刚-柔性长短桩复合地基在软基处理中的应用分析

张芳芳，张 丹

(1.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088；2.河南理工大学机械与动力工程学院，河南 焦作 454003)

1 概述

淮河流域中下游平原地区地层大多为河湖相沉积，以淤泥和淤泥质壤土为代表的软土广泛分布。此类土体主要的工程特性是含水量高、孔隙比大、压缩模量高、强度低及触变性、流变性等。因此，软土地基的强度和变形问题是制约工程安全最为关键和重要的因素[1]。

针对此类软土地基，常规的换填垫层法、强力夯实法在施工工艺、处理深度等方面无法满足要求，水利工程常用的处理方式包括桩基础和复合地基两大类。其中，桩基础主要有钻孔灌注桩、混凝土预制桩等，该方式对提高地基承载力、约束沉降变形效果较好，但工程造价较高。复合地基主要有水泥土搅拌桩复合地基、CFG桩复合地基、振碎石桩复合地基等，此类单一复合地基处理方式在地基承载力增加幅度、加固深度等方面往往受限[2]。刚-柔性长短桩复合地基综合了以上处理方式的优点，柔性短桩增强浅层地基、协调平面变形，刚性长桩全深度加固土体并控制竖向沉降变形，充分发挥桩间土体的承载能力，满足了建筑物对地基强度、变形控制等方面的要求[3]。

随着科学技术、施工工艺的进步，刚-柔性长短桩复合地基近年开始在国内应用。杨军龙等[4]研究了长短桩复合地基的作用机理和沉降规律，提出了两种不同模式对应的沉降计算方法；匡成华[5]等针对深厚软土地基，提出了刚-柔性桩与格构墙复合地基，探讨了其加固模式及处理效果；葛忻声、龚晓南[6]等围绕某商住楼钢筋混凝土桩与水泥土搅拌桩相结合的复合地基探讨了长短桩复合地基稳定和沉降计算方法。复合地基桩土间相互作用、沉降规律本身是较为复杂的课题，目前仍在进一步发展和探索中[7]。本文以淤泥质土基上陈郢站工程为例，提出了预应力混凝土管桩与水泥土搅拌桩相结合的刚-柔性长短桩复合地基处理措施，并通过合理的承载力验算、沉降计算论证了其处理效果有效、可靠，可为类似工程的基础处理提供参考依据。

2 刚-柔性长短桩复合地基基本原理

2.1 作用机理

刚-柔性长短桩复合地基是指以刚性长桩和柔性短桩共同作为竖向增强体的复合地基[8]，如图1所示。此类复合地基较好地融合了桩基减沉和单一复合地基提高承载力的优点，刚性长桩深入低压缩性的持力层，通过桩身将基底应力传至持力层，达到减沉效果[9]；柔性短桩有效加固浅层软土，同时协调桩间土体的侧向变形，提高基础的整体稳定性[10]。刚-柔性长短桩结合运用，发挥各自的工程优势，增强土体强度，控制沉降变形，并较大程度地降低了工程造价，不矢为一项技术可行、可靠经济的处理措施。

图1 刚-柔性长短桩复合地基示意图

2.2 复合地基承载力验算

根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》，具有粘结强度的刚-柔性长短桩复合地基承载力特征值按下式(1)计算[11]。

(1)

式中，m1、m2—分别为刚性桩、柔性桩的面积置换率；λ1、λ2—分别为刚性桩、柔性桩的单桩承载力发挥系数，据工程经验取值；Ra1、Ra2—分别为刚性桩、柔性桩的单桩承载力特征值，kN；Ap1、Ap2—分别为刚性桩、柔性桩的截面面积，m2；β—桩间土承载力发挥系数，结合经验取值0.95；fsk—处理后复合地基桩间土承载力特征值，kPa；单桩承载力特征值设计时根据桩周土侧阻力特征值与桩端端阻力特征值计算所得，同时不应小于由桩身材料确定的抗压强度[12-13]。

2.3 复合地基沉降计算

刚-柔性长短桩复合地基沉降(s)应由垫层压缩量、加固区压缩量(s1)和下卧土层压缩量(s2)组成，复合地基分区参见示意图1。通常垫层压缩量很小，且在实际施工过程已基本完成，可忽略不计；加固区压缩变形量(s1)由长、短桩共同加固范围内复合土层压缩量和短桩以下只有长桩部分复合土层压缩量组成[14]。因此，刚-柔性长短桩复合地基沉降宜按下式(2)计算：

s=s1+s2

(2)

