(dān)比例的調(diào)整可利用墊層厚度調(diào)整，相反，便可以按照樁土應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定墊層的厚度。第三，對(duì)基礎(chǔ)底面應(yīng)力集中的緩解。墊層厚度的變化會(huì)帶動(dòng)樁頂對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)應(yīng)力與樁間土對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)底面應(yīng)力之比的變化。研究顯示，10cm以上的墊層厚度，樁對(duì)基礎(chǔ)底面生成的應(yīng)力集中據(jù)研究：當(dāng)墊層厚度大于10cm時(shí)，會(huì)明顯降低基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中；如果為30cm的墊層厚度，產(chǎn)生的應(yīng)力集中已顯著降低；當(dāng)墊層厚度為30cm時(shí)，n僅為1.3左右。第四，進(jìn)行有效調(diào)整調(diào)整樁土水平荷載的分配。第五，因?yàn)樵O(shè)置墊層，部分負(fù)摩阻區(qū)的產(chǎn)生源于樁體向上的刺入變形。

2.2 復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

按照現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告和應(yīng)用思路，本研究利用18-36m的400預(yù)應(yīng)力混凝土樁，設(shè)計(jì)C25混凝土樁帽，持力層設(shè)計(jì)為粉質(zhì)粘土，持力層容納樁端。施工的兩項(xiàng)指標(biāo)包括貫入度和樁長(zhǎng)實(shí)施控制，貫入的一般按照小于10cm，利用錘擊法進(jìn)行擊打。通常情況下，應(yīng)該通過(guò)單樁載荷試驗(yàn)。單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)通過(guò)單樁載荷試驗(yàn)確定，也可通過(guò)下式計(jì)算：

上面公式中，設(shè)定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為Q；設(shè)定樁側(cè)阻綜合抗力分項(xiàng)系數(shù)的規(guī)范取值為Yp；設(shè)定樁身周長(zhǎng)為u；設(shè)定樁側(cè)地i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為qwx；假設(shè)第一層土厚度為l。設(shè)定樁端截面積為Ap1。水泥土攪拌樁單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁豎向載荷試驗(yàn)確定，也可通過(guò)下式計(jì)算：

上式中，設(shè)定室內(nèi)水泥土立方體試塊平均的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為fuk；設(shè)定樁不同土層中樁周長(zhǎng)為Up、設(shè)定長(zhǎng)度為l；設(shè)定土層樁周土的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為qin、設(shè)定樁端土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值qp；折減系數(shù)設(shè)定為η、a。按照以上公式的計(jì)算數(shù)據(jù)，單樁豎向承載力的標(biāo)準(zhǔn)值取最小值。為促進(jìn)綜合地基承載力的提升，利用混凝土管樁和水泥土攪拌復(fù)合地基應(yīng)用，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

為綜合提高地基承載能力，采用混凝土管樁-水泥土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值foph可按下式計(jì)算：

公式中，設(shè)定預(yù)應(yīng)力管樁置換率為：m1、m2分別為混凝土管樁和水泥土攪拌樁的置換率；設(shè)定預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為Rdk1、設(shè)定水泥混凝土攪拌樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為Rdk2；設(shè)定預(yù)應(yīng)力管樁為Ap1、水泥土攪拌樁為Ap2；設(shè)定β1為水泥土攪拌樁、樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)為β2；fsk為樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

本研究的水泥土攪拌樁徑為500mm，長(zhǎng)度為15m，按照縱向2000mm、橫向1200mm進(jìn)行布置，在1根預(yù)應(yīng)力混凝土管樁周邊設(shè)置水泥土攪拌樁進(jìn)行單元組合，樁頂設(shè)碎石褥墊層400mm。設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力管樁承受力標(biāo)準(zhǔn)為150kN，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值100kPa，水泥土攪拌樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值120kN。

2.3 復(fù)合地基的施工工藝

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工技術(shù)程序?yàn)椋悍艠訙y(cè)量→安置打樁機(jī)→喂樁→調(diào)直對(duì)中對(duì)中再調(diào)直→用錘打沉樁→持續(xù)錘擊→（再接樁）→打至持力層（送樁）→收錘；為減少錘擊管樁的擠土效應(yīng)，D400mmPHC管樁（AB級(jí)）施工時(shí)橫向采取跳打法施工，先施工奇數(shù)排管樁（即1、3、5、7……），8～10天后待孔隙水壓力的消散后，再施工偶數(shù)排管樁（即2、4、6、8……）；縱向建議先中間后兩邊的施工方法。水泥土攪拌樁施工的技術(shù)程序：定位→攪拌下沉、噴漿→攪拌提升→重復(fù)攪拌下沉、噴漿→重復(fù)攪拌提升→再次攪拌下沉、噴漿→再次攪拌提升→清洗→移位[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，利用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與水泥土攪拌樁組合法處理市政工程中軟土地基，具有諸多優(yōu)勢(shì)。

①明顯改善了地基的豎向剛度梯度和平面剛度組合，不但讓天然地基土承載力得以發(fā)揮，并且有效利用深層次以及較深層地基土的承載力。

②讓樁間土參與作用得以發(fā)揮，大幅度提升了復(fù)合地基承載力。

③因?yàn)楦纳屏舜怪狈较騽偠鹊奶荻?，地基的沉降量顯著減少。

④充分整合了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與水泥土攪拌樁的優(yōu)勢(shì)，在發(fā)揮預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的高強(qiáng)度、地壓縮優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，利用水泥攪拌樁構(gòu)成復(fù)合地基，總承受能力大幅度提升。

⑤本文介紹的兩種樁組合的方式效果好且施工方式不復(fù)雜，可以確保施工質(zhì)量。雖然這種組合方式處理的軟土地基在工程中可以應(yīng)用，但基于砂石褥墊層、承載機(jī)理怎樣讓復(fù)合地基更合理受力，以及地基承載力受到布樁模式的影響程度等問(wèn)題，還需要進(jìn)一步研究和探討[5]。