柔刚劲性复合桩在水利工程中的应用研究

2017-06-22曹云

治淮 2017年6期

关键词：劲性桩位摩擦角

曹云

（江苏省江都水利工程管理处扬州 225200）

柔刚劲性复合桩在水利工程中的应用研究

曹云

（江苏省江都水利工程管理处扬州 225200）

柔刚劲性复合桩即柔性桩与刚性桩复合而成的桩。从基本概念、作用机理入手，简述了柔刚劲性复合桩特点，归纳了施工质量控制要点，对在水利工程中引进该技术，具有一定的指导作用。

柔刚劲性复合桩水利工程应用研究

1 引言

劲性复合桩技术是一种新型的地基处理技术，是由两种或多种常用的、成熟的起互补增强作用的地基处理方法复合而成，具有较高的强度、刚度、密度和均匀性，且与桩周土体有良好的结合，提高侧摩阻力。目前在水利工程中应用不多，但在我国沿江、沿海软土（如淤泥质土、松散沙土等）地区的工业和民用建筑的地基加固、基坑支护、边坡稳定方面，劲性复合桩技术得到广泛应用。

2 基本概念及特点

柔刚劲性复合桩即柔性桩（如水泥土搅拌桩）与刚性桩（如混凝土桩）复合组成的桩。本文介绍的柔刚劲性复合桩，是在水利工程基础处理中应用的水泥土搅拌桩成桩后，在其中心通过振冲成孔，然后浇筑混凝土桩芯所形成的劲性复合桩。作用机理：振密挤扩作用、协同承载作用、握裹侧限作用。

3 工程应用实例

奔牛水利枢纽工程为新孟河延伸拓浚工程干河枢纽工程之一，位于江苏省常州市奔牛镇新孟河与京杭运河交汇处，工程的主要任务包括防洪、引排水和通航，枢纽由船闸、节制闸和穿京杭运河立交地涵组成，船闸和节制闸并排布置于现状新孟河河口，立交地涵位于现状新孟河河口东侧，地涵轴线与拟建船闸中心线间距为210m。

根据奔牛水利枢纽工程地质勘察报告和翼墙结构布置情况，立交地涵上下游第二节翼墙底板设计底面高程为-5.50m，第三节翼墙设计底面高程为-4.0m。地涵第二、三节翼墙均坐落于淤泥质重粉质壤土上，地基允许承载力[R] =70kPa，均不能满足规范要求，且地基软土层厚度约4～6m左右。按照建筑地基处理技术规范，由于软土层较厚不宜采用开挖回填处理方案，且为减少翼墙不均匀沉降，地涵第二、三节翼墙地基处理可采用预制桩、水泥土搅拌桩或劲性复合桩进行地基处理。

以第二节翼墙为例，选择劲性复合桩方案作为翼墙地基处理方案。根据地涵翼墙运行特征水位进行地基应力计算，第二节翼墙平均地基反力最大值为134kPa，最大地基反力180kPa。

该工程地基土体含水量41.9%，塑性指数17.2，且局部含大量腐蚀质。劲性复合桩选用柔刚复合桩，其中外层桩为柔性桩，采用直径70cm的水泥土搅拌桩，间距为1.5m，水泥掺入量为18%，设计搅拌桩桩身水泥土的抗压强度不得小于1000kPa；刚性桩作为桩体内芯，采用C30素混凝土桩芯，直径为22cm。劲性复合桩结构参见图1。

在软土地基上，先施工直径70cm的水泥土搅拌桩，在水泥土未硬凝前，通过振冲在水泥土搅拌桩中间形成直径22cm的孔，然后现浇C30混凝土桩芯，形成素混凝土劲芯水泥土复合桩。根据劲性复合桩技术规程，采用劲性复合桩后，复合地基承载力可按下式计算。

图1 劲性复合桩结构图

式中：fspk—复合地基承载力（kPa）；λ—单桩承载力发挥系数，取0.95～1.0，该工程取0.95；m—水泥搅拌桩的面积置换率，0.28；Ra—单桩承载力特征值（kN）；Ap—桩的截面面积（m2）；β—桩间土承载力发挥系数，可取0.8～1.0，该工程取0.8；fsk—天然地基承载力（kPa），取第二层允许承载力70kN。

经计算，劲性复合桩单桩承载力特征值为225kN，置换率为26.6%，处理后的复合地基复合地基承载力计算值分别为236kPa和189kPa，满足翼墙地基承载力要求。为提高劲性复合桩复合地基的桩土联合作用效应，在劲性复合桩顶和建筑物基础间设置水泥土褥垫层，厚度为20cm，水泥土中水泥掺入量为8%。

