匡成華，吳彥青

(安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)

1 概述

在水利工程中，對有一定深度的軟土地基主要采用復(fù)合地基加固、樁基兩類處理方式，水利工程建筑物對地基有防滲要求，采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理，既保證建筑物底板與地基土間緊密結(jié)合，又能滿足工程對地基防滲能力及承載力的要求，因此水泥土攪拌樁處理是工程中較常用的復(fù)合地基加固措施。由于水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理在土層深度超過12～15m后，基礎(chǔ)加固處理效果減弱，因此對深度大于15m的深厚軟土地基采用該措施難以達(dá)到提高建筑物地基強度與變形控制雙重要求。

對于軟土深度大于15m的地基可采用剛性樁處理穿過深厚軟土層，進入持力層，滿足承載力和沉降控制要求，但剛性樁周軟土的沉降可能超過基樁的沉降，致使建筑物底板與地基土層之間脫空產(chǎn)生空隙，從而形成集中滲流通道，需布設(shè)垂直截滲控制措施對基礎(chǔ)截滲。另一方面，在多種荷載影響下，剛性樁樁基的水平位移往往較大，進而帶動水工建筑物的水平位移，如臨空面較高的擋土結(jié)構(gòu)地基采用剛性樁基處理，仍需解決地基整體穩(wěn)定問題。因而，在剛性樁地基處理中常需增加樁間土固化措施，控制樁體水平位移，從而增強地基的整體穩(wěn)定性。剛性樁可以有效保證深厚軟土地基的加固深度，但在發(fā)揮天然地基整體作用、增強天然地基整體穩(wěn)定性方面作用較弱，而同時需要與其他地基處理方式結(jié)合使用，以增強天然基礎(chǔ)強度和整體穩(wěn)定性。

在長江大堤無為段I級堤防上的劉拐斗門涵洞的地基處理中，涵洞底部地基為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土，承載力低、壓縮性大，并且軟土層厚度達(dá)到近30m，這種工程既需要保證地基強度滿足要求，又需要防止建筑物產(chǎn)生位移、并且減少處理過程中對土基整體穩(wěn)定性的影響，傳統(tǒng)處理方式很難滿足設(shè)計要求。因此針對這類深度大于15m的軟土地基，本文以加固天然地基、約束軟土地基垂直與水平變形為目標(biāo)，將剛-柔性樁組合復(fù)合地基與格構(gòu)墻技術(shù)相組合，創(chuàng)新性提出深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基，將剛性樁與柔性樁間隔布置，分深、淺層加固軟土地基，同時利用水泥土攪拌樁形成格構(gòu)墻，對軟土地基圍固，二者結(jié)合，既增強了建筑物地基強度，又提高了復(fù)合地基整體作用和抗變形能力。

深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用現(xiàn)有資料無法對其受力機理進行針對性分析研究。為了合理構(gòu)造該新型地基處理方式，本文從水泥土攪拌樁格構(gòu)墻布置、剛性樁與柔性樁作用分擔(dān)比、深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基布置方式等三個關(guān)鍵點開展分析，合理確定復(fù)合地基中剛-柔性樁與格構(gòu)墻布置。

2 水泥土攪拌樁格構(gòu)墻布置

基于軟弱地基蠕變特征與破壞原理，提出了以水泥土攪拌樁形成的格構(gòu)墻為處理措施，約束土體蠕變，解決軟土蠕變引起的地基強度下降與變形增大問題。針對格構(gòu)墻的深度與布置等開展分析，為深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基分析提供依據(jù)。

2.1 格構(gòu)墻處理深度分析

2.1.1以地基整體穩(wěn)定原則確定

軟土地基常見的破壞型式是穩(wěn)定性破壞，表現(xiàn)為滑坡、基坑隆起、結(jié)構(gòu)歪斜或傾覆等。格構(gòu)墻作用是加固地基滿足地基整體穩(wěn)定要求。當(dāng)水利建筑物地基的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)不到規(guī)范所規(guī)定的允許最小值時，水泥攪拌樁的處理深度需要到最危險滑弧面以下1.5～2m左右,采用水泥土攪拌樁處理后，應(yīng)重新復(fù)核地基的抗滑穩(wěn)定。

格構(gòu)墻處理地基的抗滑穩(wěn)定計算通常采用通過基底土層的圓弧滑動面驗算，不計支撐作用時，其安全系數(shù)要求不低于1.25。格構(gòu)墻處理地基抗滑穩(wěn)定可采用瑞典圓弧法或簡化畢肖普法分析計算，地基上建筑物荷載作為附加荷載作用在地基上。計算公式如下：

(1)瑞典圓弧法：

(1)

