預制管樁-水泥攪拌樁在軟土地基處理中的應用

鐘黎雨，余 超

(水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心，廣州 510611)

在水利工程建設過程中，針對淤泥、淤泥質土地基的常見處理方式有擠淤置換法、深層攪拌法、高壓噴射注漿法等。但對于深厚淤泥層的處理，擠淤置換法和高壓噴射注漿法均不適用，若單獨使用水泥攪拌樁法，因攪拌樁的長度不宜過長，可能無法滿足深厚淤泥層的處理要求，且樁間土的固結沉降也難以解決，不能完全解決地基問題。當軟弱土層較厚或只有在較深處才有能滿足承載力要求的持力層時，地基處理的方式可采用預制樁、灌注樁等[1-2]。

近年來，新的剛性樁型、半剛性樁型不斷地涌現(xiàn)，豐富了復合地基的技術與理論發(fā)展，復合地基技術在土木工程建設中應用廣泛，常用的復合地基處理方式有水泥土攪拌樁復合地基、剛性樁復合地基、樁網復合地基等。其中，剛性樁復合地基近來在樁型、設計理論等方面取得了很大的進展，主要體現(xiàn)在多元復合地基、排水型樁復合地基、勁性樁復合地基等方面[3]。

為有效解決深厚淤泥層地基處理問題，本文以某灌區(qū)工程中位于深厚淤泥層地基上的橋梁地基處理為例，嘗試在使用水泥攪拌樁進行淤泥質軟土地基處理的同時，引入預制管樁對地基進行加固，形成剛性樁、柔性樁與天然淤泥相結合的復合地基，該復合地基結合了水泥攪拌樁和剛性管樁的優(yōu)點，在提高軟土地基承載力、控制變形沉降等方面具有獨特的優(yōu)勢，為類似工程的軟弱地基處理提供了很好的參考。

1 工程簡介

潮安安揭、潮州市東鳳灌區(qū)連通工程由安揭灌區(qū)五支渠重建工程(長5.55 km)，新建潮安安揭、潮州市東鳳灌區(qū)連通渠(長3.97 km)的組成，為潮安區(qū)安揭引韓灌區(qū)和潮州市東鳳引韓灌區(qū)的組成部分，潮州市東鳳灌區(qū)灌溉面積為6.3萬畝，潮安區(qū)安揭引韓灌區(qū)設計灌區(qū)面積為11.2萬畝，均為中型灌區(qū)，依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2017)的規(guī)定，本工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。

安揭灌區(qū)五支渠重建工程沿線從五支渠進水口(五支渠涵)至鸛巢分渠分水口，總長為5.57 km，設計流量由3.55 m3/s增加至6.05 m3/s，新建節(jié)制閘1座，重建分水閘(涵)27座、重建排水涵管20座，重建橋梁11座，重建過底涵2座；新建潮安安揭、潮州市東鳳灌區(qū)連通渠干渠總長為3.97 km，設計流量為2.5 m3/s，沿途新建節(jié)制閘2座、過路涵1座、連接涵1座、泵站1座、灌溉補水管1條(管道長度約為0.505 km)。新建1#、2#兩條支管，1#支管長度為1.188 km，2#支管長度為0.725 km，采用De500PE管道，地下埋管方案。

2 工程地質

11座重建橋梁地質結構自上而下主要由第四系新近人工堆積層(Qs)的素填黏性土，第四系全新統(tǒng)河流相沖積層(Qal)的粉質黏土，第四系韓江三角洲海陸交互相沉積層(Qmal)的淤泥、第四系韓江三角洲海陸交互相沉積層(Qmal)的淤泥、粉土/砂、礫砂/石組成。地質結構自上而下分別為：

