勁性復合樁在海南省三亞地區(qū)砂土地基的應用研究

王 俊, 干 鋼, 沈 金, 魏結強, 孔華偉, 周禹杉

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，杭州 310028)

0 前言

勁性復合樁為散體樁、柔性樁、剛性樁經(jīng)復合施工形成的具有互補增強作用的樁［1］。勁性復合樁通過在水泥土攪拌樁內植入預應力管樁,其端阻力和側阻力可以通過水泥土攪拌樁和樁側土加強,能最大限度發(fā)揮地基土和樁身的復合作用。在剛性樁插入柔性樁的過程中,水泥土向外界土體擠擴與滲透,此時形成的樁土擠擴虛界面大于柔性樁與土的理論界面,擠擴虛界面的形成及大小是勁性復合樁承載力提高的內在因素之一［2-3］,同時水泥加入土中發(fā)生化學反應,使得樁側土體性能顯著改善,土體的復合強度和承載能力均有較大提高。勁性復合樁內芯樁強度高、剛度大,可用來承擔和傳遞荷載,同時外芯水泥土攪拌樁直徑大,提供的樁側摩阻力大,是軟土地基處理中經(jīng)濟有效、施工方便的樁型,在沿海地區(qū)應用較為廣泛。目前國內外已有不少學者對勁性復合樁的受力特性、破壞模式及荷載傳遞機理做了相關試驗和理論研究［4-8］。本文在前人研究基礎上,探討了勁性復合樁作為工程樁在實際工程應用中的優(yōu)點,以供同類工程參考。

1 工程概況

某工程位于海南省三亞市崖州灣,由1棟10層框架結構主樓(總結構高度49.2m)和1棟4層框架結構裙房(結構高度15.6m)組成,主樓和裙房之間設置防震縫脫開(圖1)。設置1層滿鋪地下室,層高5.4m。

圖1 結構計算模型

該工程抗震設防烈度為6度(0.05g),場地類別為Ⅲ類,為丙類建筑。高層結構框架抗震等級三級,多層結構框架抗震等級四級,屋頂大跨度框架抗震等級三級。

2 柱底荷載分析

該工程主樓標準柱網(wǎng)尺寸為9m×9m,主要功能為實驗室,活荷載≥5kN/m2,荷載相對較大。裙房柱網(wǎng)尺寸有9m×9m、9m×7.2m、9m×6m、9m×4.8m,柱網(wǎng)尺寸差異較大。各區(qū)域控制組合(恒荷載+活荷載)下柱底反力見表1。

表1 各區(qū)域控制組合下柱底反力

3 地質情況

該場地整體地勢起伏較大,所揭露的地層自上而下分為①雜填土、②粗砂、③中砂、④粗砂、⑤粉質黏土、⑥粗砂、⑦粉質黏土7個土層。其中③中砂層所有鉆孔均有揭露,稍密～中密,飽和,夾有粗礫砂、粉砂等,局部夾有較多粉粘粒,均勻性較差,層厚在3.10～11.00m之間,標貫級數(shù)為12～21擊,平均為15.67擊;②粗砂、④粗砂、⑥粗砂3個粗砂層層厚不一,其中④粗砂最厚處達到19m,最薄處為4.6m,標貫級數(shù)最大達到24擊,平均為18.93擊;⑥粗砂最厚處達到10.5m,最薄處也有2.7m,標貫級數(shù)最大達到30擊,平均為24.94擊。典型的工程地質剖面圖見圖2,土層物理力學指標見表2。

表2 土層物理力學指標

圖2 典型工程地質剖面圖/m

由于該場地淺部土層②粗砂、③中砂的工程力學性能一般,不能滿足天然地基淺基礎持力層的要求,故需要采用樁基礎。根據(jù)工程地質勘察提供的地質參數(shù),結合上部結構的荷載特點,考慮到場地土層起伏變化較大,經(jīng)過綜合比較選用④粗砂、⑤粉質黏土、⑥粗砂、⑦粉質黏土作為樁端聯(lián)合持力層。

4 樁基選型及對比

4.1 預應力混凝土管樁及鉆孔灌注樁設計

勘察報告提供的預應力混凝土管樁［9］和鉆孔灌注樁［9］參數(shù)見表3。預應力管樁選用PHC500AB125樁型,以④粗砂為持力層計算,單樁承載力約1 200kN,此時單樁承載力較低,對柱底荷載大的高層建筑來說樁數(shù)偏多,布樁困難;為提高單樁承載力選定預應力混凝土管樁樁長約37m計算時,單樁承載力約2 200kN,此時需要穿透④粗砂層,施工時需引孔。鉆孔灌注樁直徑800mm,樁長約37m,單樁承載力3 200kN。除主樓裙房交界處采用聯(lián)合承臺布樁外,其他區(qū)域均為柱下獨立承臺布樁方式。

