劲性复合桩在水闸软土地基中的研究

2023-03-23罗浩

东北水利水电 2023年3期

罗浩

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

在水利工程中，当建筑物遇到承载力较差或沉降较大的软弱地基，往往需要进行地基处理。当软弱土层较厚或只有在较深处才有能满足承载力要求的持力层时，地基处理的方式可采用桩基础，桩型有预制桩、灌注桩等。当上部荷载不是很大时，可在软土层内打孔，然后回填适当的土石料或掺和料，形成刚度比四周软土大的土质桩，土质桩不能完全承担建筑物的全部荷载，而是与四周土共同承受建筑物的荷载，即复合地基，常见形式为水泥土搅拌桩复合地基[1]。近年来，工程地基处理上兴起一种新型桩，即劲性复合桩。它是将散体材料桩、柔性水泥土类桩和刚性混凝土桩根据不同的地基土质选择相应的组合而形成的一种复合桩型，在淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土及人工填土等地基处理中得到较好的应用。劲性复合桩结合了刚性混凝土桩和水泥土拌合桩的优点，在提高软土地基承载力、控制变形沉降方面，有其独特的优势[2]。本文结合某水闸建筑物，对各类桩在软弱地基处理上进行对照比选，阐述劲性复合桩在地基处理中的优势，对工程设计推广和应用具有重要意义。

1 劲性复合桩原理

劲性复合桩桩侧破坏面位于内、外芯界面时，基桩竖向抗压承载力特征值可按下式计算[3]：

式中：Ra为单桩竖向抗压承载力特征值，kN；uc为劲性复合桩内芯桩身周长，m；为劲性复合桩复合段内芯侧阻力特征值；lc为劲性复合桩复合段长度，m；为劲性复合性内芯桩端土的端阻力特征值，kPa；为劲性复合桩内芯桩身截面积，m2。

劲性复合桩桩侧破坏面位于外芯和桩周土的界面时，基桩竖向抗压承载力特征值可按下式计算：

式中：u为劲性复合桩复合段桩身周长，m；ξsi，ξp分别为劲性复合桩复合段外芯第i土层侧阻力调整系数、端阻力调整系数，宜按地区经验取值；qsia为劲性复合桩复合段外芯第i土层侧阻力特征值，kPa；li为劲性复合桩复合段第i土层厚度，m；α为劲性复合桩桩端天然地基土承载力折减系数，对柔刚复合桩可取0.70～0.90；qpa为劲性复合桩端阻力特征值，kPa；Ap为劲性复合桩桩身截面积，m2。

根据JGJ/T 327-2014《劲性复合桩技术规程》，对等芯柔刚复合桩单桩竖向抗压承载力特征值可按公式（1）和（2）计算并取其中的小值。

2 工程布置及地质情况

2.1 工程布置

新建水闸场地位于长江三角洲平原区，紧邻长江。当内河河道水位高于常水位时，趁长江低潮打开闸门排水，排至常水位时关闸；当长江高潮时关闭闸门。水闸建筑物整体组成主要有闸室、内外河消力池、内外河海漫、内外河防冲槽、长江侧交通桥及两岸江堤。其中，闸室采用带胸墙的坞式结构，闸室长20.00 m，净宽10.00 m，底板顶高程-2.00 m，厚1.50 m，闸室两侧墩墙顶高程7.34 m，厚1.50 m，水闸纵剖面图见图1。

图1 水闸闸室纵剖面图（单位：m）

2.2 工程地质

水闸场地沿线地貌类型为新三角洲与江心洲。根据现场踏勘，现状河口宽近40.00 m，河底高程一般-1.00～-1.40 m，两岸多有直立挡墙护岸，入长江口处局部为浆砌块石护岸；两岸陆域地势较平坦，地面高程一般4.00～5.00 m。根据现场钻孔观测，地下水位高程为1.00～2.00 m。工程区Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度值为0.10 g，相应的地震基本烈度为7 度，场地地层分布相对稳定，场地类别为Ⅲ类。水闸底板直接坐落于①2 层黏质粉土上，从上至下分布有③1，③2，③2b 和③3 土层，均为砂质粉土。根据地勘报告，各土层的具体性状描述如下。

①2 层：灰、褐灰、黄灰色黏质粉土，夹淤泥质粉质黏土，局部互层，为新近沉积土。分布于水域浅部，层厚0.60～2.60 m。稍密（或流塑）状，中～高压缩性，力学强度低。

③1 层：灰色砂质粉土、黏质粉土，夹粉质黏土薄层，局部互层，含云母片。主要分布于场地南部新闸址部位，揭示层厚0.50～8.60 m。稍密～中密状态，中压缩性，力学强度一般。

