某封闭煤场改造项目钻孔灌注桩与劲性复合桩方案对比分析

王海东，隋明昊，牛井恒，胡云鹏，张旭成

（1.山西冶金岩土工程勘察有限公司，山西 太原 030002；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

劲芯复合桩是一种新型的地基处理技术，该技术是在水泥土搅拌桩的基础上发展而来的，即在水泥土搅拌桩成桩之后，水泥土初凝之前用压桩技术将刚性加强体（管桩、型钢等）压入水泥土内，形成刚性加强体与水泥土的复合桩共同承受上部荷载［1］。劲芯复合桩十分适用于沿海软土地基处理，它综合了单一桩型（如柔性砂石桩、半刚性水泥土桩和刚性混凝土桩）的优点，能根据土质情况、上部结构要求、加固目的而有针对性地、灵活地采取多种组合方式，调整各种桩的桩径、桩长、强度、施工工艺参数等，使复合桩充分发挥出桩周软土摩阻力和桩底阻力，且匹配具有一定强度的材料而产生足够高的单桩承载力，满足不同的设计要求［2］。

由柔性砂石桩（S）、半刚性水泥土桩（M）和刚性混凝土桩（C）可构成多种组合方式的多元复合地基桩，如SM、SC、MC、SMC 等，其中 MC 即是目前大量被运用推广的“MC 高强复合地基桩”和“长短桩”复合地基桩［2］。

劲性复合桩突破了单一桩型的局限性，“将 S 桩（散体桩）、M 桩（半刚性桩）、C 桩（刚性桩）中两种或三种桩型复合为同一桩体，形成有互补增强作用的复合桩［3］，是技术组合的创新和应用，其桩身具有较高的强度、刚度、密度和均匀性，且与桩周土具有共同工作性能”（见图 1），适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土以及人工填土地基。

图1 某工程劲性复合桩照片

在上覆土层厚度大、性质较好的桩端持力层埋深较深的场地，特别是在一些特殊性岩土场地，比如场地上覆土层中存在较厚的湿陷性土层，桩长须穿透湿陷性土层，并且要考虑负摩阻力的不利影响；限于地质条件的复杂性和封闭煤场项目上部结构对桩基础抗水平推力的要求较高，采用钻孔灌注桩桩长往往很长，施工质量不宜保证，造价较高，而且工期也比较长。

1 工程实例分析

1.1 工程概况

某发电有限责任公司煤场扬尘治理工程分为一二期和三期两个煤场，拟建全封闭煤场钢结构拟采用张弦拱桁架结构形式，结构跨度约 180 m，长度约 210 m；桁架支座反力竖向约为 5000 kN，水平反力约为 2 000 kN。拟建工程基础设计等级为乙级，拟采用灌注桩基础，基础承台埋深约 2.5 m，桩径 1 000 mm，单桩承载力特征值约 2 000 kN，水平承载力特征值约 200 kN。

1.2 工程地质条件

本工程煤场改造区域主要土层构如下。

1.3 地下水条件

勘察期间属于枯水期，勘察深度范围内存在地下水，地下水类型属于孔隙潜水，主要赋存于第④层粉土、第⑤层粉质黏土中，涌水量不大，初见水位埋深 30.3～31.9.0 m，水位高程 460.69～463.21 m，静止水位埋深 29.6～31.3 m，水位高程 460.89～463.81 m，地下水水位随季节性变化较大，主要受大气降水为补给条件，以蒸发和径流方式排泄。水位受大气降水的影响显著，枯水季节和丰水季节水位变化在 1.0 m 左右。

1.4 钻孔灌注桩设计计算

1.4.1 设计参数

桩型及成桩工艺采用干作业成孔灌注桩，桩径 1.00 m，桩长 32.00 m，混凝土强度等级 C30，纵向受力钢筋采用Φ25@HRB400，加强筋Φ14@HRB400，混凝土保护层厚度 50 mm，桩顶水平位移允许值取 10 mm，桩顶标高 488.50 m，岩土性能参数如表 1 所示。