目前，复合地基沉降变形理论研究并不完善，其关键在于加固区复合地基模量的确定，工程实践中较为认可的有等效地基和加权模量两种方法。

(1)等效地基法

将刚柔性长短桩复合地基等效为天然地基，考虑桩土作用关系及模量相关性，长短桩复合加固区、仅长桩加固区压缩模量提高系数分别按下式(3)、(4)计算[15]：

(3)

(4)

式中，fspk、fspk1—分别为长短桩共同加固区和只有长桩加固区的复合地基承载力特征值，kPa；fak—基础底面以下天然地基地基承载力特征值，kPa；ξ1、ξ2—分别为长短桩共同加固区和只有长桩加固区的复合地基压缩模量提高系数；

(2)加权模量法

假定复合地基中桩土作用时变形协调，根据长短桩面积置换率确定各加固区复合模量。

长短桩共同加固区复合模量：Esp1=m1Ep1+m2Ep2+(1-m1-m2)Es

只有长桩加固区复合模量：Esp2=m1Ep1+(1-m1)Es

式中，Ep1、Ep2、Es分别为长桩、短桩和桩间土的压缩模量。

加权模量法是根据桩体材料压缩模量结合置换率得到的复合模量，比较适用于柔性桩，但不能准确反映刚-柔性长短桩的作用情况。工程实践中，刚-柔性长短桩复合地基中刚性桩体对褥垫层及加固区下卧层均存在一定的刺入效应，桩体的压缩模量应由桩体材料和土体压缩模量共同决定[16]。

相比较而言，等效地基法能更为准确地表达桩土之间的作用关系，更接近实际情况。

3 工程实例

3.1 工程概况

本次拟定新建陈郢排涝站位于蚌埠市中环线西侧约410m，淮河堤坝附近新挖的排涝沟上。该站主要功能为抽排、自排，设计抽排流量54.40m3/s，自排流量62.40m3/s，总装机6000kW，其主要建筑物级别为2级。泵站采用正向进、出水，主要建筑物包括排涝引渠、进水闸、前池、泵房、排涝出水涵等。

文章选取陈郢站站身为例，对其地基处理进行深入分析。陈郢站站身采用堤后干室型布置方式，为整体式筏式基础。泵房内布置6台1600ZLB-70立式轴流泵，其中3台机组一联，站身顺水流向长度为28.7m，垂直水流方向(含安装间)总宽49.82m。

3.2 地质条件

根据地质勘探及室内试验成果，站身建基面高程(1985国家基准高程，下同)为8.90m，其下地层分布如图2所示，图中高程单位为m，其余单位均为mm。相应地，各土层主要物理力学性能指标见表1。

表1 站址处建基面以下地层分布及参数特性表

图2 站身处地质纵剖面图

③层淤泥质重粉质壤土，软塑为主，属高压缩性，强度低、沉降变形大；④层重粉质壤土强度尚可，硬可塑，属中层压缩性；④1层中粉质壤土强度较低，软塑～软可塑，属中等偏高压缩性，对建筑物沉降不利；⑤层粉细砂，⑥1层混合花岗岩强度均较高，宜作桩基础桩端持力层。

3.3 刚-柔性长短桩复合地基加固方案

陈郢站站身座落于③层淤泥质重粉质壤土上，该层土属高压缩性，地基承载力仅为70kPa，天然地基无法满足站身稳定要求。③层与下部④1层中粉质壤土相对软土层间隔约3.4m厚的④层重粉质壤土，为典型的多层软土地基。结合以往的工程经验，选用预应力混凝土管桩与水泥土搅拌桩相结合的刚-柔性长短桩复合地基处理措施，桩顶设0.5m厚的塑性砼褥垫层。具体布置型式为：

预应力混凝土管桩，桩径0.4m，桩距2.4m×2.4m，桩底伸入⑤层粉细砂不小于1.5m，平均桩长18.8m；水泥土搅拌桩，桩径0.5m，桩距1.2m×1.2m，桩底伸入④层重粉质壤土不小于1.0m，平均桩长4.7m。预应力管桩与水泥土搅拌桩平面上均呈矩形排列，管桩与搅拌桩总体上间隔布置，保证每根管桩四边都被搅拌桩包围，充分约束软土的侧向变形。另外，沿建筑物外轮廓线设置双排水泥土搅拌桩墙，其内布置搅拌桩格构墙，增强基础的整体稳定性。站身基础桩位布置纵剖面及平面图如图3—4所示，图中高程单位为m，其余单位均为mm。

