導(dǎo)水樁復(fù)合地基處理新技術(shù)及試驗(yàn)研究

韓少武，黃曉倩，曾思楗

摘要：針對(duì)軟土的特性和在軟土地基上進(jìn)行基建施工的環(huán)境特點(diǎn)，分析現(xiàn)有軟土地基加固技術(shù)及其適用情況，在室內(nèi)試驗(yàn)、模型樁試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種新型地基處理技術(shù)——導(dǎo)水樁復(fù)合地基處理法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)分析，研究了導(dǎo)水樁復(fù)合地基承載力、排水固結(jié)、孔壓消散、樁土應(yīng)力分擔(dān)狀況等。結(jié)果表明：導(dǎo)水樁在土體中承擔(dān)了豎向排水體作用，在上部填土荷載作用下與基底褥墊層構(gòu)成排水系統(tǒng)，排水固結(jié)能力強(qiáng)，能迅速加速樁間土的固結(jié)，充分發(fā)揮樁間土的承載力；還可作為豎向增強(qiáng)體，有效傳遞豎向荷載，并與固結(jié)后的樁間土組合共同承載，達(dá)到控制施工后地基沉降的目的，推廣應(yīng)用前景良好。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地基； 排水固結(jié)； 導(dǎo)水樁； 軟土地基處理； 承載力

中圖法分類號(hào)：TV431文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.016

文章編號(hào)：1006-0081（2023）09-0096-06

0引言

在土木、交通和水利等領(lǐng)域中，軟土地基問題往往是引發(fā)工程安全問題的主要誘導(dǎo)因素，軟土地基處理恰當(dāng)與否，將直接影響整個(gè)工程建設(shè)的質(zhì)量及安全性。近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家加大了對(duì)公路、鐵路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，對(duì)于地基的要求越來(lái)越高，施工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)于軟土地基處理的概念、技術(shù)、固結(jié)沉降分析等都提出了新挑戰(zhàn)。尤其是隨著圍墾造田的快速發(fā)展，淺灘軟土、湖泊、濱海等軟土地基處理加固技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。

自1962年國(guó)際上首次提出復(fù)合地基這一概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的不斷發(fā)展，復(fù)合地基處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、堤壩及各類工業(yè)與民用建筑等工程的軟基處理，采用的增強(qiáng)體樁型也日趨豐富，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一地基處理技術(shù)進(jìn)行了大量研究。李書昌［2］對(duì)福鼎濱海大道工程海堤段的軟基處理選擇CFG樁施工，施工完成后經(jīng)檢測(cè)達(dá)到了軟土地基的承載力和穩(wěn)定性要求。陳俊彥［3］通過(guò)建立有限元分析模型，研究粉噴樁加固軟土地基的土體應(yīng)力和變形規(guī)律及加固效果，結(jié)果表明：粉噴樁加固對(duì)于減小路基底部?jī)蓚?cè)土體水平變形的效果顯著，對(duì)于減小路基底部中心樁體水平變形的效果較弱。龔西城等［4］研究了預(yù)制混凝土管樁技術(shù)在黃河下游閆潭引黃閘工程施工中的應(yīng)用，并進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明：預(yù)制管樁技術(shù)較好解決了黃河下游涵閘建設(shè)過(guò)程中地基承載力不足、地基輕微液化的問題，大幅度提高了工程施工質(zhì)量和安全穩(wěn)定性。賓斌等［5-6］提出的導(dǎo)水布袋復(fù)合壓密樁技術(shù)，有效解決了軟土在壓密注漿處理過(guò)程中超孔隙水壓力消散過(guò)慢的技術(shù)難題，分析論證了導(dǎo)水布袋復(fù)合壓密注漿樁技術(shù)對(duì)軟土質(zhì)堤防的加固效果。問建學(xué)等［7］對(duì)超厚軟土中管樁復(fù)合地基道路不均勻沉降修復(fù)進(jìn)行了數(shù)值分析、工程應(yīng)用以及監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。柏楊等［8］對(duì)河道工程中水泥攪拌樁復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算方法及邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行了研究分析。上述復(fù)合地基處理方法均取得了一定的地基處理效果，有其適用性，但存在一定程度的不足：CFG樁擠土效應(yīng)大，造價(jià)高；粉（濕）噴樁施工工藝控制因難，受土質(zhì)條件約束多，加固深度淺，深層成樁質(zhì)量不可靠；深層攪拌樁成樁強(qiáng)度不高，造價(jià)高；導(dǎo)水布袋樁施工工藝復(fù)雜，受布袋約束多，成本難以控制；預(yù)制管樁造價(jià)高，難以穿透堅(jiān)硬夾層等。

