徐建軍, 王洪玉, 朱振宇, 杭 丹

(1.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處， 江蘇 蘇州 215218； 2.江蘇省水利工程建設(shè)局， 江蘇 南京 210029； 3.江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心， 江蘇 南京 211500； 4.江蘇省新孟河樞紐工程建管局， 江蘇 常州 213022)

近年來，勁性復(fù)合樁作為一種適合特殊地基的地基處理技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑和交通領(lǐng)域加固軟弱地基，這種新方法在南水北調(diào)東線一期工程泗陽站水利工程建設(shè)中也得到了應(yīng)用。勁性復(fù)合樁先施打半剛性水泥土類樁(M樁)，水泥未硬凝時(shí)再施打勁性樁，形成勁性復(fù)合樁(MC樁)，共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載[1-3]。勁性復(fù)合樁通過褥墊層與基礎(chǔ)連接，褥墊層是構(gòu)成勁性復(fù)合樁復(fù)合地基的重要組成部分[4]。我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJT327—2014)中，僅有豎向承載力的計(jì)算方法，缺少勁性復(fù)合樁水平承載力方面的計(jì)算內(nèi)容，水利工程中翼墻、閘室墻等承受水平力的部位需要進(jìn)行抗滑驗(yàn)算，同時(shí)擋水水工建筑物地基基礎(chǔ)有防滲要求，不宜采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》和《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的砂石材料褥墊層[5-6]。為此，本文對(duì)水利工程中勁性樁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，并對(duì)地基有防滲要求的情況，采用水泥土作為褥墊層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究，本文的探討和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，將對(duì)勁性復(fù)合樁在水利工程中的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 地基處理設(shè)計(jì)

1.1 單樁與復(fù)合地基承載力計(jì)算

勁性復(fù)合樁單樁豎向承載力可按《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJT327—2014)中樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面破壞和位于外芯和樁周土的界面兩種情況分別計(jì)算，然后取二者小值，但此規(guī)范驗(yàn)算時(shí)未校核樁身強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中可按文獻(xiàn)[7-8]中CFG復(fù)核樁頂強(qiáng)度確定的承載力：

Ra=ψCfckAG+ηfcuAP

(1)

式中：fck為芯樁混凝土軸心抗壓強(qiáng)度， 取混凝土強(qiáng)度等級(jí)的一半或混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(kPa)；fcu為與外芯樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊(邊長(zhǎng)為 70.7 mm 的立方體，也可采用邊長(zhǎng)為 50 mm 的立方體)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下 90 d 齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值(kPa)；AG為勁性復(fù)合樁內(nèi)芯樁身截面面積(m2)；AP為勁性復(fù)合樁外芯水泥土截面面積(m2)；ψC為芯樁工作條件系數(shù)，預(yù)制芯樁取0.9， 灌注芯樁取0.8；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，干法可取 0.20～0.30；濕法可取 0.25～0.33。

勁性樁復(fù)合地基承載力及沉降計(jì)算可依據(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

1.2 水平承載力計(jì)算

水利工程中勁性復(fù)合樁和地基土聯(lián)合作用，以復(fù)合地基的形式共同承擔(dān)上部荷載?，F(xiàn)行《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T327—2014)單樁水平承載力規(guī)定以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定[6]，設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)合地基的抗滑等效強(qiáng)度參考廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則中攪拌樁復(fù)合體的強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

Cc=Cs(1-m)+Cp×m

(2)

tan(Φc)=(1-m)tan(Φs)+mtan(Φp)

(3)

式中：Cc、Φc分別為復(fù)合地基黏聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)；Cs、Φs分別為樁間土黏聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)；Cp、Φp分別為樁體黏聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)。

計(jì)算出復(fù)合地基等效強(qiáng)度參數(shù)后，依據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算地基土的綜合摩擦角計(jì)算其穩(wěn)定性。

1.3 褥墊層設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)上褥墊層設(shè)計(jì)主要參照規(guī)范，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)文獻(xiàn)[6]，樁頂和基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置褥墊層，褥墊層材料宜用中砂、粗砂或級(jí)配砂石，碎石最大粒徑不宜大于30 mm，厚度宜取150～300 mm。然而，大部分水利工程擋水建筑物對(duì)地基基礎(chǔ)有防滲要求，不宜采用該規(guī)范中規(guī)定的砂石材料褥墊層，為此依據(jù)以往水利行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可采用20～30 cm厚的水泥土作為勁性樁復(fù)合地基的墊層。

2 工程實(shí)例及加固效果

2.1 工程概況及地質(zhì)條件

奔牛水利樞紐工程為新孟河延伸拓浚工程干河樞紐工程之一，位于常州市奔牛鎮(zhèn)新孟河與京杭運(yùn)河交匯處，工程的主要任務(wù)包括防洪、引排水和通航，樞紐由京杭運(yùn)河立交地涵、船閘、節(jié)制閘和孟九橋組成。

樞紐中船閘閘首、閘室、節(jié)制閘以及大部分翼墻、導(dǎo)航墻底板均坐落于②3層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土層上，該土層在建筑物底板下厚度約8～10 m，局部深度達(dá)到15 m，②3層土體含水率41.9%、塑性指數(shù)為17.2，地基土體局部含有腐蝕質(zhì)，其地基允許承載力為70 kPa，不能滿足建筑物地基承載力的要求，地基土層及其基本性質(zhì)見表1。

表1 地基土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)采用勁性復(fù)合樁進(jìn)行地基處理，樁長(zhǎng)為12 m，內(nèi)芯直徑22 cm、外芯直徑70 cm，經(jīng)計(jì)算單樁承載力特征值為420 kN，樁間距1.25 m，復(fù)合地基承載力特征值180 kPa，樁頂設(shè)置20 cm厚的水泥摻量8%的水泥土作為褥墊層。