表1 钻孔灌注桩岩土性能参数表

1.4.2 计算结果

1）单桩竖向承载力特征值。单桩竖向承载力特征值可按下式计算，见式（1）。

式中：u 为桩的周长，m；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为桩的截面面积，m2；qsik为桩周第 i 层土的侧阻力标准值，kPa；qpk为桩径为 800 mm 的极限端阻力标准值；li为第 i 层土的厚度，m；K 为安全系数，取 2。

2）单桩水平承载力特征值。单桩水平承载力特征值按下式计算，见式（2）。

E I 为桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，EI =0.85ECI0；其中 EC取3.0×104MN/m2，I0为桩身换算截面惯性矩：圆形截面为I0=W0b0/2；vx为桩顶水平位移系数，桩顶约束情况为铰接，取值为 2.441；m 为桩侧土水平抗力系数的比例系数，取 4.0 MN/m4；ρg为桩身配筋率，取 0.873 %；b0为桩身计算宽度，b0=0.9（1.5d+0.5）；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，取 6.67；d0为扣除保护层厚度的桩直径，取 0.90 m；

3）考虑承台效应、群桩效应的基桩承载力。根据设计要求，承台下预计需要 9 根灌注桩，灌注桩布置如图 2 所示。因承台底的土层为湿陷性土层，依据 JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》第 5.2.3 条、5.2.5 条［4］，对基桩竖向承载力特征值，不考虑承台效应，取单桩竖向承载力特征值。

图2 钻孔灌注桩布置示意图

依据同类项目经验，上部结构反力水平荷载较大，桩数一般由水平力控制。按最不利工况下，纵向主桁架水平荷载标准值约 2 200 kN，纵向拟采用 9 根灌注桩，承台尺寸 9 m×8 m，桩中心距取 3.00 m，以此计算群桩基础的基桩水平承载力［5-6］。

根据 JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》第5.7.3 条，群桩基础的基桩水平承载力特征值应考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，可按式（3）～（7）确定。

式中：ηc为群桩效应综合系数；ηi为桩的相互影响效应系数；ηr为桩顶约束效应系数，取 2.05；ηl为承台侧向土水平抗力效应系数，取 0；ηb为承台底摩组效应系数；Sa/d 为沿水平荷载方向的距径比；n1n2为分别为沿水平荷载方向与垂直水平荷载方向每排桩中的桩数，取 3；μ 为承台底与地基土间的摩擦系数，取 0.25；Pc为承台底地基土分担的竖向荷载标准值，kN；ηc为承台效应系数，取 0；A 为承台总面积，m2；Aps为桩身截面面积，m2。

经计算：单桩承载力特征值 Ra=1 510 kN，单桩水平承载力特征值 Rha=176 kN；考虑群桩效应的水平承载力特征值 Rh=234 kN。

1.5 劲性复合桩设计计算

1.5.1 设计参数

桩型采用 MC1100（600）长芯桩，外围水泥土桩有效长度 22 m，芯桩采用 PHC-600（130）AB-13，桩顶标高按 489 m 计。以 ZK08 为例，孔口标高为 493.23 m，M 桩桩径 1 100 mm，桩长 18.52 m；C 桩桩径 600 mm，桩长 26 m；M 桩桩身周长 4.838 m，C 桩桩身周长 1.885 m；M 桩桩端面积 0.950 m2，C 桩桩端面积 0.283 m2。岩土参数如表 2 所示。