導(dǎo)水樁復(fù)合地基是在導(dǎo)水布袋壓密注漿法基礎(chǔ)上提出的一項(xiàng)軟土地基處理新技術(shù)，將具有透水透氣功能的多孔結(jié)構(gòu)混凝土制成的地基樁作為導(dǎo)水樁，和褥墊層、樁間土一起組成了導(dǎo)水樁復(fù)合地基。該技術(shù)聯(lián)合了傳統(tǒng)排水固結(jié)法和高強(qiáng)度地基樁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將高強(qiáng)度高滲透率的導(dǎo)水樁打入地基中，不僅承擔(dān)了豎向排水體，在上部填土荷載作用下與基底褥墊層構(gòu)成排水系統(tǒng)，加速樁間土固結(jié)，充分發(fā)揮樁間土承載力，還可作為豎向增強(qiáng)體，有效傳遞豎向荷載，并與固結(jié)后的樁間土組合共同承載［9］，從而達(dá)到控制施工后地基沉降的目的，有效解決了傳統(tǒng)復(fù)合地基樁體材料僅能充當(dāng)豎向增強(qiáng)體的局限性。實(shí)際工程中，為了縮短工期，一般采用超載預(yù)壓法對(duì)地基進(jìn)行處理，預(yù)先完成部分或大部分地基沉降［10-11］。

導(dǎo)水樁復(fù)合地基適用于淤泥質(zhì)土、淤泥、軟黏土地基處理，特別適用于高含水率和富含有機(jī)質(zhì)的深厚軟土地區(qū)的不均勻沉降問題處理，如高速公路、堤防邊坡的地基處理。

1導(dǎo)水樁室內(nèi)試驗(yàn)

1.1導(dǎo)水樁配合比試驗(yàn)

導(dǎo)水樁是由單一粒徑集料級(jí)配和膠凝材料制備而成的具有一定強(qiáng)度、一定透水性能的多孔混凝土材料，兼具剛性樁高強(qiáng)度和散體材料排水性好的特點(diǎn)。而采用常規(guī)透水混凝土作為樁身材料時(shí)，容易出現(xiàn)以下問題。

（1） 導(dǎo)水樁成樁采用沉管灌注工藝，且樁身較長(zhǎng)，在施工振動(dòng)與重力作用下，水泥漿容易離析，導(dǎo)致透水混凝土的部分孔隙被水泥漿堵塞，樁體無(wú)法形成透水通道，透水系數(shù)減小。

（2） 在應(yīng)用于淤泥地基或者地下水位較高的軟基時(shí)，混凝土遇水后水泥在水中容易發(fā)生分散或隨水流失，造成透水混凝土樁不密實(shí)，出現(xiàn)樁體整體性不佳、強(qiáng)度受影響的問題。

（3） 透水混凝土成樁后，樁體材料容易被樁周泥沙堵塞，導(dǎo)致樁體排水能力下降。

因此，在采用導(dǎo)水樁復(fù)合地基進(jìn)行軟土地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之前，應(yīng)開展樁身材料配合比試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)分析各材料的配比與漿體流動(dòng)性、固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、固結(jié)體透水性能的影響，研究滿足兼具剛性樁工藝和透水性要求的樁身材料配合比。

（1） 試驗(yàn)原材料：水泥、硅灰、礦粉、聚羧酸高效減水劑、抗分散劑、水、粗骨料（粒徑5～10 mm的碎石）。

（2） 試驗(yàn)參數(shù)：水灰比（0.28）、骨料比（3∶1～5∶1）、硅灰摻量5%～7%（水泥替代率）、礦粉摻量15%（水泥替代率）。

（3） 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：固結(jié)體孔隙率（10%～20%）、結(jié)石體滲透系數(shù)（0.5～2.0 mm/s）、結(jié)石體抗壓強(qiáng)度（20～25 MPa）。

共進(jìn)行16組配合比試驗(yàn)，從中優(yōu)選了3組滿足工作性能、流動(dòng)性較好且具有代表性的配合比，其材料構(gòu)成及物理力學(xué)性能如表1所示。

為確保樁身材料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)要求并兼具高強(qiáng)度性和透水性，采用PVC塑料管作為模具，對(duì)優(yōu)選的3組配合比按直徑1∶1比例制作高度分別為2.0，1.5和1.0 m的模型樁，導(dǎo)水樁模型樁的制備工藝如圖1所示。

