珠海横琴软土地基处理中素混凝土桩复合地基的应用研究

1 素混凝土桩复合地基技术

素混凝土复合地基技术是通过将中砂、水泥等材料加入碎石桩，并进行搅拌处理，进而形成具有较高黏结度和刚性的桩体，以此提高软土地基承载能力，更好地满足工程建设要求[1]。素混凝土桩复合地基结构如图1 所示， 图1 中A 处放大图如图2 所示，桩尖为等间距排列，中间通过半球加固提高了整体稳定性。

图1 素混凝土桩复合地基结构

图2 图1 中A处放大图

2 案例分析

2.1 工程概况

本文以珠海横琴新区道路工程项目为例， 针对素混凝土桩复合地基技术应用展开分析。 案例工程项目所处区域为软土地基，主要成分为黏性土、花岗岩石块等，区域整体结构疏松、含水量较大，且结构不均匀，承载能力较差。

【作者简介】程晓航（1980~），男，湖北武汉人，高级工程师，从事软土基础上的水工建筑物、生态景观研究。

2.2 软土地基

经现场地质勘查， 发现案例工程项目沉积层软土厚度较大，其中淤泥层埋深一般，但平均厚度约13.41 m；而淤泥质土埋深较深、厚度较大，平均厚度为15.21 m。 详细的土壤承载力特征值、压缩模量等参数信息如表1 所示。 此次项目施工主要针对地下淤泥软土层展开， 该软土层厚度较大， 且含水量较高、孔隙度大、强度较低、灵敏性高，因此流动性较强，触变明显，易发生路基失稳的情况。

表1 岩土层参数

2.3 地基方案设计

经过多方参与研究， 最终采用素混凝土桩复合地基技术对案例工程项目软土地基进行处理。 基于此展开素混凝土桩复合地基设计，主要设计内容包括桩长、桩径、排距、桩身强度及承载力特征值等。

2.3.1 桩身设计

1）桩长。 桩长是复合地基设计过程中的主要参数，需要根据工程项目对于地基承载力、变形要求，以及施工现场土质情况等合理确定。 结合案例工程项目前期勘察结果以及工程建设要求，明确各土层实际工程性能参数，最终选择淤泥深度较大的区域作为确定桩长的基础参数。最终确定孔口高程、桩顶标高及桩长等分别为5.0 m，1.5 m，23.0 m，加固淤泥的厚度为21.7 m。

2）桩径。 桩径大小需要根据实际承载力要求及施工设备情况确定。 此次工程项目选用长螺旋钻孔施工方式，配合管内泵压混凝土。基于此，桩径大小确定为40 cm，要求桩身混凝土强度等级为C15， 使用的水泥为强度等级42.5 以上的普通硅酸盐水泥。

3）排距。 结合前期岩土勘察报告及桩长、桩径要求，布桩方式采用正方形，桩间距控制为1.8 m。

4）褥垫层。 褥垫层位于桩帽顶部，主要由砂石、矿石、卵石等透水性材料构成， 主要功能是确保桩体能够与土层共同承担上部荷载。褥垫层厚度应控制在15~30 cm。下放桩帽采用强度等级为C25 的混凝土材料， 并在桩帽上方设置碎石和土工格室。

2.3.2 承载力特征值计算

承载力特征值计算主要包括单桩和复合桩两个部分。1）单桩承载力特征值，计算式如下：

式中，R 为单桩承载力特征值，kN；U 为桩周长，m；qsi为桩周侧阻力特征值，kPa；l 为桩长，m；α 为桩端天然地基上的承载力折减系数；A 为桩横截面积，m2；fak为桩端天然地基上的承载力特征值，kPa。

结合相关勘测资料以及桩身设计参数，明确式（1）中的参数。 其中，填筑层桩长为1 m，淤泥层桩桩长21.8 m，桩端天然地基承载力折减系数取值0.8，淤泥层承载力为50 kPa。 经计算，得到单桩承载力为237.8 kN。

