劲性复合桩复合地基设计

杨海军 施冬梅 姜春华

（1.南通市水利勘测设计研究院有限公司 南通 226000 2.南通市经济技术开发区农村工作局南通 226000）

1 引言

劲性复合桩为散体桩、柔性桩、刚性桩经复合施工形成的具有互补增强作用的桩。此类型桩避免了单一桩法的缺点，而且综合了各种桩法的优点，质量可靠、施工简便、造价低，强度、刚度、密度较高、桩身体积较大，具有较高的单桩承载力，同时大幅度改善了桩间土的软弱状态和承载力参与度，也大大拓宽了单一桩法的应用范围，取得了较好的加固效果。它可作为复合地基中的竖向增强体也可作为单一刚性桩（抗剪、抗拔、抗压），还可用于基坑支护及防渗墙工程，具有广阔的应用前景。本文以江苏省如皋市沿江某6m净宽水闸地基处理设计为例，作简单论述。

2 工程概况

该工程新建水闸为单孔闸，闸孔净宽6.0m，底板顶高程-1.70m，闸室采用开敞式“U”型结构，水闸设计流量45m3/s。水闸位于2级主江堤的港支堤上。

根据场地勘察报告，地面高程一般在3.60～4.10m之间，地基土自上而下具体分层如下：

层1素填土：以灰黄色粉土与灰褐色粉质粘土为主。层厚0.50～5.30m，层底标高0.61～2.43m。该层分布于场地表层。

层2淤泥质粉质粘土夹粉土：灰褐色，夹层青灰色。水平层理。层厚为7.10～11.40m，层底标高为-9.89～-8.20m。该层在场地普遍分布。地基允许承载力为70kPa。

层2-T粉土夹粉质粘土：青灰色，夹层灰褐色。水平层理。层厚为0.50～4.20m，层底标高为-9.89～-1.30m。该层在场地普遍分布。地基允许承载力为100kPa。

层3粉砂：青灰色，夹薄层灰褐色粉质粘土。水平层理。层厚为1.60～4.00m，层底标高为-13.52～-11.97m。该层在场地普遍分布。地基允许承载力为170kPa。

层3-T粉土：青灰色，夹薄层灰褐色粉质粘土。水平层理。层厚为0.60～2.70m，层底标高为-13.07～-9.99m。该层在场地大部分布。地基允许承载力为140kPa。

层4粉土与粉质粘土：粉土青灰色，粉质粘土灰褐色。水平层理。层厚为4.30～6.50m，层底标高为-21.79～-20.40m。该层在场地普遍分布。地基允许承载力为120kPa。

层4-T粉土夹粉质粘土：青灰色，夹层灰褐色。水平层理。层厚为1.90～3.40m，层底标高为-20.24～-17.79m。该层在场地普遍分布。地基允许承载力为150kPa。

层5粉土夹粉砂：青灰色，夹薄层灰褐色粉质粘土。水平层理。未钻穿。地基允许承载力为165kPa。

地质剖面见图1。

3 复合地基设计设想

该工程在对预应力混凝土管桩、水泥土搅拌桩、劲性复合桩等地基处理方案进行综合比选后，最终选定劲性复合桩复合地基作为地基处理方案，主要考虑以下几个方面：

（1）当在桩顶承受竖向荷载时，桩身上部首当其冲受压缩而发生向下位移，于是桩周围土体与桩产生向上的侧摩阻力；荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服摩阻力且通过它向土中扩散的过程，因而桩身的轴力沿着深度逐渐减小，在桩端处则与桩底反力相平衡；与此同时，桩端持力层在桩端压力作用下产生压缩，使桩身下沉，桩与桩间土的相对位移又使摩阻力进一步发展。随着桩顶荷载的逐渐增加，上述过程周而复始地进行，直到变形稳定为止。由于桩身压缩量的累积，上部桩身的位移总是大于下部，因此上部的摩阻力总是先于下部发挥出来；下部桩侧摩阻力被逐渐调动出来，直至整个桩身的摩阻力全部达到极限，继续增加的荷载就完全由桩端持力层承受；当桩底荷载达到桩端持力层的极限承载力时，桩便发生急剧地、不停滞地下沉而破坏。因此，增强桩身上部桩周围土体的结构强度，对提高桩的承载力，改善桩的变形特性无疑有现实意义。

（2）水泥土搅拌桩加固软土地基改善了软土的固结特性。一般认为水泥土的压缩曲线表现出明显的超固结特性，因而可近似地认为水泥土桩体不存在固结现象，而只有弹性的桩身压缩。水泥土搅拌桩加固深厚软土地基一般不会贯穿整个软土层，由此形成的加固层和下卧层软土的固结特性仍可用双层地基一维固结理论来分析。从固结机理上来看：一方面加固层渗透性极低的水泥土搅拌桩的设置减少了下卧层软土的排水通道，减缓了下卧层软土的排水固结；另一方面由于加固层竖向附加应力向水泥土搅拌桩集中而使桩间土所受应力大为减少，从而孔压也大大减少，因此在下卧层软土和加固层桩间土之间造成较大孔隙压力差，加快了下卧层软土的固结。

（3）水泥土搅拌桩加固软土地基改善了天然软土的性质，流塑态软黏土拌入固化剂后形成的加固土呈坚硬状态，水泥土的粘聚力和内摩擦角较原状土大为增加，在三轴不排水剪切试验时，水泥土破坏时的莫尔应力圆直径随着围压的增大而增大，强度包络线成斜线，因而其抗压强度、变形模量等指标分别比天然软土提高数十倍至数百倍。