第四系新近人工堆積層(Qs)的素填黏性土①-1：由褐黃色、灰褐色、灰黃色粉質黏土組成，軟可塑～可塑狀，層厚為0.8～3.9 m。

第四系全新統(tǒng)河流相沖積層(Qal)的粉質黏土②-1：灰黃色、灰褐色，主要由粉質黏土、黏土組成，黏性一般～較好，層厚為0.6～3.0 m。

第四系韓江三角洲海陸交互相沉積層(Qmal)的淤泥、淤泥質土③-1：深灰、灰黑色，以淤泥為主，局部夾淤泥質土、淤泥質粉細砂，該層分布普遍、連續(xù)，厚度較大，層厚為15.0～35.4 m。

第四系韓江三角洲海陸交互相沉積層(Qmal)的粉土、粉砂③-2：灰黃色、灰白色，以粉土、粉砂夾粉質黏土為主，稍密狀為主，層厚為1.0～9.4 m，平均3.4 m。

第四系韓江三角洲海陸交互相沉積層(Qmal)的礫砂、礫石③-3：灰褐色，主要有礫石、小卵石、中粗砂、泥質等組成，級配較寬泛，中密狀，層厚為0.6～9.2 m，平均3.25 m。

橋梁建基面置于②-1粉質黏土層底部、③-1淤泥、淤泥質土層頂部，且存在超過30 m厚的深厚淤泥層，天然地基承載力低，壓縮性高，主要存在地基沉降變形、地震震陷、地基土液化等問題，需對地基進行處理。

各巖土層地質參數(shù)建議值見表1，擬建橋梁典型地質斷面示意見圖1。

圖1 擬建橋梁典型地質斷面示意

表1 各巖土層地質參數(shù)建議值

3 復合地基承載力計算

水泥土攪拌樁復合地基的承載力標準值可按下式計算：

(1)

其中，β經驗取值為0.4。

剛性樁—水泥土攪拌樁復合地基承載力計算：

① 由天然地基和剛性樁復合形成復合地基。視為一種新的等效天然地基，其承載力特征值為fspk1[4]。

② 將等效天然地基和水泥土攪拌樁復合形成復合地基，求得復合地基承載力即剛性樁一水泥土攪拌樁復合地基承載力fspk。具體推導如下：

(2)

(3)

其中，α1、α2、β1、β2經驗取值分別為0.4。

4 地基處理方案

根據(jù)橋址處地質情況，交通橋地基土為粉質黏土(厚0.8～3.9 m)、淤泥(厚度大于15 m)，建基面普遍置于黏土層下部至淤泥層頂部，天然地基承載力低，壓縮性高，淤泥具震陷性。結合JGJ94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》[5]，初步考慮采用混凝土灌注樁、預制管樁、水泥攪拌樁處理的方式對橋梁地基進行處理。

本次選取11座橋梁中最不利斷面6#交通橋進行計算。

4.1 混凝土灌注樁、水泥攪拌樁方案

鉆孔灌注樁施工操作較為簡便且技術成熟度較高，在水利工程中得到廣泛應用[6]。若選擇采用混凝土灌注樁對地基進行處理，混凝土灌注樁長度最長達到45 m，如考慮負摩阻力則樁長更長，灌注樁的質量難以保證；另一方面工期長、造價高[7]。因此，僅采用混凝土灌注樁對本工程深厚淤泥層進行處理不合適。

作為復合地基，攪拌樁的長度一般以10～16 m為宜，通過實際檢測資料可知，更深層的加固效果不太顯著。由于樁長不足，樁底土仍有部分工后沉降[8]。因此本次水泥攪拌樁長度定為15 m，樁徑Φ500 mm，樁基采用格柵式布置，中間攪拌樁中心間距為933 mm。具體布置見圖2。

圖2 橋梁基礎采用攪拌樁處理示意(單位：mm)

選取最不利斷面6#交通橋進行計算，共布置攪拌樁204根，樁身穿過粉質黏土層、淤泥層，但未穿透淤泥層。D500水泥攪拌樁單樁豎向承載力特征值Ra=70.67 kN，面積置換率m為0.51；經計算，水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值為189.91 kPa，滿足地基承載力要求，工后最終沉降為130.63 mm(見表2)。

