刚柔组合桩在深厚软基路堤中的应用★

杨 艺 柴文琦 徐瑾瑾

(浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江杭州 310016)

1 概述

刚柔组合桩是柔性桩(水泥搅拌桩、高压旋喷桩等)内插刚性桩(预应力管桩、素混凝土桩、CFG桩、Y形桩)的一种新型的地基处理技术，是针对深厚软基上道路的建设条件和目前的技术背景而提出的。目前刚柔组合桩还处于推广应用阶段，其主要应用于高等级公路桥头处理段落与结构物交接段落和道路平交段落。本文主要介绍了刚柔组合桩的加固原理、施工工艺等内容，分析了刚柔组合桩这种新桩型的优点及适用性，并提出了刚柔组合桩的单桩承载力计算方法，为刚柔组合桩的进一步推广和类似工程提供参考。

2 刚柔组合桩加固原理和施工工艺

2.1 刚柔组合桩的加固原理

目前常用于实际工程中的刚柔组合桩是由水泥土搅拌桩［1，2］和预应力管桩［3，4］组成，如图1，图2所示。成桩方式为先打设水泥搅拌桩，后通过静压将预应力管桩压入水泥土搅拌桩中，其加固原理为:利用较短的大直径水泥搅拌桩提高组合桩侧摩阻力以加固桩周土，利用高强度的预应力管桩加固较深的软土层，结合长短桩的布置方式和桩间距的优化，在承担部分竖向荷载的同时有效的减少沉降。形成刚柔组合桩后，既发挥了大直径水泥搅拌桩加固浅层地基的经济优势，又充分应用了预应力管桩强度高，控制沉降的技术优势，具有技术先进、经济合理、施工方便等特点。

在刚柔组合桩施工完成后，在桩顶铺设土工格栅或者钢丝格栅和垫层，形成如图3所示的刚柔组合桩复合地基加筋系统。

2.2 刚柔组合桩施工工艺

经过现场实践的不断探索和试验，总结出了刚柔性组合桩的适宜组合:大直径水泥搅拌桩与预应力管桩的组合。待相应施工设备进场后先打设大直径水泥土搅拌桩，期间管桩静压机械交叉配套在已打设好的水泥土搅拌桩间隔选择同心压入静压管桩。其具体施工工艺如图4所示。

图1 现场刚柔组合桩

图2 刚柔组合桩结构示意图

具体施工步骤如下:

1)在打设桩体之前，平整场地，以符合管桩静压机械对场地的要求;2)材料准备，主要是水泥和预应力管桩，管桩根据实际打设深度，选择管桩的合适搭接深度;3)施工机械运至工地后，先安装调试，待转速、空气压力及计量设施正常后，再开始就位;4)将搅拌头对准设计桩位，启动电机，使搅拌机沿导向架向下切土，同时开启灰浆泵向土体喷水泥浆，两组叶片同时正反向旋转，切割搅拌土体，持续下沉直到设计深度，在桩底持续喷浆搅拌不少于10 s;5)关闭灰浆泵，提升搅拌机，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，至地面下1.0 m～1.5 m时开启灰浆泵进行二次喷浆搅拌，直至地面;6)搅拌桩机移至下一根桩桩位，重复步骤4)～步骤5)，管桩静压机械吊起第一节预应力管桩对准设计桩位;7)管桩施工机械应与搅拌机械交叉施工。长桩预应力管桩从水泥土搅拌桩中心打入，管桩应在搅拌桩单桩施工结束24 h内打设完成;8)人工修整捣实桩头。

图3 刚柔组合桩加固地基系统示意图

图4 刚柔组合桩施工工艺示意图

3 刚柔组合桩技术特点

3.1 刚柔组合桩的优点

刚柔组合桩的成桩技术为水泥搅拌桩中同心植入预应力管桩。大直径水泥搅拌桩施工机械采用常规搅拌桩机械，预应力管桩采用静压桩机打入。这两种桩的施工机械和施工工艺都已经很成熟，因此组合桩具有较好的推广基础条件。

根据经典土力学原理［5］，地基因上部荷载作用而产生的附加应力沿地基土表面向下是逐渐递减的，上部地基中附加应力大，下部附加应力相对较小。软土中主要靠桩侧摩阻力来抵消附加应力，刚柔组合桩的几何特性为上部较大的直径和侧表面积，下部直径和侧表面积相对小些，这与附加应力在地基土中的传递路线相吻合。

由于采用一刚一柔、一长一短的组合方式，可以根据地基中软土的厚度和持力层层顶起伏变化选择合适的桩长，以达到提高复合地基承载力的同时控制地基的沉降和差异沉降的目的。

3.2 刚柔组合桩的适用性

与其他桩体相同，在具有较好的承载性能和沉降控制的同时，因材料性质、地基土条件以及工程重要性等限制，刚柔组合桩也有其特定使用范围。一般在以下条件下使用刚柔组合桩能取得更好的加固效果。首先，地基土下端需要有较好的硬土层，可作为预应力管桩的桩端持力层;此外，如果地基土中存在两层相对较好持力层时，可以将搅拌桩的桩端设在上层持力层中。