表3 預應力混凝土管樁和鉆孔灌注樁參數(shù)

4.2 勁性復合樁設計

勘察報告提供的勁性復合樁參數(shù)見表4。勁性復合樁構造示意見圖3。本工程勁性復合樁采用等芯柔剛復合樁,選用M800+C500勁性復合樁,其中M800表示直徑800水泥土攪拌樁,C500表示預應力混凝土管樁PHC500AB125,其樁長約20m。

表4 勁性復合樁參數(shù)

圖3 勁性復合樁構造示意

勁性復合樁單樁豎向抗壓承載力特征值Ra需取三種情況下的最小值,即Ra=min{內外芯界面破壞時單樁抗壓承載力特征值,外芯與樁周土界面破壞時單樁抗壓承載力特征值,樁身強度控制的抗壓承載力特征值},以鉆孔ZK28位置為例,進行勁性復合樁單樁豎向抗壓承載力特征值計算。

(1)勁性復合樁樁側破壞面位于內外芯界面時,單樁豎向抗壓承載力特征值Ra可按下式估算:

(1)

(2)勁性復合樁樁側破壞面位于外芯和樁周土的界面時,單樁堅向抗壓承載力特征值可按下式估算:

Ra=u∑ξsiqsiali+αξpqpaAp

(2)

式中:u為勁性復合樁復合段樁身周長,m;qsia為勁性復合樁復合段外芯第i土層側阻力特征值,kPa;li為勁性復合樁復合段第i土層厚度,m;qpa為勁性復合樁端阻力特征值,kPa;Ap為勁性復合樁樁身截面積,m2;α為勁性復合樁樁端天然地基土承載力修正系數(shù);ξsi、ξp分別為勁性復合樁復合段外芯第i土層側阻力調整系數(shù)、端阻力調整系數(shù)。

(3)根據(jù)《預應力混凝土管樁圖集》(10G409),PHC500AB125樁身抗壓強度設計值為3 701kN,其抗壓承載力特征值Ra=3 701/1.5=2 467kN。

綜上,勁性復合樁承載力特征值取為2 400kN。根據(jù)抗浮設計需要,取抗拔承載力Rt=400kN。

4.3 三種樁型對比分析

從經(jīng)濟性、工期和施工難度方面進行預應力混凝土管樁、勁性復合樁和鉆孔灌注樁三種樁型的對比分析,分析結果見表5。

表5 三種樁型對比分析

從表5中可以看出,勁性復合樁的總長度最小,經(jīng)濟性最高。采用預應力混凝土管樁時,按照1臺機器作業(yè),15根/d,純打樁時間約31d,根據(jù)試樁結果,施工至設計樁長需引孔,因砂層較厚,引孔也可能導致孔壁塌陷,同時引孔后的管樁屬于部分擠土樁,在多樁承臺下,導致砂層擠密,仍然存在入土困難情況。采用鉆孔灌注樁時,按照2臺機器作業(yè),4根/d,純打樁時間75d,雖然鉆孔灌注樁為非擠土樁,入土容易,工藝成熟,質量易保證,但砂層較厚,需選擇旋挖工藝,水下打樁需做泥漿護壁,因為場地較小無法支撐多臺機器共同作業(yè),施工速度較慢,并且成本較高,且對周邊環(huán)境有一定影響。采用勁性復合樁時,按照1臺機器作業(yè),15根/d,純打樁時間約31d,充分利用預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁的共同作用可以節(jié)約材料;因勁性復合樁屬于非擠土樁,入土容易,施工速度較快,工藝較成熟,在保證施工質量的情況下,成樁質量易保證。綜合經(jīng)濟性、工期和施工技術分析,本工程最終選用勁性復合樁。

5 設計試樁

該工程原始場地標高較高,要求在設計樁頂標高基礎上加長6m至原始地面進行試樁,單樁豎向抗壓承載力靜載試驗值為6 800kN,試樁數(shù)量3根。圖4為3根勁性復合樁靜載試驗的荷載-沉降量(Q-s)曲線。

圖4 設計試樁荷載-沉降(Q-s)曲線圖

從圖4中可以看出,當加載到試驗值6 800kN時,樁的最大沉降量為20.41mm;卸載后,沉降回彈率約為73%,且曲線仍表現(xiàn)為緩變型。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011),荷載-沉降曲線表現(xiàn)為緩變型時,單樁豎向抗壓極限承載力可取樁頂總沉降量s=40mm所對應的荷載值,可見該工程勁性復合樁仍有一定承載潛力。