表2 水泥攪拌樁—管樁復合地基承載力計算成果

4.2 預制管樁與水泥攪拌樁混合處理

相對于傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工方式，混凝土預制管樁具有操作簡單，機械化水平高、施工速度快、節(jié)約成本等諸多優(yōu)點[9]。一般情況下，采用預制管樁可用較小的成本實現(xiàn)更高的承載力[10]。預制管樁在福建、廣東等持力層埋藏較深的沿海地區(qū)應用較為廣泛[11-12]。考慮到采用攪拌樁對地基進行處理后基礎工后沉降仍較大，因此，對下部軟弱土層先采用柵狀水泥攪拌樁進行處理后，對于欠固結軟土，深層攪拌樁處理后樁間土的固結沉降仍難以解決，工后沉降仍然偏大，為滿足沉降與基底應力較大要求，長樁采用剛性管樁方案，水泥攪拌樁與管樁能組成較好的剛柔復合樁基。該方案對基礎承載力要求低，基礎處理難度小，可以確?；A處理質量。

因此，本次對五支渠11座重建橋梁下部軟弱土層采用水泥攪拌樁+預制管樁進行復合地基加固處理，攪拌樁樁徑Φ500 mm，長度為15 m，預制管樁樁徑Φ500 mm，樁底深入粉土/砂或礫砂/石層，長度為18.2～32.3 m。樁基采用格柵式布置，即由水泥攪拌樁組成一個個正方形格柵，預制管樁布置在格柵中間，具體布置見圖3。

圖3 橋梁基礎采用預制管樁及攪拌樁處理示意(單位：mm)

選取最不利斷面6#交通橋進行計算，直徑500管樁的單樁豎向承載力特征值Ral=217.95 kN，橋梁底板下布置D500管樁9根，面積置換率m1為0.026；D500水泥攪拌樁單樁豎向承載力特征值Ra2=70.67 kN，共168根，面積置換率m2為0.425；經計算剛性樁-水泥土攪拌樁復合地基承載力特征值為166.12 kPa，滿足地基承載力要求。攪拌樁有效樁長為15 m，格柵為2 m×2.2 m，格柵內布置的管樁入粉土層底部(粉土層厚度不大于3 m時)或粉土層3 m(粉土層厚度大于3 m時)，管樁樁長為34 m，工后最終沉降為13.86 mm(見表3)。

表3 水泥攪拌樁-管樁復合地基承載力計算成果

5 方案對比

兩種地基處理方案技術經濟對比見表4，從表4中可以看出，預制管樁和水泥攪拌樁地基處理方案比水泥攪拌樁地基處理方案投資更少，兩種方案復合地基承載力十分接近，但水泥攪拌樁復合地基工后沉降量為130.63 mm，遠大于預制管樁和水泥攪拌樁復合地基工后沉降量13.86 mm。因此，無論從技術角度還是經濟角度，預制管樁和水泥攪拌樁地基處理方案均優(yōu)于水泥攪拌樁地基處理方案。

表4 兩種地基處理方案技術經濟對比

6 結語

本文以某灌區(qū)連通工程沿線重建橋梁深厚淤泥層基礎為對象，分別采用水泥攪拌樁及預制管樁-水泥攪拌樁復合樁型對深厚淤泥層地基進行處理，可以得到以下結論：預制管樁和水泥攪拌樁相結合的地基處理方法結合了預制管樁和水泥攪拌樁的優(yōu)點，在對深厚淤泥層地基進行處理時，樁基采用格柵式布置，由水泥攪拌樁組成一個個正方形格柵，預制管樁布置在格柵中間。該方法不僅能夠有效提高地基承載力，同時能夠有效控制地基沉降，解決深厚淤泥層沉降大的問題，該方法可為類似深厚淤泥層地區(qū)復合地基設計與試驗提供參考和借鑒。