1.5.2 单桩竖向承载力计算

根据 JGJ/T 327－2014《劲性复合桩技术规程》第 4.3 节进行单桩承载力估算。

1）桩侧破坏面位于内、外芯界面时，基桩竖向抗压承载力特征值按下式估算，见式（8）。式中：Ra为劲性复合桩单桩竖向抗压承载力特征值，kN；为劲性复合桩内芯桩身周长，m；lc，lj为分别为劲性复合桩复合段长度和非复合段第 j 土层的厚度，m；为劲性复合桩内芯桩身截面积，m2；为劲性复合桩复合段内芯侧阻力特征值，kPa，取室内相同配比水泥土试块在标准条件下 90 d 龄期的立方体（边长 70.7 mm）无侧限抗压强度的 0.08 倍，设计要求该无侧限抗压强度≥1.6 MPa；为劲性复合桩非复合段内芯第 j 土层侧阻力特征值，kPa；为劲性复合桩内芯桩端土的端阻力特征值，kPa。

经计算，Ra=4 367 kN。

2）桩侧破坏面位于外芯和桩周土界面时，基桩竖向抗压承载力特征值按下式估算，见式（9）。

式中：u 为劲性复合桩复合段桩身周长，m；li为劲性复合桩复合段第 i 土层厚度，m；qsia为劲性复合桩复合段外芯第 i 土层侧阻力特征值，kPa；qpa为劲性复合桩段阻力特征值，kPa；ξsi为劲性复合桩复合段外芯第 i 土层侧阻力调整系数。

经计算，Ra=5 889 kN。

3）依据《10G409 预应力混凝土管桩》，PHC-600（130）AB 型管桩桩身结构轴心受压承载力设计值 Rp=4 824 kN，管桩桩身能承受单桩最大竖向抗压承载力特征值 Ra=Rp/1.35=3 573.33 kN。

表2 劲性复合桩岩土性能参数表

4）劲性复合桩设计单桩抗压承载力特征值取 2 500 kN，小于上述1）～3）确定的承载力特征值，验算通过。

1.5.3 水平承载力特征值

依据《10G409预应力混凝土管桩》，PHC-600（130）AB 型管桩桩身受剪承载力设计值 Vp=352 kN管桩桩身能承受单桩最大水平承载力特征值 Va=Vp/1.35=260.74 kN，满足设计要求。

1.5.4 劲性复合桩布置

本工程拟采用 MC 长芯劲性复合桩，主桁架承台埋深 2.5 m，外芯采用高压旋喷水泥土桩（湿法搅拌工艺），桩径Φ1 100 mm、有效桩长 L=22 m；四周搭接四根Φ950 mm 水泥土桩，有效桩长L=7 m，P.O.42.5 水泥掺入量 15 %～18 %，四搅两喷；内芯采用高强预应力管桩 PHC-600（130）AB，混凝土强度 C80，有效桩长 26 m。内芯采用锤击打入，桩端支承于第④层粉土，属端承型摩擦桩。管桩单桩竖向抗压承载力特征值预计 2 500 kN，水平承载力特征值（10 mm 临界值）250 kN。劲性复合桩示意如图 3 所示。

图3 劲性复合桩布置示意图

1.5.5 试桩检测

1）竖向静载荷试验。本工程共进行 3 组试桩，分别为 S1、S2、S3，载荷试验在设计要求的最大荷载下 p-s 曲线呈缓变型，无明显拐点，在极限承载力 5 000 kN 作用下，沉降量分别为S1=10.12 mm，S2=13.08 mm，S3=12.74 mm，满足要求。

2）水平承载力载荷试验。根据现场水平载荷试验连续循环加压，在加压至设计值 250 kN 时，水平位移 S1=3.53 mm，S2=4.54 mm，S3=4.17mm；在加压至极限值 500 kN 时，水平位移 S1=7.75 mm，S2=8.52 mm，S3=8.32 mm；当位移达到 10 mm 时，水平承载力加载值分别为 S1加压至 585 kN，S2加压至 560 kN，S3加压至 565 kN。