式中，Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Wi—土條重力,kN；ci—土的凝聚力，kPa；li—土條的圓弧長度，m；αi—土條底面中點至圓心的連線與垂直線的夾角，(°)；φi—土的內(nèi)摩擦角，(°)。

(2)簡化畢肖普法：

(2)

(3)

式中，F(xiàn)s—安全系數(shù)；mai—第i個條塊的計算系數(shù)，kN；αi—第i個條塊底部的傾角，(°)；Wi—第i個條塊的重量，kN；ci—第i個條塊的凝聚力，kPa；bi—第i個條塊的長度，m。

(3)基坑抗隆起驗算

建筑物基礎(chǔ)土體隆起驗算可采用四種方法，具體如下：

①太沙基及朗肯方法

(4)

式中，p—荷載，kPa；γ—土的濕容重，kN/m3；c—粘聚力，kPa；B—基坑寬度，m；H—開挖寬度，m；

上述公式一般適用在假設(shè)土體內(nèi)摩擦角φ=0，滑動面為圓筒面與平面所組成。

太沙基提出，粘土地基極限支持力qd用粘聚力c表達(dá)的公式為

qd=5.7c

(5)

抗隆起安全系數(shù)F為：

(6)

②契鮑塔列夫方法

(7)

式中，F(xiàn)—抗隆起安全系數(shù)；D—基坑底面至硬土層的深度，m；L—基坑開挖面長度，m。

③美國海軍設(shè)施工程師設(shè)計手冊(NAVFACDM—71971)方法，該法載于：H.F.Wul-terkpom.H.Y.Fang(Foundation.Eengineering.Handbook)1850。該法建議安全系數(shù)為1.5。

作用在板樁埋入深度以上的荷載：

如d≥2B/3,p=0.7(γHB-1.4cH-πcB)

如d<2B/3,p=1.5dB(γHB-1.4cH-πcB)

(8)

式中，d—坑底二邊緣以45角相交后相交點到坑底之高度，m。

抗隆起安全系數(shù)F為：

(9)

式中，Nc—承載力系數(shù)；c—土的粘聚力，kPa；H—基坑深度，m；γ—土的濕容重，kN/m3；q—地面荷載，kPa。

④同時考慮土體的c、φ值的抗隆起驗算法。對于粘性土，在考慮抗剪強度中，應(yīng)包括c和φ的因素，因此需同時考慮c、φ值得影響。

此方法在參照Pandtl和Terza-ghi所提出的地基承載力公式的基礎(chǔ)上，將墻底面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面，其土體塑性滑動線如圖1所示。

圖1 考慮土體值得抗隆起驗算示意圖

上部荷載重為：p1=γ(H+D)+q

底面承載力為：pr=γDNq+cNc

(10)

式中，D—格構(gòu)圍固體的入土深度，m；H—基坑的開挖深度，m；c—土的粘聚力，kPa；γ—坑內(nèi)土層容重加權(quán)平均值，kN/m3；γ1—坑外土層容重加權(quán)平均值，kN/m3；q—地面荷載，kPa；Nq、Nc—底面承載力系數(shù)。

2.1.2以控制軟土側(cè)向蠕變原則確定

根據(jù)胡琦針對軟土進行的剪切試驗可以發(fā)現(xiàn)，剪切蠕變特性與剪應(yīng)力大小呈正相關(guān)，在剪應(yīng)力與極限抗剪強度比值R>50%時，蠕變對土體的影響不能忽略。因建筑物地基的受力特征，地基附加應(yīng)力在荷載作用下可分為正向附加應(yīng)力σ1、側(cè)向附加應(yīng)力σ3。根據(jù)摩爾-庫侖理論，土體破壞面上的剪應(yīng)力與土體主應(yīng)力(σ1-σ3)關(guān)系成正比，從深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基結(jié)構(gòu)來看，格構(gòu)墻的主要作用是利用對地基土體形成的圍壓，增大地基中側(cè)向主應(yīng)力σ1，從而減少正向主應(yīng)力σ1與側(cè)向主應(yīng)力差值即(σ1-σ3)，可達(dá)到減少剪應(yīng)力的目的。地基的剪應(yīng)力分布極其復(fù)雜，且隨深度是變化的，與軟土特性、荷載特點、邊界條件、地下水滲流特征等有關(guān)，為控制軟土蠕變對地基穩(wěn)定與變形影響，格構(gòu)墻圍固深度應(yīng)滿足剪應(yīng)力與極限抗剪強度比值達(dá)到R≤50%水平。在實際工程上可通過有限元方法分析地基應(yīng)力分布，而從確定格構(gòu)墻深度。