澆筑完成的模型樁在室外條件下養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，如圖2所示，可以觀察到3個(gè)配比制作的導(dǎo)水樁樁身均具有較多的孔隙，且水泥漿在重力與人工振搗作用下未離析沉底，均未出現(xiàn)樁身底部的孔隙被水泥漿堵塞的現(xiàn)象，樁身均勻且完整性較好，樁體透水系數(shù)得以保證，能夠在與土體結(jié)合后形成一條穩(wěn)定暢通的排水通道。

隨后對(duì)拆模的試樁進(jìn)行鉆孔取芯，如圖3所示。由圖3可以看出，與剛性樁混凝土材料相比，導(dǎo)水樁具有較多孔隙，孔隙率隨配比的變化而變化，其中，3號(hào)配比孔隙最多，1號(hào)配比稍少。這些連通的孔隙是樁身能夠透水的主要原因。

對(duì)所取芯樣進(jìn)行透水系數(shù)、孔隙率和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，其中，抗壓強(qiáng)度取7 d測(cè)試值的平均值，另有一組制作模型樁時(shí)留樣的試塊，其物理力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，3個(gè)配合比在滿足工作性的要求下均滿足透水性能要求，最小透水系數(shù)也大于9.94 mm/s，而結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增加顯著降低。此外，試塊所測(cè)的抗壓強(qiáng)度值均高于所取芯樣的測(cè)試值，這是由于試塊在成型過(guò)程中置于振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)，相較于模型樁的人工振搗更為充足，密實(shí)度更高，因此其抗壓強(qiáng)度值也較高。同等樁分布條件下，孔隙率越大透水系數(shù)越大，達(dá)到施工后沉降的時(shí)間越短，樁強(qiáng)度越高，導(dǎo)水樁復(fù)合地基的承載力也就越高。所以在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮工期要求和軟基上部基建工程的荷重來(lái)選擇導(dǎo)水樁的配合比。

1.2導(dǎo)水樁固結(jié)試驗(yàn)

為進(jìn)一步了解導(dǎo)水樁的排水加固性能，對(duì)導(dǎo)水樁和不排水混凝土樁進(jìn)行了簡(jiǎn)易室內(nèi)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置尺寸為300 mm×300 mm×400 mm，導(dǎo)水樁和不排水混凝土樁樁長(zhǎng)160 mm，樁徑45 mm，其中，導(dǎo)水樁采用1號(hào)配比，不排水混凝土樁表面用水泥封死，模型如圖4所示。取一定軟土加水至攪拌均勻后加入兩個(gè)尺寸相同的試驗(yàn)裝置內(nèi)，接著采用與管內(nèi)徑與樁直徑一致的PVC管進(jìn)行挖孔取土，放入導(dǎo)水樁和混凝土樁，在土體和樁頂表面覆蓋一層2～3 cm的砂墊層作為排水層，再放置一塊沉降板，表面連接位移計(jì)，沉降板上施加填土荷載，通過(guò)位移計(jì)實(shí)時(shí)顯示土體的沉降量，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可看出，與無(wú)排水通道的混凝土樁相比，帶有排水固結(jié)作用的導(dǎo)水樁在相同時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生更大的沉降，使地基土體更快完成沉降固結(jié)，從而縮短沉降穩(wěn)定的時(shí)間。

2導(dǎo)水樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在室內(nèi)配合比試驗(yàn)與模型樁試驗(yàn)基礎(chǔ)上，為較好驗(yàn)證導(dǎo)水樁在有效控制工后沉降和差異沉降及充分發(fā)揮樁間軟土承載力方面的作用，應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)水樁復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)評(píng)價(jià)導(dǎo)水樁復(fù)合地基處理深厚軟土地基的可行性。

2.1試驗(yàn)段概況

選擇中山西環(huán)高速公路二標(biāo)施工路段作為導(dǎo)水樁復(fù)合地基技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段，路基全長(zhǎng)2.41 km，寬28.5 m，設(shè)計(jì)高度5 m，公路標(biāo)段屬深厚軟土地區(qū)（平均深度24 m），該試驗(yàn)段地層巖性主要為第四系填土層、三角洲沉積層、第四系殘積層，下伏基巖為燕三期花崗巖、侏羅系凝灰?guī)r、寒武系變質(zhì)砂巖，而直接影響工程施工的地層主要有淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，試驗(yàn)段各項(xiàng)土質(zhì)具體參數(shù)見表3。

