深厚软基刚柔组合桩复合地基变形特性研究

陈 丽

(镇江新区建设工程质量中心试验室， 江苏 镇江 212132)

深厚软基地段采用排水固结法处理时，往往工后沉降较大。管桩加固的路堤承载力高，能很好的控制工后沉降，但是工程造价较高。针对深厚软基，急需提出一种既能控制工后沉降又经济的地基处理方法。对于深厚软基的地基处理方法，国内外学者已经开展了大量的研究工作，诸如长短桩组合[1-4]、Y形[5-7]、X形[8-10]等异形沉管灌注桩和CFG桩复合地基[11-13]逐渐用于深厚软基。另有一些学者采用数值模拟和现场试验研究了桩基承载特性[14-15]。

水泥搅拌桩加固深厚软基，成本较低，但水泥搅拌桩桩长过长，桩身质量便无法保证。管桩为预制产品，桩身质量可以很好得到控制。因此，工程师们便提出综合利用水泥搅拌桩和管桩来加固深厚软土地基，即刚柔组合桩。刚柔组合桩一般是由直径较大的水泥搅拌桩和长度较长的预应力管桩共同组成，见图1。现场施工时，首先采用双向搅拌设备，形成直径较大的水泥搅拌桩。然后，将预应力管桩打入直径较大的水泥搅拌桩中，作为水泥搅拌桩的桩芯。由于水泥搅拌桩的直径较大，也就意味着大直径的水泥搅拌桩可以提供较大的侧摩阻力。相比较于软土层，硬土层可以提供较大的端阻力，水泥搅拌桩桩芯的预应力管桩长度较大，一般打穿至硬土层，进而提供较大的端承力。因此，刚柔组合桩可以综合利用大直径搅拌桩的侧摩阻力和管桩的端阻力，有其一定的合理性和先进性，预计可以较好的控制软土地基的沉降变形。

图1刚柔组合桩

开展了堆载预压、大直径双向搅拌桩和刚柔组合桩加固的现场试验，对比分析了三种不同加固方式下地基土的变形规律，进一步验证刚柔组合桩在深厚软基中的加固效果，为软土地基处理方式提供了一定的指导意义。

1 试验研究

1.1 工程概况

现场试验段位于浙江省台州某临港公路，沿途多为滩涂区，软土层厚度在20 m以上。为了降低路堤荷载作用下深厚软土的沉降，在道路的桥头段采用刚柔组合桩处理。刚柔组合桩由直径0.9 m、间距3.2 m的水泥搅拌桩和直径0.4 m、壁厚0.06 m的预应力管桩组成。为了确保水泥搅拌桩的成桩质量，采用双向搅拌器进行施工，水泥搅拌桩的桩长为10 m。为了打穿20 m的深厚软土层，预应力管桩的桩长为25 m。为了对比分析刚柔组合桩、水泥搅拌桩和堆载预压等三种地基处理的效果，桥头过渡段到一般路段之间采用其他两种地基处理方式(即没有预应力管桩桩芯的水泥搅拌桩处理和单纯的堆载预压处理)。

1.2 工程地质条件

现场试验段位于浙江沿海地区，软土层厚度大。表层为2.8 m的粉质黏土层，孔隙比为0.95，塑性指数介于10.5～11.6之间，含水率介于25.2%～34.0%，压缩模量为3.16/MPa，内摩擦角和黏聚力分别为3.2°和8 kPa，摩擦力标准值介于20 kPa～30 kPa。粉质黏土层下部为20 m厚的淤泥质黏土层，含水率和孔隙比分别高达48.8%和1.31。塑性指数和液限指数分别为11.7和1.57，呈流动状态。此淤泥质黏土压缩性大，抗剪强度低。压缩模量为2.48/MPa，内摩擦角和黏聚力分别为2.6°和8.5 kPa，摩擦力标准值为15 kPa。淤泥质黏土下部为工程特性较好的黏土层。为了控制路基的后期沉降，刚柔组合桩桩芯的预应力管桩需打穿此淤泥质黏土。

1.3 仪器布置

为了对比分析刚柔组合桩、水泥搅拌桩和堆载预压的加固效果，现场试验监测了复合地基的地表沉降、地基土深层沉降和水平位移。表面沉降板、深层沉降标、测斜管等仪器布置见图2和图3。

图2 观测仪器布置剖面图

图3观测仪器布置剖面图

1.3.1 地基土表面沉降

疏港公路试验段K1+023—K1+063为桥头处理段落，采用了刚柔组合桩复合地基加固。为了对比刚柔组合桩的处理效果，在桥头过渡段K0+993断面和一般路段K0+863断面的路基中心和两侧路肩处布置表面沉降板。表面沉降板采用500 mm×500 mm×10 mm钢板，钢板中心位置焊接1.5寸镀锌钢管作为测管，保证测管的垂直度为90°。

观测频率为施工期间每天观测一次，若因故停止施工，每三天观测一次；预压期间，第一周内每天观测一次，以后视沉降速率大小，逐渐减小观测频次，第一个月每三天观测一次，第二个月至第三个月第七天观测一次，从第四个月起每半个月观测一次，直至路基沉降稳定。