（4）桩、土复合构成的地基形成了平面及竖向合适的刚度级配梯度和三维共同工作的应力状态，达到了对天然地基承载力的有效补强，从而满足设计要求，并减少了地基的沉降。

（5）采用劲性复合桩短芯MC桩，短芯预应力混凝土管桩、长水泥土搅拌桩的布置，符合地基应力传递特征，可有效增强桩身上部桩周围土体的结构强度，提高桩的承载力。

（6）复合地基与上部基础通过褥垫层的柔性连接，在水平荷载作用下，有效地传递垂直荷载。

（7）褥垫层可有效地调整复合地基的桩土荷载分配，充分发挥土体的承载能力特别是发挥浅层土体的承载作用。

4 劲性复合桩复合地基的设计

新建水闸为净宽6m单孔闸，经设计计算下游一级翼墙所需的地基承载力为138kPa。下游一级翼墙底板基础位于层2，根据地质资料，承载力仅为70kPa，地基承载力远远不满足要求。结合之前设计思路，采用短芯MC型劲性复合桩，外芯为φ700mm水泥搅拌桩，有效桩长10m，内芯为φ300mmPHC管桩，有效桩长8m。

4.1 竖向承载力特征值计算

图1 地质剖面图

选择具有代表性的地质剖面，根据《劲性复合桩技术规程》（JGJ/T327-2014）中式4.3.2-2及4.3.2-4计算，并取小值：

式中：uc为内芯桩身周长；为复合段内芯侧阻力特征值；lc为桩复合段长度；为内芯桩端土的端阻力特征值；为内芯桩身截面积；u为复合段桩身周长；ξsi、ξp分别为外芯第i土层侧阻力调整系数、端阻力调整系数；qsia为外芯第i土层侧阻力特征值；qpa为复合桩端阻力特征值；Ap为复合桩桩身截面积。

4.2 劲性复合桩复合地基承载力特征值

根据《劲性复合桩技术规程》（JGJ/T327-2014）中式4.4.3计算：

式中：m为面积置换率；β为桩间土承载力折减系数；fsk为桩间土地基承载力标准值；λ为单桩承载力发挥系数。

取桩间距为1.8m×1.8m，置换率为0.12，λ取0.95，β取 0.8，fsk为 70kPa，经计算得：fspk=145kPa＞138kPa，满足设计要求。

4.3 褥垫层设计

褥垫层材料采用20cm厚10%水泥土，该褥垫层作用：保证桩、土共同承担荷载，即使桩端持力层不同，也能保证一部分荷载通过褥垫层的调整作用在桩间土上；调整桩、土荷载分担比；调整桩、土水平荷载的分担；减少基础底面的应力集中。

5 复合地基设计方案比选

5.1 预应力管桩复合地基的设计

采用管径300mm预应力管桩进行复合地基设计，有效桩长为10m，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）中式5.2.2及5.3.5计算竖向承载力特征值：

式中符号意义见规范，得Ra=164kN。

复合地基计算根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中式7.1.5-2计算：

式中符号意义见规范，取桩间距为1.0m×1.0m，置换率为 0.071，经计算得：fspk=140.9kPa＞138kPa。

5.2 水泥搅拌桩复合地基的设计

采用管径700mm水泥搅拌桩进行复合地基设计，有效桩长为10m，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）中式7.1.5-3及7.3.3计算：

式中取小值，得Ra=154kN

复合地基计算根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中式7.1.5-2计算：

式中符号意义见规范，取桩间距为1.1m×1.1m，置换率为 0.318，经计算得：fspk=140.2kPa＞138kPa。

同时设计中又对这三种地基处理方案做了造价分析，该工程中，劲性复合桩方案为155万元，预应力管桩方案为175万元，水泥土搅拌桩方案为162万元。

6 结论

（1）预应力混凝土管桩是采用先张预应力，掺加高效减水剂，高速离心蒸汽养护工艺的空心圆筒细长的预制桩，将建筑物的荷载传给地基土具有一定抗弯、抗压性能的杆件。预应力混凝土管桩具有单桩承载力高，设计选用范围广，施工速度快，工效高，工期短，桩体耐打等优点。但在该工程中，由于基础以下有较厚的软弱土层，为淤泥质土，属于高压缩性土，预应力管桩虽单桩承载力高，但对加固软土地基效果不明显，要想达到设计要求，必须提高置换率，加大置换率的同时造价相应增加。

（2）水泥搅拌桩利用水泥作为固化剂的主剂，是软基处理的一种非常有效的传统形式，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结而提高地基强度。经计算对加固软土地基较预应力管桩效果好，但由于水泥土强度有限，复合地基承载力受水泥土强度的控制，置换率较大，桩间距较密，同样不经济。

（3）劲性复合桩采用水泥搅拌桩与预应力管桩组合的方式进行复合地基处理避免了单一桩法的缺点而综合了各自桩法的优点。既利用了预应力混凝土管桩的低压缩性高强度的特点来承担荷载，又利用了水泥土搅拌桩来形成复合地基，增加地基的总承载力，并且大大提高了桩间土的参与作用，使复合地基承载力大幅度提高。同时，还具有一定的经济优势。

综上，劲性复合桩复合地基是软土地基上水闸、泵站等水工建筑物地基处理的理想方案，其加固效果可靠，施工技术日趋成熟，与传统地基加固方案相比，具有较为明显的经济优势，可在以后的水利工程设计中予以推广