劲性桩复合地基在大面积高堆载工程中的应用分析

2022-04-01李爱国苏州市八都建筑有限公司江苏苏州215200

安徽建筑 2022年3期

李爱国（苏州市八都建筑有限公司，江苏苏州 215200）

1 引言

劲性桩是一种由散体桩、柔性桩及刚性桩经复合施工而形成的具有互补增强作业的桩型；根据建设施工条件的不同，可以采用三元复合或二元复合；也可以按照地质条件的不同，采用等芯桩或长短芯桩，供设计人员的选择较多；根据已施工项目的工程经验，劲性桩具有承载力特征值大、质量稳定、施工方便、对地层适应力强等优点；同时可以大幅度地改善桩周软弱土层。近几年，劲性桩被广泛应用于大量的高层住宅、公建、学校等工程，还可以应用于基坑支护及河道防渗墙的施工中；但在这些项目中劲性桩仅作为单一的竖向增强体提供抗剪、抗压或抗拔作用，较少采用劲性桩作为复合地基进行基础设计。

本文以南通市经济技术开发区某粮油库工程地面高堆载仓库地坪基础设计为例，对劲性桩复合地基作简单的论述。

2 工程概况

该工程位于南通市经济技术开发区，仓库长66.0m，宽180.0m，排架结构，建筑物高度30.0m；建成后该仓库主要堆放炼油用的黄豆，因此设计要求该仓库的地面荷载不小于200kPa。根据场地地质勘察报告，场地地坪85高程约3.80m，钻探深度30.0m深度范围内，主要可以分为9个工程地质层，自上而下分述如下：

层1素填土，主要成分为灰黄～灰色粉土和粉质粘土，经机械压实，建见少量碎石；

层2粉土夹粉质黏土，粉土稍密～中密，很湿，无光泽反应，干强度低，韧性低，摇振反应中等，地基承载力特征值为120kPa；

层3粉砂夹粉土，粉砂中密，饱和，主要矿物成分为石英和长石，地基承载力特征值为150kPa；

层4粉砂，粉砂中密，局部密实，饱和，主要矿物成分为长石和石英，地基承载力特征值为190kPa；

层5粉砂夹粉土，粉砂中密，饱和，主要矿物成分为石英和长石，地基承载力特征值为160kPa；

层6粉土夹粉砂，粉土中密，局部稍密，湿～很湿，无光泽反应，干强度低，韧性低，摇振反应中等，地基承载力特征值为130kPa；

层7粉砂夹粉土，粉砂中密，饱和，主要矿物成分为长石和石英，地基承载力特征值为160kPa；

层8粉砂，粉砂中密，饱和，主要矿物成分为长石和石英地基承载力特征值为200kPa；

层9粉质黏土，粉质黏土软塑，切面稍有光泽，干强度中等，韧性中等，地基承载力特征值为120kPa。

工程地质剖面图见图1。

图1 工程地质剖面图

3 基础方案比选

本工程的技术特点主要可以归纳为以下两点；第一，拟建仓库建成后作为堆载使用，地坪要求高，地面荷载不小于200kPa；第二，根据地质剖面图，场地内地下水位较高，以粉砂及粉土土层为主，且较好的粉砂层（层4）埋深较浅，可作为桩端持力层。

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综合分析场地内工程地质条件，针对较大的地面堆载的情况，可以选择的基础方案主要有预应力混凝土管桩方案、水泥土搅拌桩复合地基方案、劲性桩复合地基方案。对此，主要考虑以下几个方面：

劲性桩复合地基单桩承载力和复合地基承载力特征值估算表

①预应力混凝土管桩作为地基处理的一种方法在全国得到较高的推广，但其作为端承桩需要较好的桩端持力层；本工程中，可作为持力层的层4粉砂埋深较浅，在满足规范要求的情况下，设计桩长约7.0～8.0m，桩基承载力特征值较小，因此在满足地面堆载的情况下，需要满布，而场地内层3为中密的粉砂夹粉土，层4为中密、局部密实的粉砂，若满堂布桩，易造成粉砂土明显的挤密效应，导致沉桩困难或无法沉至预定标高，大量使用预应力混凝土管桩造价高，本工程中不建议采用该方案；