6 沉降分析

按照現(xiàn)行《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)［9］,對于樁中心距不大于6倍樁徑的樁基,可按實體深基礎模型,采用等效作用分層總和法計算樁基沉降［10］;并通過引入樁基等效沉降系數(shù)ψe,對分層總和法計算結果進行修正［9］。采用YJK軟件對基礎構件劃分網(wǎng)格,整體有限元模型通過變形協(xié)調實現(xiàn)各基礎單元協(xié)同作用。計算方法選擇彈性地基梁法,地基梁內力的大小受地基土彈簧剛度的影響,基床系數(shù)通過影響基底壓力分布來影響沉降結果,并進行迭代計算,保證地基和基礎變形協(xié)調,按規(guī)范公式考慮沉降計算經(jīng)驗系數(shù),最終得出沉降計算值。

該工程底板位于③中砂,沉降計算時考慮承臺底地基土的作用及內芯預應力混凝土管樁的影響,不考慮外芯水泥土攪拌樁的影響,計算結果見圖5?？紤]外芯水泥土攪拌樁對樁周土層的有利影響時,按復合模量法［11］修正承臺下樁長范圍內土層參數(shù),各復合土層的復合模量Espi可依據(jù)面積加權平均法按下式計算:

圖5 未考慮外芯水泥土攪拌樁影響計算的樁基三維沉降圖/mm

Espi=mEp+(1-m)Esi

(3)

式中:Ep為樁體壓縮模量,MPa;Esi為第i層樁間土壓縮模,MPa;m為面積置換率。

考慮外芯水泥土攪拌樁影響的沉降計算結果見圖6。

圖6 考慮外芯水泥土攪拌樁影響計算的樁基三維沉降圖/mm

分析結果(圖5、6)表明,未考慮外芯水泥土攪拌樁影響時計算的樁基最大沉降量為27.9mm,考慮外芯水泥土攪拌樁影響時計算的樁基最大沉降量為18.6mm;可見,外芯水泥土攪拌樁能較大地提高場地土層力學性能,且整體沉降特征表現(xiàn)為中間大、四周小,符合本項目特征。沉降值滿足不大于《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)第5.5.4條高層建筑的變形允許值200mm的要求。

截至該項目主體結構及裝修施工完成,對主樓四角及中部共7個沉降觀測點最新7次的觀測結果進行統(tǒng)計分析,沉降結果見表6。由表6可見,最大沉降量8.9mm,最小沉降量6.0,平均沉降量7.84mm。對比表6和圖5、6可知,觀測的沉降量小于計算的沉降量。根據(jù)沉降計算結果和現(xiàn)階段實際觀測結果,該項目樁基的沉降能滿足《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)的要求。

表6 各觀測點總沉降量和總沉降速率

7 施工控制要點

勁性復合樁采用“等芯樁”,即內外芯樁底標高一致,外芯采用水泥土攪拌樁,攪拌樁?；颐姹葮俄斣O計標高高0.5m,施工工藝選用高壓旋噴樁。

外芯水泥土攪拌樁施工過程中需要注意以下幾方面的內容:

(1)外芯水泥土攪拌樁采用“濕法、四攪兩噴”工藝,其施工機具必須同時具備高壓旋噴與機械攪拌功能,并需根據(jù)地層條件選擇合適的鉆具,保障成樁工藝的可行性及成樁質量。

(2)高壓旋噴鉆機的鉆桿施工前必須全部接好,在施工過程中不能出現(xiàn)停鉆接桿,不允許采用2～4m一節(jié)的鉆桿在施工過程中一節(jié)一節(jié)地接桿。單個孔位高壓旋噴成孔時間不能超過3h,必須選用優(yōu)質的高壓旋噴設備,確保施工過程中不會出現(xiàn)堵管、堵氣現(xiàn)象。

(3)水泥土攪拌樁垂直偏差不得超過1%;樁位偏差不得大于50mm。

內芯預應力混凝土管樁施工過程中需要注意以下幾方面的內容:

(1)采用的預制樁為先張法預應力混凝土管樁,不做樁尖,在樁中間和樁頂設置圓薄鋼板處理,采用水泥漿灌頂。

(2)采取可靠措施保證管樁圓心與水泥土攪拌樁圓心同心,兩圓心偏差不得大于0.05d(d為管樁直徑),管樁外圍的水泥土攪拌樁最小壁厚不得小于150mm,且不得小于設計要求。管樁應在水泥土初凝前植入外芯水泥土攪拌樁中。

8 結語

本文以實際工程為例,從承載力、經(jīng)濟性、施工措施等方面對比分析了預應力混凝土管樁、鉆孔灌注樁、勁性復合樁三種樁型在實際應用中的優(yōu)缺點。得出以下結論:

(1)勁性復合樁適用于海南省三亞地區(qū)砂性土層的高層建筑。

(2)勁性復合樁既有管樁施工工期快,施工質量可控的優(yōu)點,又能通過水泥土攪拌樁加強其側阻力和端阻力,從而大幅度提高單樁承載力,有良好的經(jīng)濟性優(yōu)點。