翼墙基础坐落于重粉质砂壤土、重粉质壤土和淤泥质重粉质壤土层上，其固结快剪凝聚力分别为7kPa、17kPa和16.2kPa，内摩擦角分别为25.4°、15.1°和12.6°。处理后的地基土体的强度指标可根据以下公式进行计算：

式中：Cc、Φc—复合地基凝聚力（kPa）、内摩擦角（°）；Cs、Φs—桩间土凝聚力（kPa）、内摩擦角（°）；Cp、Φp—桩体凝聚力（kPa）、内摩擦角（°）。

经计算，处理后第3层复合地基的强度指标为：凝聚力Cc=15.1kPa，内摩擦角Φc=25.3°；第4层复合地基：凝聚力Cc=22.4kPa，内摩擦角Φc=17.9°；第2层复合地基：凝聚力Cc=21.8kPa，内摩擦角Φc=16.1°。

劲性复合桩是介于水泥土搅拌桩和刚性桩之间的桩型,桩土联合作用效应更好。施工技术结合了水泥土搅拌桩和振冲桩的工艺特征，并形成了劲性复合桩自身的施工工法，施工对周边建筑物影响较小。此外，工程投资相对较为节省，尽管施工工期略长，但不影响整个工程工期。因此，第二、三节翼墙地基处理采用劲性复合桩地基处理方案。

4 施工质量控制要点

4.1 施工前应具备下列资料

岩土工程勘察报告、建筑物平面布置图、桩位布置图及技术要求；水泥、砂、碎石原材料产品合格证及抽样送检报告；水泥土配比、混凝土配合比试验资料；试验性施工资料；平面及高程引测点交资料；邻近建（构）筑物和地下设施类型、分布及结构质量情况；专项施工方案。

4.2 施工流程

施工原则是：先施工柔性桩，再施工刚性桩。刚性桩施工宜在柔性桩施工后6h内进行。具体施工流程：平整场地→放线定位→桩位复核→搅拌桩机就位作业→搅拌桩施工搅拌桩机移至下一根桩→振冲机械就位→桩位复核→振冲机械作业→现浇混凝土桩芯→柔刚劲性复合桩成桩。

4.3 过程控制

（1）桩顶设计标高以上宜预留300～500mm土层；平整场地后应设置水准点及轴线定位点，后施工的桩应重新定位；应检查施工机械设备的工作性能及各种计量装置的完好程度。

（2）水泥土搅拌桩应符合水泥搅拌桩施工工艺及质量验收标准；混凝土桩芯施工应符合建筑桩基技术规范的规定。

（3）施工前，应进行成桩工艺试验。试验桩数量不得少于3根。当成桩质量不能满足设计要求时，应在调整设计与施工有关参数后，重新进行试验。

（4）施工过程中，应随时检查施工记录，出现异常情况应及时处理。

（5）基槽开挖后，应检查桩位、内外芯中心偏差、桩径、桩顶标高、桩顶质量、桩数、坑（槽）底土质情况。

（6）检查桩位允许偏差与垂直度允许偏差。单体桩位的允许偏差为±10mm；垂直度允许偏差为0.5%。

4.4 质量检测与验收

（1）承载力检测。应在成桩21d后进行承载力检测，试验应在设计标高处进行，每个单体工程的检测数量不应少于工程桩总数的1%，且不应少于3根（组）。

（2）单桩载荷试验的压板尺寸，应与复合桩截面尺寸一致；复合地基载荷试验压板尺寸应根据设计转换率确定。按相对变形值确定复合地基承载力特征值时，可取沉降与压板边长或直径的比值等于0.008所对应的压力值。

（3）应在基坑（槽）开挖后进行验收，验收合格后方可进行下一道工序施工。

（4）验收资料应包括：设计文件、施工图及设计变更通知书；勘察报告；监理开工审批单；图纸会审记录；技术交底文件；试验记录；专项方案；原材料产品合格证及抽样检测资料、配合比试验、样桩位置等；施工记录及隐蔽工程验收文件；桩体质量检查记录、取样送检记录及试验报告等；质量问题记录；桩位、标高、垂直度实测记录；荷载试验及桩身完整性检测报告；竣工图、补桩记录；竣工报告；质量控制资料核查记录；质量验收报告。