②水泥土搅拌桩是一种广泛应用于饱和黏性土、粉土及粉砂等土层中加固地基的方法，可采用层4（粉砂）作为水泥土搅拌桩的桩端持力层，水泥土搅拌桩由于采用了水泥等材料作为加固剂使软土硬结形成具有一定强度的水泥加固桩体，仅作为半刚性桩（柔性桩），其单桩竖向增强体的强度主要受到水泥土材料强度的影响限制，易造成水泥的浪费，无疑增加了施工成本，并且经过试算及本地区经验，当水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值达到200kPa时，水泥土搅拌桩的布桩间距需达到0.65m×0.65m，置换率高，成本大；

③劲性桩单桩承载力较等长的预制管桩要高60%～80%，当桩头受到较大的竖向荷载的时候，桩身首先向下产生位移，桩周土体由于采用了水泥土搅拌桩进行充分搅拌，桩周土体与桩身产生较大的向上侧摩阻力，从而使桩身轴力自上而下逐渐较小，相比管桩而言，其提供的单桩竖向承载力特征值更大且更稳定，获得单位承载力特征值的材料成本更低，相较于水泥土搅拌桩而言，其单桩承载力特征值基本不受桩身材料强度的控制（单桩承载力应小于预制管桩桩身强度），沉桩深度范围内土层侧摩阻力及桩端端阻力可充分发挥，不易造成材料浪费；作为复合地基而言，更高的单桩承载力特征值，可减小布桩间距，更容易进行桩基施工。其次，劲性桩可采用三元或二元的形式，长短桩或等芯的形式，对本工程的适应性较强。

根据对三种地基方案的对比分析可知，劲性桩复合地基适合本工程的地坪处理；适用性较强，成本适中，且单桩承载力特征值及复合地基承载力特征值较稳定。

4 劲性桩复合地基设计

4.1 劲性桩复合地基设计

本工程可选择柔刚二元复合桩，柔性桩选择水泥土搅拌桩，刚性桩选择预制混凝土管桩；层4（粉砂）作为劲性桩复合地基中刚性桩的桩端持力层。根据《劲性复合桩技术规程》（JGJ/T327-2014）采用水泥土与原状土交界面破坏及水泥土与预制桩交界面破坏双控的计算原则，分别进行试算，最终采用长短桩复合的方式，即：内芯采用6.0m长、桩径220mm的预制桩，外芯采用长度8.0m、桩径600mm的水泥土搅拌桩，布桩间距1.50m×1.50m，复合地基承载力特征值为200kPa，基本可以满足设计要求。具体方案见上表。

褥垫层可采用20cm厚级配砂石，要求压实系数不小于0.95；通过褥垫层的调整作用将一部分上部荷载传递至桩间土上，调整桩土应力比，可保证桩、土共同承担上部荷载，从而减少了基础底面处的应力集中现象。

4.2 复合地基检测

根据勘察报告所提供的劲性复合桩单桩及复合地基承载力特征值计算结果，在现场进行了单桩及复合地基承载力的载荷试验，试验结果见图2～图7。

图2 试验桩1单桩抗压极限承载力检测结果

图3 试验桩2单桩抗压极限承载力检测结果

图4 试验桩3单桩抗压极限承载力检测结果

图5 试验点1复合地基载荷试验检测结果

图6 试验点2复合地基载荷试验检测结果

图7 试验点3复合地基载荷试验检测结果

分别于试验点1～3进行了复合地基静载荷试验，复合地基极限承载力分别为 400kPa、420kPa及 440kPa；对应的复合地基承载力特征值分别为200kPa、210kPa及220kPa，复合地基静载荷试验结果亦符合设计及勘察要求，该方案可行。

4.3 复合地基沉降观测

劲性桩复合地基方案较好地解决了本工程内单位面积超载问题，地基承载力特征值可满足设计要求，但复合地基不仅仅涉及承载力的问题，沉降亦需满足设计及规范的要求，因此，在建筑物的主要位置设置沉降观测点，对施工期间及使用过程中的基础沉降进行观测，根据各个监测点的监测结果，本工程施工期间各个监测点的累计沉降量为2.35～4.26mm；本工程使用一年时间后，各个监测点的累计沉降量为4.11～7.23mm；沉降趋于稳定，沉降量符合设计及规范要求，劲性桩复合地基方案可行。