软土地基处理中素混凝土桩复合地基的运用分析

2020-12-09王池波

工程建设与设计 2020年22期

王池波

（晋江市路桥建设开发有限公司，福建晋江362200）

1 引言

随着社会经济的持续发展，人们对工程建设质量提出了更高的要求。传统的素混凝土桩在桩基应用中的适用性逐步降低，采取全新的施工工艺势在必行。随着行业技术的进步，素混凝土桩复合地基相继被应用在工程建设领域中，其在深厚软土地基加固方面具有良好的应用效果[1～3]。

2 工程概况

2.1 工程地理情况

本文以晋江市沈海高速机场连接线工程第二标段为研究对象。该工程位于泉州市晋江市池店镇和陈埭镇，路线全长约3.2km，项目起始桩号为K2550，终点桩号为K5720，主要施工内容分为包括路基、路面和桥梁在内的主体工程以及包括管线在内的附属工程。

2.2 工程地质条件

本工程的地理环境为亚热带海洋性环境，受区域河流影响，该区域淤泥厚度较大，地基表层为素填土，包含花岗岩块石夹砂粒、黏性土等，分布不均匀，钻孔揭露信息表明素填土最大厚度可达8m。下有厚度较大且含水量高的淤泥软土层情况，存在压缩性强、强度小、流变性大以及灵敏度高等诸多工程难题。场地地基土物理力学性质指标如表1所示。

表1场地地基土物理力学性质指标

2.3 地基处理方案的选择

考虑地基表层为素填土，含有花岗岩块石，道路等级高，工后沉降要求高，从施工工艺的适用性和经济性角度考虑，本项目采用素混凝土桩。

3 素混凝土桩复合地基工作机理

素混凝土桩应用比较广泛，通过碎石、粉煤灰、水泥、石屑等加水搅拌形成黏结性较强的素混凝土[4]。和碎石桩相比，素混凝土桩最终承受外荷载的能力有显著提高，通常可达1倍以上，其影响因素主要为桩体本身的几何尺寸与上部垫层厚度值。素混凝土桩体的强度可以调节，幅度为C5～C20。素混凝土桩的工程特性与散体碎石有所不同，工作时不必依靠周围土体的约束力就能传递竖向荷载。受竖向荷载时，素混凝土桩本身的承载能力较强。因此，整体的压缩变形相对较小，而减小压缩层变形，能够有效防止周围土体变形过大[5]。采用素混凝土桩能够提升上部软弱土层的承载能力，同时减少地基处理的工作量。素混凝土组合桩复合地基工作机理如图1所示。

图1复合地基条件下素混凝土组合桩受力机理示意图

4 素混凝土桩施工工艺及特点

4.1 成孔工艺的选择

现阶段，主要有2种不同的素混凝土桩施工方法：（1）进行振动沉管，而后浇筑混凝土。考虑施工期间扰动性较强的特点，宜采取隔行跳打的方式，或是合理控制好桩间距。（2）长螺旋钻机成孔，清理孔内杂物后向其中填入混凝土。此方式在孔深较深且土质较好的条件下具有可行性，具备穿过坚硬土层的能力，但泥浆需求量较大，泥浆外运所需成本有所增加。振动沉管灌注成桩适用于普通黏性土、粉土以及素填土地基，但对于地下水位以上的土层，则需采用长螺旋钻孔灌注成桩，且长螺旋钻机成孔工艺能减少对相邻桩或相邻房子的侧向挤压效应。本工程地层为含较厚花岗岩石料的素填土层+厚度较深的淤泥土层，因此，本工程设计时，选用长螺旋钻管内泵压施工工艺，以避免产生挤土效应，造成对桥台的不利影响。

通过在桩顶设置级配碎石砂加筋褥垫层50cm，夹双层（桥头处理段落）或单层聚丙烯单向土工格栅（180kN/m），进而调整桩土应力比，能够充分发挥桩的作用。考虑应力集中和调整桩土应力比的需求，在桩顶设置钢筋混凝土桩帽。

4.2 主要施工工艺

4.2.1 施工组织设计原则

回旋切土工艺在深厚软弱土层中更具有适用性，施工成型的素混凝土桩整体质量良好[6]。工程实践中，应按照如下要求有序组织施工：（1）合理选择桩机型号，主要考虑桩径、桩长和施工现场地基土的情况；（2）桩位的确定应严格遵循图纸，钻孔施工遵循先慢后快的原则；（3）按碎石→水泥→砂的顺序投料制备混凝土，要求碎石含泥量＜5%，每盘搅拌总时间至少应达到60s，以保证各材料可充分混合；（4）达到钻进深度后，应及时清理桩底沉渣，然后浇筑混凝土；（5）在完成混凝土浇筑后，应通过量测，保证桩顶的实际标高超过设计标高值0.5m，再进行后续桩施工。

4.2.2 主要施工工艺

主要施工工艺包括以下2项：

1）试桩。在施工开始之前，应进行成桩工艺试验，试验目的为确定施工工法与工艺、整体施工速度以及所需投料具体数量，确保施工质量，同时研究在复合地基的条件下，素混凝土桩的作用机理，验证设计文件是否满足工程承载力要求，及时调整设计。在试验过程中，通常取样的试桩不应小于4根，试验量测内容包括桩、土以及垫层的应力与应变值变化过程。当试验所得数据均符合设计规范要求后，方可展开工作面以进行后续施工。