試驗(yàn)段長(zhǎng)21 m，導(dǎo)水樁樁徑400 mm，樁長(zhǎng)22 m，樁身材料采用1號(hào)配比制成，設(shè)計(jì)樁距2.5 m，采用振動(dòng)沉管埋入導(dǎo)水樁后，在基底表面鋪設(shè)50 cm的砂石作為褥墊層。打樁完成后先進(jìn)行單樁和復(fù)合地基承載力試驗(yàn)，然后在試驗(yàn)段中心處設(shè)立1個(gè)觀測(cè)斷面，在斷面中心區(qū)域進(jìn)行地表沉降、孔隙水壓力和樁土應(yīng)力監(jiān)測(cè)，具體包括：① 在路基中心及兩側(cè)原地面高程處各布設(shè)1個(gè)沉降標(biāo)；② 在路基中心樁周土區(qū)域，沿樁身4，8，12，16 m和20 m處共布設(shè)5個(gè)孔隙水壓力計(jì)；③ 在樁頂及兩樁頂中心樁間土表面處各布設(shè)1個(gè)土壓力盒。

2.2單樁及復(fù)合地基承載力試驗(yàn)

導(dǎo)水樁埋設(shè)完成后進(jìn)行單樁及復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，其中，單樁等效處理面積取3.5 m2，復(fù)合地基載荷試驗(yàn)采用面積3.3 m2的載荷板。試驗(yàn)曲線如圖6所示，由圖分析可知，試驗(yàn)樁單樁承載力特征值為275 kN，壓板試驗(yàn)點(diǎn)復(fù)合地基承載力特征值為180 kPa。

2.3地基沉降監(jiān)測(cè)分析

在基底表面進(jìn)行路基填土及超載預(yù)壓過(guò)程中，監(jiān)測(cè)斷面的沉降實(shí)測(cè)曲線見圖7。由圖7可以看出，在整個(gè)路基填土及超載預(yù)壓過(guò)程中，隨著填土量及荷載的增加，土體沉降不斷發(fā)展，地基總沉降量隨路堤填筑過(guò)程平穩(wěn)上升，路基填土完成后，開始填筑預(yù)壓土，這時(shí)土體沉降速率明顯增大，在超載預(yù)壓土填筑之后，上部荷載保持不變，地基沉降仍繼續(xù)發(fā)展，這跟土體上部路堤和預(yù)壓土提供的荷載作用有關(guān)，也反映了導(dǎo)水樁在土體中起到的排水固結(jié)作用。導(dǎo)水樁樁身材料的高滲透率使其在土體中的作用相當(dāng)于一個(gè)大直徑豎向排水體，給樁周邊土體中的水提供了豎向通道，大大減少土體排水距離，土體中的孔隙減少加快及有效應(yīng)力增加，使地基土體能在加載預(yù)壓期內(nèi)完成大部分或基本完成沉降固結(jié)，從而有效減少地基工后產(chǎn)生沉降和差異沉降的現(xiàn)象。

2.4孔隙水壓力監(jiān)測(cè)分析

通過(guò)沿樁身均勻布設(shè)孔壓計(jì)進(jìn)行不同深度的孔壓觀測(cè)，可了解不同深度土體在上部填土荷載作用下孔隙水壓力的變化規(guī)律，分析地基土體的固結(jié)狀態(tài)。路基填土及超載預(yù)壓過(guò)程中所觀測(cè)到的孔隙水壓力變化曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，在路堤填土過(guò)程中，土體填筑速率較慢，地基不同深度的孔隙水壓力隨填土荷載變化均較平緩。在預(yù)壓土體施加后，孔隙水壓力迅速上升，不同深度處孔壓在預(yù)壓土填筑時(shí)均達(dá)到峰值，但在路基填土及超載預(yù)壓完成后的恒載過(guò)程中，孔隙水壓力迅速消散，孔壓值回歸到填土初期應(yīng)力水平。這一現(xiàn)象表明了土體內(nèi)孔隙水在上部荷載的作用下，引起了超靜孔隙水壓的產(chǎn)生，但由于導(dǎo)水樁樁身材料的導(dǎo)水性，在土體中提供了一個(gè)快速排水通道，土體中的孔隙水沿導(dǎo)水樁向上排出，超靜孔隙水壓隨著土體排水固結(jié)完成而消散，上部荷載開始由土體承擔(dān)，土體密實(shí)度進(jìn)一步提升，此時(shí)土體的沉降值達(dá)到最大。同時(shí)，不同深度測(cè)點(diǎn)處孔壓值的迅速消散也表明導(dǎo)水樁具有良好的排水性能，能充分發(fā)揮樁間土體的承載力水平，利于地基的深層加固。