③2 层：灰色砂质粉土，局部粉砂、细砂，夹粉质黏土薄层，含云母片。场地普遍分布，层厚4.40～10.20 m。中密状态为主，中压缩性，力学强度中等。

③2b 层：灰、灰褐色砂质粉土、黏质粉土，局部粉砂，夹淤泥质粉质黏土，多呈互层状。场地普遍分布，层厚1.00～8.40 m。稍密～中密状态，力学强度一般。

③3 层：灰色砂质粉土，局部粉砂、细砂，夹粉质黏土薄层，含云母片。深孔均有揭示，揭示厚3.70～14.60 m。中密～密实状态，中压缩性，力学强度较高。

各土层压缩系数、压缩模量、允许承载力、水泥土搅拌桩及桩基设计参数建议值见表1。

表1 工程地质勘察综合成果建议值表

3 地基处理方案比选

根据水闸稳定计算成果，其在完建期竖向合力最大，平均基底应力达到131.25 kPa，远大于地基土允许承载力60.00 kPa，因此需对地基进行技术处理以满足设计要求。针对水闸地基土层实际分布情况，结合JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》和JGJ/T 327-2014《劲性复合桩技术规程》相关条文规定，拟定预制方桩、钻孔灌注桩、水泥搅拌桩和劲性复合桩4 种地基处理方案，并进行经济技术比较，以确定最优方案。

3.1 预制方桩

预制方桩是水工建筑物地基处理常见的方式之一，根据JGJ 94-2008 有关条文，预制方桩Ra计算公式如下：

式中：qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；qpk为极限端阻力标准值，kPa。

根据水闸稳定计算成果，其在完建期竖向合力最大，达到34 125.00 kN。结合JGJ 94-2008 有关条文规定和水闸场地实际情况，桩采用C30 钢筋混凝土预制方桩，截面尺寸350 mm×350 mm，长10.00 m，间距1 400 mm×1 400 mm，共布置126根。由水闸所在位置地层参数可知，桩身穿过①2层和③1 层，最终深入③2 层。经计算，单根桩竖向承载力特征值为290.33 kN，而最大平均单桩竖向力为270.83 kN；闸室沉降7.1 cm，小于规范允许值15.0 cm。综上所述，预制桩布置方案满足地基设计要求。

3.2 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩施工操作较为简便且技术成熟度较高，在水利工程中得到广泛应用[4]。钻孔灌注桩单桩竖向承载力特征值计算原理同预制方桩。

根据水闸稳定计算成果，最大竖向合力为34 125.00 kN。结合JGJ 94-2008 有关条文规定和水闸场地实际情况，桩采用C30 钢筋混凝土灌注桩，截面直径800 mm，长15.00 m，间距2 600 mm×2 600 mm，共布置40 根。由水闸所在位置地层参数可知，桩身穿过①2，③1 层，③2 和③2b，最终深入③3 土层。经计算，单根桩竖向承载力特征值为929.47 kN，而最大平均单桩竖向力为853.11 kN；闸室沉降5.2 cm，小于规范允许值15.0 cm。综上所述，钻孔灌注桩布置方案满足地基设计要求。

3.3 劲性复合桩

劲性复合桩是近年来在水利工程中兴起的一种新型软基处理方式。根据JGJ/T 327-2014 有关条文，劲性复合桩复合地基承载力特征值按下式计算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；λ为单桩承载力发挥系数，取0.95～1.00；m为面积置换率；Ra按公式（1）（2）计算；Ap为桩的截面积，m2；β为桩间土承载力发挥系数，取0.80～1.00；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，取①2 层允许承载力60.00 kPa。

根据水闸稳定计算成果，其在完建期竖向合力最大，达到34 125.00 kN。结合JGJ/T 327-2014有关条文规定和水闸场地实际情况，劲性复合桩采用等芯柔刚复合桩，外层采用直径700 mm 的水泥土搅拌桩，水泥掺入量为20%，桩身水泥土的28 d 抗压强度取不小于1.200 MPa，外层为柔性桩；桩体内芯为直径220 mm 的素混凝土桩，标号为C30，为刚性桩；桩长9.00 m，间距1 200 mm×1 200 mm，共布置154 根。由水闸所在位置地层参数可知，桩身穿过①2 层和③1 层，最终深入③2 层。经计算，单根桩竖向承载力特征值为139.65 kPa，而最大基底平均应力为131.25 kPa；闸室沉降8.3 cm，小于规范允许值15.0 cm。综上所述，劲性复合桩布置方案满足地基设计要求。

3.4 水泥搅拌桩

水泥搅拌桩作为一种软弱地基处理方式，在水工建筑物地基处理中得到广泛应用[5]。根据JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》有关条文，水泥搅拌桩复合地基承载力特征值计算公式同劲性复合桩公式（4）。

根据水闸稳定计算成果，最大竖向合力为34 125.00 kN。该工程的水泥土搅拌桩地基处理方案参数：直径700 mm，间距1 200 mm×1 200 mm，长15.00 m，共154 根。由水闸所在位置地层参数可知，桩身穿过①2，③1，③2 和③2b，最终深入③3土层。搅拌桩设计水泥掺量采用20%，桩身水泥土28 d 抗压强度取不小于1.200 MPa。经计算，处理后的复合地基承载力为115.15 kPa，而最大基底平均应力为131.25 kN，不满足地基承载力要求，因此方案不可行。