4 刚柔组合桩单桩承载力计算方法

对于刚柔组合桩这种新桩型的单桩承载力，目前规范［6］中并没有具体规定。为正确反映刚柔组合桩加固软土地基机理，准确获得单桩承载力，对承载力影响因素进行分析是很有必要的。单桩承载力主要由地基土对桩的支承作用和桩身材料强度共同决定，一般柔性桩和长径比很大的刚性桩达到承载极限时表现为桩身材料的压碎等破坏形式;随着施工工艺的改进和各类高强度的刚性桩的应用，复合地基的破坏越来越多的由土对桩的支承作用主导，具体表现为桩侧摩阻力和桩端阻力这两方面。

影响桩侧摩阻力发挥的因素主要有以下几点［7，8］:1)桩周土的性质和土层分布;2)桩—土相对位移;3)桩侧向有效压应力;4)桩的几何特征;5)桩—土界面条件。

影响桩端阻力发挥的因素主要为以下几点［9，10］:1)桩端和桩侧土层性质;2)尺寸效应;3)桩设置方法。

一般认为刚柔组合桩发生承载破坏是由于地基土的支承不足而引起的。在分析刚柔组合桩单桩承载力时，除上述影响因素外，还应考虑以下几点:

1)管桩插入水泥搅拌桩中对搅拌桩的挤密作用。由于在水泥搅拌桩搅拌成桩后2 h之内压入预应力管桩，此时的搅拌桩桩体强度低，基本上尚未形成坚硬的桩体，原地基土由于搅拌叶搅动和水泥浆液注入形成的水泥土固化凝结程度较低，其强度同时也比较低。因采用的是双向搅拌法，搅拌比较均匀，对桩周土的扰动也较小，桩周土体的结构性和强度得到了较好的保留，故而在预应力管桩插入水泥土搅拌桩时，同一水平面上的水泥土受到径向向外的挤压，在桩土接触面处受到桩周土向内的限制，如此形成的刚柔组合桩水泥搅拌桩外包环桩的体积密实度要大于常规的水泥搅拌桩，在水泥土充分固化凝结形成强度较高的水泥搅拌桩时其桩身抗压强度和能提供的侧摩阻力也同样大于常规水泥搅拌桩。

2)管桩同心植入水泥搅拌桩中形成土塞效应。在分析土塞对桩周、桩端土的挤土效应和管桩承载力影响时，现在普遍的观点将土塞分为完全土塞和不完全土塞来进行阐述。根据现场实际刚柔组合桩成桩后采用测绳量测后发现25 m长预应力管桩内的土塞长度在3 m～5 m之间，因此可判断刚柔组合桩在沉桩时预应力管桩中形成了完全土塞。由于土塞的长度同时小于水泥土搅拌桩的长度，可见管桩在植入水泥土搅拌桩中时土塞就发展到了完全土塞，在水泥土搅拌桩以下深度，预应力管桩可视为闭口管桩。

3)水泥搅拌桩与预应力管桩协调变形情况。岳建伟等［11］的研究表明水泥搅拌桩与预应力管桩接触面处的摩阻力大于水泥搅拌桩自身的剪切强度，也大于预应力管桩与桩周土接触面处的摩阻力。可以看出，在搅拌桩桩长L1范围内芯桩与搅拌桩接触面后于搅拌桩桩身破坏而发生相对滑动;搅拌桩桩长L1～芯桩长度L2范围内，由芯桩桩身变形连续性可知，芯桩与搅拌桩接触面后于芯桩与桩周土接触面发生相对滑动，所以水泥搅拌桩与预应力管桩协调变形可以得到保证。

考虑上述影响刚柔组合桩的因素，结合国内外类似桩型承载力计算公式，给出刚柔组合桩单桩承载力计算公式:

其中，u1，u2分别为水泥搅拌桩、预应力管桩桩身周长;Ap为桩长范围内，第i层地基土的厚度;Ap为预应力管桩桩身截面面积，按闭口管桩计算;ζ为考虑预应力管桩沉桩过程挤密水泥搅拌桩，水泥搅拌桩侧摩阻力的提高系数，取1.05～1.10;qsi为深度0～L1内第i层地基土与水泥搅拌桩桩侧摩阻力;qsi′为深度L1～L2内第i层地基土与预应力管桩桩侧摩阻力;qu为预应力管桩桩端承载力。

5 结语

通过对刚柔组合桩在深厚软基路堤中的应用情况介绍，得到如下结论:1)刚柔组合桩兼有刚性桩和柔性桩的优点，经济、技术优势明显，施工工艺简单成熟;2)刚柔组合桩适用于地基土下端有较好的硬土层，作为预应力管桩的桩端持力层，尤其适用于地基土中存在两层相对较好持力层，可将搅拌桩的桩端设在上层持力层中;3)在充分考虑刚柔组合桩单桩承载力影响因素的基础上，提出了刚柔组合桩单桩承载力计算方法。

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