复合桩基在处理桥基事故中的应用

钟林，彭振斌

(1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060； 2.中南大学，湖南长沙 410083)

复合桩基在处理桥基事故中的应用

钟林1∗，彭振斌2

(1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060； 2.中南大学，湖南长沙 410083)

阐述了长短桩复合地基在处理桩基事故中的设计应用，分析了长短桩复合地基承载力的计算方法，讨论了长短桩复合地基的沉降变形计算，并简单介绍了复合地基施工方法。

地基处理；长短桩复合地基；承载力；沉降

1 前 言

桥梁基础常常采用深基础，如桩基、沉箱基础等，来满足其承载力的要求。当采用桩基础时，若出现工程事故导致桩基础承载力不足，必须采用各种处理措施为上部结构提供足够的承载力。从工程安全、经济和工期三个方面综合比较，采用复合桩基是较为合理有效的一种处理办法。

近些年来，对复合地基理论有了更深入研究，也积累了更为丰富的实践经验，长短桩复合地基处理技术已经逐渐发展起来，并且在不少地方已经取得到了成功的应用。长短桩复合地基是指在荷载作用下，地基中的附加应力会随着深度的增加而减小，为了有效地发挥出复合地基中桩体的承载潜能，竖向增强体(桩体)复合地基中，可以采用不同长度的桩体以适应附加应力由上而下减小的特征。这种由不同长度的桩体组成的桩体复合地基称为长短桩复合地基。

长短桩复合地基的形式很多，长桩和短桩可以是同一类型也可以是不同类型。在工程中，长桩一般采用刚性桩，如钢筋混凝土桩、钢管桩等，这样可以将应力传到较深的土层。短桩常采用散体桩和柔性桩，如碎石桩、水泥土桩。沉降主要由长桩控制，长桩、短桩和桩间土共同承担荷载。

2 工程实例

2.1 工程概况

湖南省益阳市某大桥，位于益阳市麻河口。大桥全长725.48 m，上部结构形式为9 m×20 m空心板＋8 m× 45 m T梁＋9 m×20 m空心板，桥面宽12 m，按二级公路标准设计。其中15＃－1桩为15号桥墩左侧桩基，以地面高程为±0.00标高。该桩基础设计桩长为67 m，设计承载力为11 465 kN。钻进完成孔后回转至相对标高－60 m处直径2.20 m钻孔桩钻头被卡落，无法提起，桩长未能满足设计要求。初步处理措施为，先将桩直径扩孔至2.50 m，再于桩底进行了抛石压浆处理，使得桩下形成碎石块－混凝土砂浆的下卧层，桩尖共压入21吨水泥，最终桩下地基压力值达到3.5 MPa，压浆效果较为理想。再从相对标高－60 m处高压注浆后下钢筋笼、灌浆至地面成桩。但是，经载荷试验，未能到达设计承载力要求，所以必须对此桥墩地基进行承载力补强处理。

各土层物理力学参数 表1

根据场地工程地质勘察报告，该桥桩基位置钻孔揭露土层分层及力学性质如表1所示。

2.2 设计方案

利用已成桩的钢筋混凝土桩基础为长桩，在其周围布设4根高压旋喷桩作为短桩，两者与桩间土共同承担上部荷载，变形主要有钢筋混凝土桩控制。长短桩复合地基具有承载力高、应力传递途径简捷、地基变形小等优点、安全可靠，经济实用。高压旋喷桩本身可以提供承载力，其次对桩间土进行局部改善，提高桩间土的各项参数，减小刚性桩的应力集中，增大地基的竖向刚度，减小复合地基加固区的变形。沉降主要靠长桩来控制，所以旋喷桩对沉降的设计要求不是十分严格，主要是取决于长短桩复合地基的变形协调能力，对于短桩(旋喷桩)来说，最为关键的是在承载力上满足设计要求就能达到工程预期的目标。

2.3 复合桩基承载力计算

设计意图是在保证复合桩基容许承载力达到11 465 kN的前提下，控制高压旋喷桩的桩长和数量，尽量发挥桩间土的承载力。

首先长短桩复合地基设计要确定5个参数:桩长、桩径、桩间距、桩体强度、褥垫层厚度及材料。承载力计算思路是:先计算出短桩复合地基承载力标准值，再计算出长短桩复合地基承载力特征值。

本工程长桩桩长已经确定为60.0 m，桩直径长桩取2.50 m，计算出短桩的临界桩长lcr＝35 m，根据地层情况和施工工艺取短桩直径为φ600高压旋喷桩；桩间距设计应由复合地基承载力和变形、土的物理力学性质与施工方便等因素共同决定，最终，通过反复试算承载力和变形综合确定，承台下长短桩布置如图1所示。

依据《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ79－2002)中的相关的规范和规定计算如下:

短桩复合地基承载力特征值计算，如下式:

图1 长短桩平面布置示意图及1－1′剖面图

式中:fsp.k1为短桩复合地基的承载力标准值；

A1＝32.49 m2为承台地板面积；

α为桩间土强度提高系数，取1.0；

β为桩间土强度发挥度，一般0.5～1.0，取0.8；

fk为天然地基承载力标准值，取fk＝100 kPa；

Rk2为高压旋喷桩单桩竖向承载力特征值(kN)。[1～4]

经计算得出:

长短桩复合地基承载力特征值计算，如下式:

式中:fsp.k2为长短桩复合地基承载力标准值；

经计算得出:

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79－2002)中第3.0.4条规定，地基承载力标准值进行修正时基础宽度的地基承载力修正取零，基础深度的地基承载力修正也取1.0，则:

式中:fc.sp是经修正后的长短桩复合地基承载力。[2]

验算承载力安全系数:长短桩复合地基所受竖向压力:N＝11 465 kN

长短桩复合地基竖向荷载设计值R，R取N值进行计算。

式中:f为长短桩复合地基竖向荷载设计值；

A为长短桩复合地基加固区面积，A＝A1＝32.49 m2

f＝352.9 kPa≤fc.sp＝355.4 kPa可以满足设计要求。

2.4 复合桩基沉降计算

在各类使用计算方法中，通常把复合地基沉降量分为两部分—复合地基加固区压缩量和下卧层的压缩量，如图2所示。

图2 复合地基加固示意图

复合地基设置垫层，通常认为垫层压缩量很小，可以忽略不计。

对于复合地基沉降计算，有几种方法可以运用。对下卧层压缩量S2大都采用分层总和法计算。对复合地基加固区压缩量S1的计算需要根据实际情况做出调整。

加固区土层压缩量S1采用复合模量法(Ecs法)计算，将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量Ecs来评价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区土层压缩量S1。在复合模量法中，将加固区土层分成n层，每层复合土体的复合压缩模量Ecsi，加固区土层压缩量S1的表达式为:

式中:S1为加固区土层压缩量；

△pi为第i层复合地基上附加应力增量；

Ecsi为第i层复合地基复合压缩模量，Ecsi＝mEps＋(1－m)Essi；

Hi为第i层复合土层的厚度；

Eps为桩体压缩模量；

m为复合地基置换率；

Essi为第i层复合地基桩间土压缩模量。[2，3]

对下卧层压缩量S2根据各层土体的压缩模量，采用分层总和法计算。

经计算得出:S＝S1＋S2＝15.4 mm，变形满足设计要求。

2.5 复合桩基施工

本工程施工工艺较为简单，采用三管高压旋喷喷射灌浆工艺进行施工，利用高压水泥浆喷射切割地层，随着喷头的提升，形成固结体呈圆柱形(即高压旋喷桩)。高压喷射流在地基中，把土体切削破坏。其加固范围内就是喷射距离加上渗透部分或压缩部分的长度为半径的圆柱体。人工清除保护土层，剔除保护桩长。高压旋喷桩施工完毕后迅速插入钢筋笼，再铺设褥垫层，该工程褥垫层厚度设计为300 mm，褥垫层材料采用粒径为3 mm～10 mm的砂砾石。

施工结束28天后，在现场分别进行了桩间土检测试验、复合地基载荷试验、单桩承载力载荷试验，以检验加固效果和施工质量。

对复合桩基础、复合地基进行沉降观测，最终沉降量为13.5 mm。

该大桥于2008年建成投入使用，情况良好，桥墩位置地基处理取得了满意效果。

3 结 语

长短桩复合地基在处理桥桩事故时，可以充分发挥地基土的承载力，减少成本，加快工期。另外，根据土质情况、地基特点及施工等诸多因素采用长短桩相结合的复合地基方案并选择合理的施工工艺是一种有效的地基处理方法，值得进一步研究和推广。当然，复合地基设计不仅是根据承载力和变形来确定设计参数，而且在设计时必须综合考虑建筑物对变形的适应能力，采用复合地基基础时必须适当增加荷载试验和沉降观测次数，以尽力减少出现安全事故。

[1]JGJ79－2002.建筑地基处理技术规范.

[2]JGJ98－2008.建筑桩基技术规程.

[3]龚晓南编著.复合地基设计和施工指南[M].北京:人民交通出版社，2003

[4]叶书麟等编著.地基处理[M].北京:机械工业出版社，2004[5]卢敦华，何忠明，胡庆国.复合桩基处理桥位溶洞顶板复杂地层[J].施工技术，2006(7):38～39

Using Composite Pile to Treating Accidents in Bridge Foundations

Zhong Lin1，Peng ZhenBin2
(1.Guangzhou Urban Planning and Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.Central South University，Changsha 410083，China)

In this article，the design idea of long－short－pile composite foundation to treat accidents in brige foundations is pounded.The calculating methods of bearing capactity are analyzed.The calculating methods of settlement are also intruduced.Authors show the design and construction of the composite pile foundation.

ground treatment；long－short－pile composite foundation；bearing capacity；settlement

1672－8262(2010)03－163－03

TU473

B

2010—01—08

钟林(1983—)，男，助理工程师，主要从事岩土工程勘察设计技术工作。