2）复合地基承载力特征值，计算式如下[2]：

式中，F 为复合地基承载力特征值，kPa；m 为桩土置换率；β 为桩间土承载力折减系数；Fs为桩间土承载力标准值，kPa。

根据相关资料显示，桩间土承载力标准值取值50 kPa，桩间土承载力折减系数取值0.8。 经计算，得到复合地基承载力特征值为130.6 kPa。

2.3.3 沉降计算

沉降计算主要是为确定复合地基设计的合理性及安全性。 根据相关标准规范可知，荷载作用下复合地基沉降量主要包括地基加固区沉降、加固区下卧层沉降及褥垫层沉降，由于褥垫层在荷载作用下形变量较小，通常可以忽略。

当前加固区沉降量的常用计算方法包括力修正法、 复合模量法等。 为便于计算，此次分析过程中选用相对简便的复合模量法。 该方法的主要原理是将桩体与原土体作为一个整体，通过计算对整个复合土体部分的沉降量进行分析。 加固区沉降变形计算式如下：

式中，S 为复合地基加固区沉降变形，mm；ψ 为复合地基加固区复合土层压缩变形量计算经验系数；n 为地基沉降计算深度范围内的土层总数；Δpi为第i 层土的平均附加应力增量，kPa；Ei为第i 层土的压缩模量，MPa；Li为第i 层土体的厚度，m；Epi为第i 层桩体压缩模量，MPa；Esi为第i 层土体桩间土的压缩模量，MPa。

根据相关资料及复合地基类型，确定ψ 取值为1；Esi按照天然地基压缩模量进行计算； 桩顶附加应力主要包括车辆荷载、道路结构荷载等，按照70 kPa 计算。经计算，得到案例工程项目复合地基加固区沉降形变量为46.3 mm。

下卧层沉降变形采用的是分层综合法，相应计算公式为：

式中，s 为复合地基加固区下卧层沉降变形，mm；ψS为沉降变形计算经验系数；p0为基础底面附加压力，kPa；zi为基础底面至相应土层的距离，m；ai为基础底面计算点至相应土层底面范围内平均附加应力系数。

经计算，得到下卧层沉降变形为196.5 mm。

根据上述计算可知，案例工程项目地基总沉降量为46.3+196.5=242.8 mm，小于规范要求的500 mm，由此可知，此次复合地基方案设计符合相关标准。

2.4 现场检测结果

在完成素混凝土桩复合地基设计和施工后， 需对桩体进行现场检测，主要检测内容包括桩身完整性、承载力等方面。其中桩身检测采用低应变法， 桩身承载力选用抗压静载试验和平板荷载试验。 低应变法检测结果显示桩身完整性符合要求。 单桩竖向静压静载试验结果显示，单桩竖向抗压承载力特征值均大于490 kN，复合桩地基承载力特征值均大于150 kPa，试验表明， 此次案例项目中素混凝土桩复合地基均符合规范标准，具有较高的可靠性。

3 素混凝土桩复合地基应用要点

3.1 质量控制措施

素混凝土桩复合地基施工质量控制措施如下：（1）做好前期工程勘察，确保相关数据参数和信息准确可靠，为后续方案设计奠定良好基础；（2）提前预留保护土层，确保厚度在300 mm以上，场地平整高差不超过100 mm；（3）混凝土坍落度要求控制在160~200 mm；（4）施工完成后2 周左右，需及时组织技术人员展开技术检测，确保检测过程规范、科学；（5）加强枪褥垫层密度控制， 确保压实度在93%以上， 反复多次进行碾压处理；（6）桩体混凝土灌注高度应超过设计高度500 mm，以此保障浇筑施工质量。

3.2 关键注意事项

软土地基素混凝土桩复合地基施工注意事项如下：（1）基于软土地基自身特点， 钻孔施工时可能出现孔隙水压短暂上升的情况，甚至存在缩孔风险，影响施工质量和进度。 对此，在钻孔过程中若发现上述情况，应暂停施工，解决相应问题后方可继续施工。 （2）为避免混凝土泵送过程中出现夹空问题，要求料斗内混凝土高度应在4 m 以上。 （3）混凝土灌注施工应连续进行，控制好工序衔接，避免中断。 （4）在清理桩间土的过程中，为避免损坏桩体，扰动土体，应进行人工处理。 （5）成桩之后需及时清理混凝土泵，避免后续施工过程中设备堵塞，影响工程质量[3]。

4 结语