楊 藝 柴文琦 徐瑾瑾

(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江杭州 310016)

1 概述

剛?cè)峤M合樁是柔性樁(水泥攪拌樁、高壓旋噴樁等)內(nèi)插剛性樁(預(yù)應(yīng)力管樁、素混凝土樁、CFG樁、Y形樁)的一種新型的地基處理技術(shù)，是針對深厚軟基上道路的建設(shè)條件和目前的技術(shù)背景而提出的。目前剛?cè)峤M合樁還處于推廣應(yīng)用階段，其主要應(yīng)用于高等級公路橋頭處理段落與結(jié)構(gòu)物交接段落和道路平交段落。本文主要介紹了剛?cè)峤M合樁的加固原理、施工工藝等內(nèi)容，分析了剛?cè)峤M合樁這種新樁型的優(yōu)點及適用性，并提出了剛?cè)峤M合樁的單樁承載力計算方法，為剛?cè)峤M合樁的進一步推廣和類似工程提供參考。

2 剛?cè)峤M合樁加固原理和施工工藝

2.1 剛?cè)峤M合樁的加固原理

目前常用于實際工程中的剛?cè)峤M合樁是由水泥土攪拌樁［1，2］和預(yù)應(yīng)力管樁［3，4］組成，如圖1，圖2所示。成樁方式為先打設(shè)水泥攪拌樁，后通過靜壓將預(yù)應(yīng)力管樁壓入水泥土攪拌樁中，其加固原理為:利用較短的大直徑水泥攪拌樁提高組合樁側(cè)摩阻力以加固樁周土，利用高強度的預(yù)應(yīng)力管樁加固較深的軟土層，結(jié)合長短樁的布置方式和樁間距的優(yōu)化，在承擔(dān)部分豎向荷載的同時有效的減少沉降。形成剛?cè)峤M合樁后，既發(fā)揮了大直徑水泥攪拌樁加固淺層地基的經(jīng)濟優(yōu)勢，又充分應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力管樁強度高，控制沉降的技術(shù)優(yōu)勢，具有技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、施工方便等特點。

在剛?cè)峤M合樁施工完成后，在樁頂鋪設(shè)土工格柵或者鋼絲格柵和墊層，形成如圖3所示的剛?cè)峤M合樁復(fù)合地基加筋系統(tǒng)。

2.2 剛?cè)峤M合樁施工工藝

經(jīng)過現(xiàn)場實踐的不斷探索和試驗，總結(jié)出了剛?cè)嵝越M合樁的適宜組合:大直徑水泥攪拌樁與預(yù)應(yīng)力管樁的組合。待相應(yīng)施工設(shè)備進場后先打設(shè)大直徑水泥土攪拌樁，期間管樁靜壓機械交叉配套在已打設(shè)好的水泥土攪拌樁間隔選擇同心壓入靜壓管樁。其具體施工工藝如圖4所示。

圖1 現(xiàn)場剛?cè)峤M合樁

圖2 剛?cè)峤M合樁結(jié)構(gòu)示意圖

具體施工步驟如下:

1)在打設(shè)樁體之前，平整場地，以符合管樁靜壓機械對場地的要求;2)材料準(zhǔn)備，主要是水泥和預(yù)應(yīng)力管樁，管樁根據(jù)實際打設(shè)深度，選擇管樁的合適搭接深度;3)施工機械運至工地后，先安裝調(diào)試，待轉(zhuǎn)速、空氣壓力及計量設(shè)施正常后，再開始就位;4)將攪拌頭對準(zhǔn)設(shè)計樁位，啟動電機，使攪拌機沿導(dǎo)向架向下切土，同時開啟灰漿泵向土體噴水泥漿，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)，切割攪拌土體，持續(xù)下沉直到設(shè)計深度，在樁底持續(xù)噴漿攪拌不少于10 s;5)關(guān)閉灰漿泵，提升攪拌機，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，至地面下1.0 m～1.5 m時開啟灰漿泵進行二次噴漿攪拌，直至地面;6)攪拌樁機移至下一根樁樁位，重復(fù)步驟4)～步驟5)，管樁靜壓機械吊起第一節(jié)預(yù)應(yīng)力管樁對準(zhǔn)設(shè)計樁位;7)管樁施工機械應(yīng)與攪拌機械交叉施工。長樁預(yù)應(yīng)力管樁從水泥土攪拌樁中心打入，管樁應(yīng)在攪拌樁單樁施工結(jié)束24 h內(nèi)打設(shè)完成;8)人工修整搗實樁頭。