图3 刚-柔性长短桩复合地基纵剖面图

图4 刚-柔性长短桩复合地基平面布置图

3.4 复合地基承载力验算

泵房内共布置6台机组，其中3台机组一联，本节选取站身单块结构作为计算模型，平面尺寸为28.7m(顺水流向)×21.9m(垂直水流向)。根据GB 50265—2022《泵站设计标准》7.3.9条款[17]，结合其结构布置及受力情况计算得陈郢站站身平均基底应力为129.5kPa，最大基底应力为150.5kPa。

根据2.2节多桩型复合地基承载力计算方法，得出陈郢站站身采用预应力混凝土管桩与水泥土搅拌桩加固后，复合地基承载力为217.9kPa，具体成果见表2。即站身基底平均应力小于复合地基允许承载力，且基底应力最大值小于复合地基允许承载力的1.2倍，此加固方式大幅提高了软土地基承载力，满足地基强度要求。

表2 站身复合地基承载力验算

3.5 复合地基沉降计算

结合上节对两种沉降计算理论的分析，等效地基法更能准确反应桩土之间的相互作用关系，本文选用等效地基法对陈郢站站身进行沉降分析，根据基础加固前后地基承载力的提高程度确定复合地基土体的压缩模量，计算得出各区域沉降值，成果见表3。

表3 站身复合地基沉降计算

基础加固处理前，软土地基上站身总沉降值为319.3mm，基础变形量大，主体结构易产生裂缝甚至结构破坏。采用预应力混凝土管桩与水泥土搅拌桩相结合的刚-柔性长短桩复合地基处理后，站身沉降量减小为80.7mm；同理，计算得出泵站其他部位沉降量为40.6mm～69.2mm。管桩将上部荷载传递至⑤层粉细砂持力层，有效控制了压缩变形，总沉降量大幅降低，满足泵站主要建筑物沉降量小于150mm、相邻部位沉降差不大于50mm的规范要求。同时，柔性水泥土搅拌桩协调基础的平面变形，增强建筑物的整体稳定性。

3.6 复合地基施工工艺

建筑物基础底板与桩体顶部之间铺设0.5m厚的塑性砼褥垫层，水泥搅拌桩桩顶高程与褥垫层底面平齐，预应力混凝土管桩桩顶伸入褥垫层内0.3m。为减小刚性桩的挤土效应，具体实施时场地平整后，应先施工预应力混凝土管桩，后浇筑水泥土搅拌桩；桩体实施完工，基坑开挖过程中应注意保护桩体不受损坏，基坑开挖后及时铺设褥垫层。

预应力混凝土管桩的制作、运输、施工应参照《先张法预应力混凝土管桩》等执行，打桩顺序应由中间向两方向或四周对称施打，并由毗邻建筑物一侧向另一方向施打。沉桩宜采用静压法，每根桩应一次性连续压到底，接桩、送桩应连续。预制管桩内回填砂料、桩头0.5m深度范围内采用C25混凝土封堵，浇筑填芯砼前应将管壁浮浆清除干净，并涂刷界面剂。

水泥土搅拌桩施工应参照《建筑地基处理技术规范》等执行，可采用二搅二喷施工工艺，即按桩机定位、切土下沉、提升搅拌、切土下沉、二次提升搅拌的流程实施。搅拌头翼片的枚数、宽度与搅拌轴的夹角、提升速度等相匹配，以保证土体加固范围任一点至少搅拌20次。停灰面应高于设计桩顶高程0.3m～0.5m，开挖时可将顶端浇筑质量较差的桩段挖除。搅拌桩的垂直度偏差不得超过1%，桩位偏差不得大于150mm[18]。

塑性混凝土褥垫层铺设范围一般超出建筑物外轮廓线边缘1.0m，褥垫层设计压实度不小于0.95。

4 结语

(1)对于平原地区河湖相沉积的软土地基，水利工程中单一的复合地基处理方式处理深度和效果较为局限。本文提出了刚-柔性长短桩复合地基处理措施，两种桩型结合运用，共同增强土体强度，控制沉降，提高基础整体稳定性，技术可行，经济可靠。

(2)以陈郢站为例，文章采用多桩型复合地基理论及等效地基法分别计算了刚-柔性长短桩复合地基承载力及沉降变形，验证了柔性短桩增强浅层地基、控制侧向变形，刚性长桩全深度加固土体并控制沉降变形。以上措施为类似软基上泵站、水闸等建筑物的基础处理提供借鉴[19]。

(3)文章所举实例陈郢站工程地基处理方案已经审批同意，后期项目实施或投入运用后，应注意收集复合地基压板检测数据及沉降观测资料，进一步佐证理论计算结果的准确性。