2）施工流程。施工流程如图2所示。

图2施工流程图

4.3 材料要求

水泥：宜采用P·O42.5普通硅酸盐水泥。骨料：宜用反破碎施工碎石，粒径6～20mm，杂质含量小于5%。粉煤灰：采用Ⅱ级、Ⅲ级。水电：符合施工用水用电要求。外掺剂:泵送剂。混凝土坍落度：混合料坍落度控制在16～20cm。褥垫层材料:碎石砂，其中碎石占70%，直径2～4cm，砂占30%，含泥量不大于5%；土工格栅材料采用聚丙烯单向土工格栅，180kN/m，伸长率为5%时，拉力应大于130kN/m。

5 总体方案设计

5.1 素混凝土桩复合地基参数设计

素混凝土桩复合地基参数设计包括以下几项：

1）桩长：复合地基设计流程中，桩长是首要考虑参数，具体应根据路基稳定性和工后沉降的要求以及现场地质条件等因素而确定。本工程通过钻孔取样的方式分析地质情况，在淤泥深度较大的区域钻孔，桩基长度规定为21.0m，桩端进入持力层规定为0.5m。

2）桩径：由于在工程设计时采用长螺旋钻管内泵压方法，且考虑施工现场需要采用的钻孔设备会对桩径产生较大的制约，因此，根据长螺旋钻管的几何尺寸，将桩径长度规定为50.0cm。

3）桩距：基于本工程中的岩土工程勘察报告数据，确定布桩形式为正方形，其中桩距规定为2.0m，桩帽边长取为1.5m，据此计算得到桩面积置换率为5.0%。

4）褥垫层：在桩顶设置级配碎石砂加筋褥垫层，层高为50.0cm，夹双层（桥头处理段落）或单层聚丙烯单向土工格栅（180kN/m），从而达到调整桩与土之间的应力比值的目的，实现对桩基作用的最大化利用。通过桩帽对桩顶进行连接，并在桩帽顶部依次设置30cm碎石和20cm钢塑格栅增大垫层刚度，以避免产生较大的应力集中而导致桩顶进入的结果。

5.2 单桩承载力特征值与复合地基承载力特征值计算方法

本次计算参照JTG/T D31-02—2013《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[7]相关公式进行求解计算，具体详述如下。

5.2.1 单桩承载力特征值计算

单桩承载力特征值PPF计算公式如下：

式中，Sa为桩身周长，m；fi为按土层划分的各土层桩周土的极限摩阻力，kPa；la为按土层划分的各段桩长，m；fak为桩端土极限承载力，kPa；Ap为桩身截面面积，m2；α为桩端天然地基土的承载力折减系数，取值区间0.4～0.6。

5.2.2 复合地基承载力特征值计算

复合地基承载力特征值Pcf计算公式如下：

式中，Psf为天然地基极限承载力，kPa；β为桩间土承载力折减系数；m为复合地基置换率。

综上，通过对钻孔资料的分析可知，填筑土层的桩长取2.5m；淤泥层施工条件特殊，桩长取18m，根据上述公式（1）和公式（2）及具体施工量测参数值，计算可得单桩竖向承载力特征值PPF为604.0kN，复合地基承载力特征值Pcf为156.4kPa。因此，根据受力情况，单桩的抗压承载力与荷载设计值之比为2.2，复合地基承载力与应力设计值之比为2.2，由相关规范可知，均满足要求。

5.3 沉降量计算

压缩变形的计算方法为单向压缩分层总和方法。而根据GB 50007—2016《建筑地基基础设计规范》，桩间土所存在的压缩变形对沉降的进一步加重效应可忽略不计。施加竖向荷载的情况下，复合地基最终所发生的沉降是由加固位置的沉降量S1与下卧层部分的沉降量S2两个数值的总和[8]。

S1的沉降计算可选方法较多，包含应力修正法、桩身压缩法等，根据前述规范，应采用复合模量法，其计算更为便捷，能够将桩体和原地基土视为整体，简化了计算流程，通过计算后求得复合压缩模量，利用该指标来表征复合土体所具备的压缩性。

1）复合地基加固区将发生的最终变形S1为：

式中，m为桩端下压缩土层分层数；Esj，i为桩端下第j层土的第i个分层的复合土体压缩模量，MPa；Δhj，i为第j层的第i分层厚度，m；σj，i为桩端下第j层的第i分层的竖向附加应力，kPa；ψp为桩基沉降计算经验系数。

按上述方法展开计算，可求得S1=45.2mm。

2）下卧层的沉降S2，以前述规范中的相关规定为准，经计算后得知该值为171.3mm。

3）地基总沉降。经上述计算后，可知S1=45.2mm，S2=171.3mm，由此可求得总沉降量S=216.5mm＜500mm，可满足要求。

5.4 荷载试验结果分析

在素混凝土桩正式施工28d后，为了验证素混凝土桩在本工程中的应用效果，本次试验桩选取双龙路立交SW匝道上（临近PHC桩）10根素混凝土桩进行荷载能力试验，最大荷载下的沉降为0.67～22.8mm，设计荷载对相应的相对平均值为0.0021，小于规范标准。根据试验相关数据可以得出载荷-沉降曲线（见图3），复合地基承载力特征值为125kPa，单桩竖向抗压极限承载力为810kN。从以上特征可以看出，该工程地基处理满足荷载要求。