圖3 剛?cè)峤M合樁加固地基系統(tǒng)示意圖

圖4 剛?cè)峤M合樁施工工藝示意圖

3 剛?cè)峤M合樁技術(shù)特點

3.1 剛?cè)峤M合樁的優(yōu)點

剛?cè)峤M合樁的成樁技術(shù)為水泥攪拌樁中同心植入預(yù)應(yīng)力管樁。大直徑水泥攪拌樁施工機械采用常規(guī)攪拌樁機械，預(yù)應(yīng)力管樁采用靜壓樁機打入。這兩種樁的施工機械和施工工藝都已經(jīng)很成熟，因此組合樁具有較好的推廣基礎(chǔ)條件。

根據(jù)經(jīng)典土力學(xué)原理［5］，地基因上部荷載作用而產(chǎn)生的附加應(yīng)力沿地基土表面向下是逐漸遞減的，上部地基中附加應(yīng)力大，下部附加應(yīng)力相對較小。軟土中主要靠樁側(cè)摩阻力來抵消附加應(yīng)力，剛?cè)峤M合樁的幾何特性為上部較大的直徑和側(cè)表面積，下部直徑和側(cè)表面積相對小些，這與附加應(yīng)力在地基土中的傳遞路線相吻合。

由于采用一剛一柔、一長一短的組合方式，可以根據(jù)地基中軟土的厚度和持力層層頂起伏變化選擇合適的樁長，以達到提高復(fù)合地基承載力的同時控制地基的沉降和差異沉降的目的。

3.2 剛?cè)峤M合樁的適用性

與其他樁體相同，在具有較好的承載性能和沉降控制的同時，因材料性質(zhì)、地基土條件以及工程重要性等限制，剛?cè)峤M合樁也有其特定使用范圍。一般在以下條件下使用剛?cè)峤M合樁能取得更好的加固效果。首先，地基土下端需要有較好的硬土層，可作為預(yù)應(yīng)力管樁的樁端持力層;此外，如果地基土中存在兩層相對較好持力層時，可以將攪拌樁的樁端設(shè)在上層持力層中。

4 剛?cè)峤M合樁單樁承載力計算方法

對于剛?cè)峤M合樁這種新樁型的單樁承載力，目前規(guī)范［6］中并沒有具體規(guī)定。為正確反映剛?cè)峤M合樁加固軟土地基機理，準(zhǔn)確獲得單樁承載力，對承載力影響因素進行分析是很有必要的。單樁承載力主要由地基土對樁的支承作用和樁身材料強度共同決定，一般柔性樁和長徑比很大的剛性樁達到承載極限時表現(xiàn)為樁身材料的壓碎等破壞形式;隨著施工工藝的改進和各類高強度的剛性樁的應(yīng)用，復(fù)合地基的破壞越來越多的由土對樁的支承作用主導(dǎo)，具體表現(xiàn)為樁側(cè)摩阻力和樁端阻力這兩方面。

影響樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的因素主要有以下幾點［7，8］:1)樁周土的性質(zhì)和土層分布;2)樁—土相對位移;3)樁側(cè)向有效壓應(yīng)力;4)樁的幾何特征;5)樁—土界面條件。

影響樁端阻力發(fā)揮的因素主要為以下幾點［9，10］:1)樁端和樁側(cè)土層性質(zhì);2)尺寸效應(yīng);3)樁設(shè)置方法。

一般認(rèn)為剛?cè)峤M合樁發(fā)生承載破壞是由于地基土的支承不足而引起的。在分析剛?cè)峤M合樁單樁承載力時，除上述影響因素外，還應(yīng)考慮以下幾點:

1)管樁插入水泥攪拌樁中對攪拌樁的擠密作用。由于在水泥攪拌樁攪拌成樁后2 h之內(nèi)壓入預(yù)應(yīng)力管樁，此時的攪拌樁樁體強度低，基本上尚未形成堅硬的樁體，原地基土由于攪拌葉攪動和水泥漿液注入形成的水泥土固化凝結(jié)程度較低，其強度同時也比較低。因采用的是雙向攪拌法，攪拌比較均勻，對樁周土的擾動也較小，樁周土體的結(jié)構(gòu)性和強度得到了較好的保留，故而在預(yù)應(yīng)力管樁插入水泥土攪拌樁時，同一水平面上的水泥土受到徑向向外的擠壓，在樁土接觸面處受到樁周土向內(nèi)的限制，如此形成的剛?cè)峤M合樁水泥攪拌樁外包環(huán)樁的體積密實度要大于常規(guī)的水泥攪拌樁，在水泥土充分固化凝結(jié)形成強度較高的水泥攪拌樁時其樁身抗壓強度和能提供的側(cè)摩阻力也同樣大于常規(guī)水泥攪拌樁。

2)管樁同心植入水泥攪拌樁中形成土塞效應(yīng)。在分析土塞對樁周、樁端土的擠土效應(yīng)和管樁承載力影響時，現(xiàn)在普遍的觀點將土塞分為完全土塞和不完全土塞來進行闡述。根據(jù)現(xiàn)場實際剛?cè)峤M合樁成樁后采用測繩量測后發(fā)現(xiàn)25 m長預(yù)應(yīng)力管樁內(nèi)的土塞長度在3 m～5 m之間，因此可判斷剛?cè)峤M合樁在沉樁時預(yù)應(yīng)力管樁中形成了完全土塞。由于土塞的長度同時小于水泥土攪拌樁的長度，可見管樁在植入水泥土攪拌樁中時土塞就發(fā)展到了完全土塞，在水泥土攪拌樁以下深度，預(yù)應(yīng)力管樁可視為閉口管樁。

3)水泥攪拌樁與預(yù)應(yīng)力管樁協(xié)調(diào)變形情況。岳建偉等［11］的研究表明水泥攪拌樁與預(yù)應(yīng)力管樁接觸面處的摩阻力大于水泥攪拌樁自身的剪切強度，也大于預(yù)應(yīng)力管樁與樁周土接觸面處的摩阻力?？梢钥闯?，在攪拌樁樁長L1范圍內(nèi)芯樁與攪拌樁接觸面后于攪拌樁樁身破壞而發(fā)生相對滑動;攪拌樁樁長L1～芯樁長度L2范圍內(nèi)，由芯樁樁身變形連續(xù)性可知，芯樁與攪拌樁接觸面后于芯樁與樁周土接觸面發(fā)生相對滑動，所以水泥攪拌樁與預(yù)應(yīng)力管樁協(xié)調(diào)變形可以得到保證。

考慮上述影響剛?cè)峤M合樁的因素，結(jié)合國內(nèi)外類似樁型承載力計算公式，給出剛?cè)峤M合樁單樁承載力計算公式:

其中，u1，u2分別為水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁樁身周長;Ap為樁長范圍內(nèi)，第i層地基土的厚度;Ap為預(yù)應(yīng)力管樁樁身截面面積，按閉口管樁計算;ζ為考慮預(yù)應(yīng)力管樁沉樁過程擠密水泥攪拌樁，水泥攪拌樁側(cè)摩阻力的提高系數(shù)，取1.05～1.10;qsi為深度0～L1內(nèi)第i層地基土與水泥攪拌樁樁側(cè)摩阻力;qsi′為深度L1～L2內(nèi)第i層地基土與預(yù)應(yīng)力管樁樁側(cè)摩阻力;qu為預(yù)應(yīng)力管樁樁端承載力。

5 結(jié)語

通過對剛?cè)峤M合樁在深厚軟基路堤中的應(yīng)用情況介紹，得到如下結(jié)論:1)剛?cè)峤M合樁兼有剛性樁和柔性樁的優(yōu)點，經(jīng)濟、技術(shù)優(yōu)勢明顯，施工工藝簡單成熟;2)剛?cè)峤M合樁適用于地基土下端有較好的硬土層，作為預(yù)應(yīng)力管樁的樁端持力層，尤其適用于地基土中存在兩層相對較好持力層，可將攪拌樁的樁端設(shè)在上層持力層中;3)在充分考慮剛?cè)峤M合樁單樁承載力影響因素的基礎(chǔ)上，提出了剛?cè)峤M合樁單樁承載力計算方法。

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