2.2 試樁

在工程樁施工之前，于工程場(chǎng)地進(jìn)行試樁試驗(yàn)，檢測(cè)該樁型的適用性及承載性能?，F(xiàn)場(chǎng)試樁檢測(cè)采用單樁靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行，采用由主梁(工字鋼)、次梁和配重塊搭成的壓重平臺(tái)反力裝置，配重塊堆積，最大壓重量為1 000 kN。試樁樁頭情況和加載裝置分別為圖1、圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試樁樁頭情況

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試樁加載裝置

采用慢速維持荷載法，用電動(dòng)油泵逐級(jí)加載，共分10級(jí)加載至承載力特征值的2倍。卸載采用5級(jí)卸載，單級(jí)卸載量為單級(jí)加載量的2倍。荷載值通過壓力傳感器測(cè)量傳輸給測(cè)試儀自動(dòng)記錄；工程樁(試樁)沉降則通過對(duì)稱正向布置于樁頭承壓板的位移傳感器測(cè)量，傳輸給測(cè)試儀自動(dòng)記錄。試樁結(jié)果表明該工程所抽測(cè)的勁性復(fù)合樁試樁的Q-S曲線均為緩變型，根據(jù)JGJ106—2014方法綜合分析確定，該工程試樁抽測(cè)的6根勁性復(fù)合樁的單樁豎向抗壓承載力Qu≥826 kN，滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

圖3為6個(gè)試樁的荷載-沉降曲線。

圖3 試樁的荷載-沉降曲線

2.3 工程樁監(jiān)測(cè)

為對(duì)勁性復(fù)合樁加固的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，并為計(jì)算理論提供依據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)，在施工過程中在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)參數(shù)布置監(jiān)測(cè)斷面和埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，以對(duì)勁性復(fù)合樁復(fù)合地基在上部荷載作用下樁和樁間土的沉降、樁土應(yīng)力分擔(dān)等變化規(guī)律進(jìn)行研究。監(jiān)測(cè)斷面儀器布置見圖4。

圖4 應(yīng)力計(jì)表面沉降設(shè)備埋設(shè)布置圖(單位：cm)

填筑階段每上一層土觀測(cè)1次，或每3～5 d觀測(cè)1次，填土完成后逐步過渡到每10～15 d觀測(cè)1次，并根據(jù)數(shù)據(jù)情況隨時(shí)加密監(jiān)測(cè)。

表面沉降變化規(guī)律是對(duì)墻后填土施工速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的重要指標(biāo)，其值也反映了軟土地基處理的效果，圖5為其沉降—填土高度—時(shí)間關(guān)系曲線，其中Ta、Td分別為翼墻左右兩側(cè)布置在樁間土上的沉降板，Tb為布置在樁頂上的沉降板，Tc為與Tb所在樁的對(duì)稱位置樁的水泥土上的沉降板。由圖可以分析得出以下規(guī)律：各斷面的表面沉降隨著填土高度的增加，沉降量相應(yīng)增大，沉降過程線存在幾個(gè)較明顯的拐點(diǎn)。

圖5 西側(cè)斷面填土—表面沉降變化規(guī)律

荷載填筑初期樁頂和樁間土的沉降均較小，沉降發(fā)生的速率較慢，尤其是樁頂幾乎不發(fā)生沉降，說明此時(shí)荷載主要由樁間土承擔(dān)；當(dāng)填筑高度達(dá)到8.5 m時(shí)，樁頂和樁間土沉降速率均有增大的趨勢(shì)，但樁間土的沉降速率要大于樁頂?shù)某两邓俾?，上部荷載在樁頂和樁間土上進(jìn)行著調(diào)整。

測(cè)得的樁頂和樁間土應(yīng)力隨填土荷載的變化過程線如圖6所示，各斷面變化規(guī)律均較相似，可以看出隨著荷載的增加樁頂及樁間土的應(yīng)力均相應(yīng)提高，但二者的增加規(guī)律卻有較大的差異。從該斷面的樁土沉降差異發(fā)展過程線可以看出，在樁土沉降差基本維持穩(wěn)定的前提下，樁土之間仍會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力調(diào)整，這主要是底板下水泥土墊層已處于壓實(shí)狀態(tài)，而樁頂壓力更大導(dǎo)致墊層更為密實(shí)，墊層和樁及樁間土結(jié)合緊密后，樁土沉降差很小的發(fā)展即會(huì)引起樁土應(yīng)力相對(duì)較大的調(diào)整。

圖6 西側(cè)斷面填土土壓力隨時(shí)間變化曲線圖

3 結(jié) 語

勁性水泥土復(fù)合樁(MC樁)綜合了水泥土樁及高強(qiáng)度樁芯的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了造價(jià)低廉、單樁承載力高、沉降量小的目的。常規(guī)的勁性樁在豎向荷載下顯示的是樁基特性，而素混凝土勁性水泥土復(fù)合樁顯示的是復(fù)合地基性狀，水泥土樁及樁間土體承擔(dān)了部分荷載，很好地發(fā)揮了水泥土樁及樁間土體的承載能力。

勁性樁復(fù)合地基在提高樁周土地基承載力的同時(shí)，由于自身內(nèi)外芯樁的協(xié)同作用，更能有效的為支撐上部荷載提供保障，充分體現(xiàn)了其優(yōu)越性。勁性樁復(fù)合地基基礎(chǔ)具有性價(jià)比高，施工方便，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)周圍環(huán)境影響小，因而在軟弱地基土加固中有著廣闊的發(fā)展空間。