1.3.2 地基土深层沉降

深层沉降板是先钻机成孔再及时将测量头打设到指定深度处。测量头通过测管连接至地面，测管外包塑料套管。为准确掌握控制地基沉降效果，在10 m(即大直径水泥搅拌桩端)和25 m(预应力管桩桩端)深度处各埋设一根深层沉降标。

1.3.3 地基土深层水平位移

在K1+043断面两侧坡脚处各埋设28 m测斜管一根。在桩长15 m的大直径双向水泥搅拌桩处理的桥头过渡段K0+983断面左侧坡脚处埋设28 m测斜管一根，对比刚柔组合桩复合地基和纯大直径水泥搅拌桩复合地基的侧向变形。

2 试验结果分析

2.1 复合地基表面沉降

图4—图6为不同地基处理方式的复合地基表面沉降曲线。路基左右侧地表沉降很接近，但明显小于路基中部沉降。这是因为路基中部土体受到的荷载较大。无论是路基两侧还是路基中部，刚柔组合桩处理断面沉降最小，堆载预压处理断面沉降最大。对于路基中部位置，堆载预压处理、水泥搅拌桩和刚柔组合桩处理断面最大总沉降量分别为54.1 cm、33.7 cm和26.6 cm；对应的填土高度分别为1.95 m、3.00 m和3.28 m。虽然刚柔组合桩处理断面的填土高度最高，但是复合地基表面沉降最小。刚柔组合桩处理断面的地表沉降分别为水泥搅拌桩和堆载预压处理段地表沉降的79%和49%。这表明刚柔组合桩的地基处理方式明显由于水泥搅拌桩和堆载预压处理。

图4路基左侧地表沉降

2.2 复合地基深层土体沉降

图7为刚柔组合桩处理段复合地基深层沉降，监测深度(H)分别为10 m和25 m。水泥搅拌桩和管桩的长度分别为10 m和25 m。因此，上述两个监测深度可以反映水泥搅拌桩和管桩底部土体的沉降。

发现深处土体沉降规律与表面沉降相同，堆载期沉降速率明显大于预压期。由于堆载速率较快，土体固结沉降较小，因此土体沉降趋于稳定所需要的时间便较长。搅拌桩桩端附近地基土沉降为19.9 cm，预应力管桩桩端附近地基土沉降为17.0 cm。水泥搅拌桩和刚柔组合桩处理的最大沉降分别为533.7 cm和26.6 cm。因此，桩端底部土体沉降分别占总沉降和复合地基总沉降的59.1%和63.9%。由于刚柔组合桩的存在，复合地基的沉降主要由桩端下地基土变形产生。

图5路基中部地表沉降

图6路基右侧地表沉降

2.3 复合地基深层水平位移

图8和图9分别为大直径双向水泥搅拌和刚柔组合桩处理段复合地基的深层水平位移。发现：路堤荷载作用下，土体水平位移均朝向加固区外侧。大直径水泥搅拌桩处理区域的地基最大水平位移为340 mm。堆载期间，地基水平位移逐渐增加；预压期间，水平位移逐渐减低。预压结束后，土体最大水平位移回落到299 mm，回弹率为12%。无论堆载期还是预压期，水泥搅拌桩处理段土体最大变形均发生在地表。

刚柔组合桩处理区域的地基最大水平位移仅为24.7 mm，为水泥搅拌桩处理区域土体的7.3%，这表明刚柔组合桩的加固效果明显好于水泥搅拌桩。

图7 刚柔组合桩处理段(K1+043)深层土体沉降

图8 大直径双向水泥搅拌处理段(K0+983)路基左侧深层水平位移

图9刚柔组合桩处理段(K1+043)路基左侧深层水平位移

堆载期间，刚柔组合桩加固区域土体水平位移逐渐增加；预压期间，土体水平位移逐渐回弹。预压结束后，土体最大水平位移回弹至5 mm左右，回弹率为80%。由于预应力管桩的作用，刚柔组合桩加固区域的最大侧向变形发生在地基以下5 m处。

3 结 论

通过开展现场试验，研究了路堤荷载下深厚软基刚柔组合桩复合地基变形特性，得到如下几点结论：

(1) 堆载预压处理、大直径双向水泥搅拌桩和刚柔组合桩处理断面最大总沉降量分别为54.4 cm、33.7 cm和26.6 cm。刚柔组合桩处理断面的地表沉降分别为水泥搅拌桩和堆载预压处理段地表沉降的79%和49%。这表明刚柔组合桩的地基处理效果明显优于水泥搅拌桩和堆载预压处理。

(2) 水泥搅拌桩处理区域，地基最大水平位移为340 mm；而刚柔组合桩处理区域，地基最大水平位移仅为24.7 mm，仅为水泥搅拌桩处理区域大水平位移的7.3%。这主要是因为刚柔组合桩的管桩长度明显大于水泥搅拌桩，路堤荷载可以通过管桩传递到深层硬土层，进而减小路堤荷载作用下土体变形。

(3) 水泥搅拌处理区域最大侧向变形发生在桩间土表面，而刚柔组合桩处理区域的最大侧向变形则发生在地基以下5 m处。预压期间，深层水平位移均有一定的回落，水泥搅拌桩和刚柔组合桩处理区域的水平位移回弹率分别为12%和80%。