2.5樁土應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

在路堤填土及超載預(yù)壓土施加的荷載作用下，樁頂和樁間土應(yīng)力的變化規(guī)律見圖9。

從圖9可以看出，在整個(gè)地基填土及超載預(yù)壓過(guò)程中，雖然樁頂土應(yīng)力和樁間土應(yīng)力均隨著填土量及荷載的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但兩者的增長(zhǎng)速率不同，樁間土應(yīng)力的增長(zhǎng)速率明顯小于導(dǎo)水樁樁頂應(yīng)力的增速。同時(shí)，在上部荷載作用下，砂石組成的褥墊層逐漸對(duì)自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，漸漸體現(xiàn)出對(duì)荷載的分擔(dān)和調(diào)整作用，且樁間土的強(qiáng)度明顯要弱于導(dǎo)水樁的強(qiáng)度，因此，上部填土荷載將在褥墊層的作用下，迅速由樁間土向?qū)畼掇D(zhuǎn)移，樁身應(yīng)力集中較明顯。而在預(yù)壓土填筑過(guò)后的恒載條件下，樁頂應(yīng)力仍在上升，而樁間土應(yīng)力基本保持不變，這一現(xiàn)象說(shuō)明了導(dǎo)水樁在地基中發(fā)揮的豎向增強(qiáng)體作用在不斷增強(qiáng)，導(dǎo)水樁所分擔(dān)的荷載比逐漸增大。

3結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、模型樁試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)所提出的導(dǎo)水樁復(fù)合地基技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究分析，結(jié)論如下：

（1） 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及模型樁試驗(yàn)確定了導(dǎo)水樁樁身材料的配合比，并驗(yàn)證了在這種配合比下形成的導(dǎo)水樁兼具高強(qiáng)度和高透水性。

（2） 通過(guò)地表沉降和孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，導(dǎo)水樁的排水固結(jié)性能可以加快土體中孔隙的減少及有效應(yīng)力的增加，從而加速樁間土體的沉降固結(jié)，使地基土體能在加載預(yù)壓期內(nèi)完成大部分或基本完成沉降固結(jié)，減少地基工后產(chǎn)生沉降和差異沉降的現(xiàn)象。

（3） 通過(guò)分析樁土應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)水樁在地基中發(fā)揮的豎向增強(qiáng)體作用不斷增強(qiáng)，導(dǎo)水樁所分擔(dān)的荷載比逐漸增大。

（4） 導(dǎo)水樁是一種新的地基處理方式，可用于淤泥質(zhì)土、淤泥、粉質(zhì)黏土等地基處理，特別適用于高速公路橋頭段、河湖堤防工程等的軟基處理，但目前研究理論相對(duì)缺乏，還需對(duì)其沉降計(jì)算理論、荷載傳遞規(guī)律、固結(jié)度等進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。

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（編輯：李慧）

Technology and experimental study of water-conducting pile?composite foundation

HAN Shaowu1，HUANG Xiaoqian2，3，ZENG Sijian2，3

（1.Yongzhou Water Authority，Yongzhou 425000，China；2.Hunan Hongyu Engineering Group Co.，Ltd.，Changsha 410117，China；3.Changsha Engineering Research Center for Grouting Technology，Changsha 410007，China）

Abstract： Aiming at the property of soft soil and environmental characteristic of infrastructure construction on soft soil foundation，the existing soft soil foundation reinforcement technologies and applicability were analyzed.Based on indoor test and model pile test，a new type of foundation treatment technology，the water-conducting pile composite foundation treatment method was proposed.Through field test observation and analysis，the bearing capacity，drainage consolidation，pore pressure dissipation and pile-soil stress sharing of water-conducting pile composite foundation were studied.The results showed that the water-conducting pile bore the vertical drainage body in the soil，and formed a drainage system with the base cushion under the upper filling load，which accelerated the consolidation of the soil between piles and gave full play to the bearing capacity of the soil between piles.It could also be a vertical reinforcement to effectively transfer vertical load，which combined with the consolidated soil between piles to bear the load and control the settlement of the foundation after construction.

Key words： composite foundation； drainage consolidation； water-conducting pile； soft soil foundation treatment； bearing capacity