3）桩身完整性检测。现场进行 3 根桩的低应变检测，波速范围值 3 950～4 350 m/s，均为Ⅰ类桩。

2 两种方案的对比分析

2.1 工作量对比

2.1.1 钻孔灌注桩

本项目桩基设计桩径 1 000 mm，设计桩长达 32 m，该方案一二、三期煤场工程量如表 3 所示。

表3 灌注桩方案工程量统计

2.1.2 劲性复合桩

本工程拟采用 MC 长芯劲性复合桩，该方案一二、三期煤场工程量如表 4 所示。

2.2 技术对比分析

2.2.1 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩方案成孔方式可采用旋挖成孔或泥浆护壁旋挖成孔，成孔方式为非挤土，不能消除场地土的湿陷性，竖向承载力计算时需考虑 ②～③ 层土的负摩阻力；水平承载力计算时顶部桩侧土约束较弱，水平抗力比例系数 m 值较低，造成桩径及桩长尺寸较大；另外，钻孔灌注桩施工采用泥浆护壁施工时，孔底沉渣厚度不宜控制，影响成桩质量，泥浆会污染施工场地。

表4 劲性复合桩方案工作量统计表

表5 桩基施工方案工期对比

2.2.2 劲性复合桩

劲性复合桩方案施工时先行喷水湿法搅拌，预先消除桩周土层湿陷，同时水泥土四搅两喷，提高了内芯预制管桩与外芯水泥土之间的桩侧摩阻力，因此可提高预制管桩的竖向承载力。预制管桩采用锤击沉桩，沉桩过程产生的挤土效应可消除土的湿陷性。此外，顶部外芯水泥土桩侧搭接水泥土桩，水泥土桩连成整体田字型格栅状，可提高桩基的水平承载力。因此，与灌注桩方案相比，所需内芯桩径及桩长均较小，且基桩水平承载力更高。

2.3 工期对比分析

以一二期煤场为例，两种桩基施工方案所需的工期如表 5 所示，与常规灌注桩方案对比，如采用劲性复合桩方案，每个煤场的桩基施工周期可由 30 d 缩短至 18 d。

3 结论

1）本工程拟采用 MC 长芯劲性复合桩，每个承台下拟采用外芯为 M 桩（高压干湿法旋搅水泥土桩）、中芯桩为 C 桩（PHC-600（130）AB-C80）、劲性桩体上部采用互相搭接的水泥土桩（有效长度 7 m，直径1 100 mm）形成“田”字型连体格栅的连体协力劲性复合桩形式。

2）劲性复合桩集置换、竖向增强、排水排气、固结、胶结、压密、充填、振密、挤密等于一体［2］，可有效提高软基强度及稳定性，降低地基压缩沉降量，并保证地基均匀性，从而满足不同设计要求（复合桩长一般仅需达浅层相对较硬持力层）。桩身造价低廉、强度较高、质量可靠。

3）劲性复合桩能大幅提高地基承载力、加快软土固结，减少地基沉降（沉降量仅为天然地基的 20 %、单一桩型的 50 % 左右），缩短工后稳定期，同时解决了由软弱土层共生的复杂地基不均匀性问题，减少建筑物不均匀沉降的发生。

4）劲性复合桩由成熟工法组合或复打而成，融合各桩优点的同时有效避免了单一桩型的固有缺陷。其单桩承载力、复合地基承载力、压缩模量和变形计算、验收检测等均有国家规范规程、桩基理论参照，避免了一般新技术、新工艺推广应用中的不利因素障碍，确保建造部门无风险。

5）针对本工程的湿陷性土层，劲性复合桩可通过调整桩径、桩长、掺灰量、强度、颗粒级配、搅拌和复打次数，充分发挥复合桩周软土摩阻力和桩底阻力，并匹配材料强度，进而提供充足的单桩承载力。

6）劲性复合桩在上覆土层分布深厚、基岩埋深较大的场地有突出的优势，克服了钻孔灌注桩桩长过长采用泥浆护壁减小侧壁摩阻力的风险，也克服了深厚覆盖层如砂层中沉渣太厚的问题，同时可以改变桩侧土的强度，消除湿陷性，是一种可靠的桩基础方案。