2.2 格構(gòu)墻平面布置與強度復(fù)核

在使用格構(gòu)墻控制土體蠕變、提高地基強度的同時，還應(yīng)考慮格構(gòu)墻是否能滿足自身強度要求。由于荷載變化、土層不均勻等因素，格構(gòu)墻兩側(cè)土壓力往往有差異，形成壓差，產(chǎn)生不平衡剪力，因此格構(gòu)墻除承受基礎(chǔ)直接傳遞的荷載外，還要承受復(fù)合地基協(xié)同作用所產(chǎn)生的附加應(yīng)力。為了防止墻體受到破壞，在格構(gòu)墻的布置中需要通過側(cè)壓力分析、墻體強度復(fù)核其合理性。

(1)格構(gòu)墻側(cè)壓力計算

基礎(chǔ)荷載通過褥墊層調(diào)整傳遞到地基上，墻與格構(gòu)內(nèi)地基土體壓縮模量差異性較大，可按公式(10)、(11)計算格構(gòu)墻所承受的水平側(cè)壓力：

Aσy+γAdy=ξσytanΦ0ωdy+(σy+dσy)A

化簡得

(11)

式中，γ—地基土容重，kN/m3；Ф0—地基土與格構(gòu)墻之間的摩擦角，(°)；A—格構(gòu)的平均面積，m2；ω—格構(gòu)的周界長度，m；y—地基深度，m。

根據(jù)y=0，σy=0的邊界條件，可以獲得微分方程式的解答如下：

(12)

當(dāng)考慮基底附加應(yīng)力σ0，格構(gòu)墻的側(cè)壓力等于τ

(13)

從上式看出，地基自上而下格構(gòu)墻側(cè)壓力是個增大至減弱的過程。格構(gòu)墻側(cè)向應(yīng)力也可通過有限元方法進行計算。

(2) 格構(gòu)墻厚度確定

根據(jù)所計算的格構(gòu)墻兩側(cè)土壓力差，計入滲流等產(chǎn)生的水壓力差，計算出格構(gòu)墻最大不平衡剪力Qh，格構(gòu)墻厚度d需滿足下列強度要求：

d×τq≥Qh

(14)

式中，τq—水泥土攪拌樁墻抗剪強度。

2.3 分析小結(jié)

軟土地基采用攪拌樁格構(gòu)墻分隔與圍封，荷載作用下在地基土層能形成圍壓，提高側(cè)向主應(yīng)力σ3，減少土體剪應(yīng)力，達(dá)到控制土體側(cè)向變形效果。對水泥土攪拌樁格構(gòu)墻處理深度、布置等開展的研究，提出按超過深層滑動面深度2m確定格構(gòu)墻處理深度，大臨空面建筑物地基格構(gòu)墻處理后需滿足基坑抗隆起安全計算要求。格構(gòu)墻的布置間距影響到控制軟土側(cè)向蠕變的效果，工程上一般根據(jù)基礎(chǔ)、地基、荷載等特征進行布置。分析認(rèn)為，采用有限元等方法分析格構(gòu)墻內(nèi)土體應(yīng)力及格構(gòu)墻兩側(cè)土壓力差，計算墻體不平衡剪力，并按滿足強度要求確定格構(gòu)墻厚度，以保證格構(gòu)墻的整體作用。

3 剛性樁與柔性樁作用分擔(dān)比分析

使用柔性樁對地基進行處理時，通過向地基中攪拌注入水泥，從而形成柔性樁—水泥土攪拌樁，提高地基承載力，但柔性樁的處理效果隨著軟基深度增加而逐漸減小，在大于15m的深厚軟土地基處理中很難發(fā)揮效用；使用剛性樁則可以穿過軟土層，加固深層軟土，但由于剛性樁周軟土的沉降可能超過基樁的沉降，致使結(jié)構(gòu)底板與地基間脫空，最終形成集中滲流通道。因此本文提出工程中使用剛-柔性樁結(jié)合的方式對地基進行處理，提高地基強度，以滿足承載力要求，同時可以有效處理厚度大于15m的深層地基，并且能夠有效控制地基沉降。但需要注意的是深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基一方面需要通過控制復(fù)合地基置換率滿足承載力要求；另一方面需要防止因剛性樁比例大而出現(xiàn)建筑物沉降值過小，不能有效發(fā)揮樁間土作用，甚至產(chǎn)生底板與地基脫空現(xiàn)象。因此深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基需合理確定數(shù)量的剛性樁，真正能發(fā)揮其對地基沉降的控制作用，使建筑物地基沉降控制在合理范圍內(nèi)。組合復(fù)合地基中剛-柔性樁布設(shè)比例確定，主要考慮因素是沉降控制需要，因此需要進行復(fù)合地基承載力、沉降兩方面分析計算，從而確定剛-柔性樁布設(shè)比。

3.1 剛-柔性樁在復(fù)合地基承載力計算

柔性樁以水泥土攪拌樁為主，數(shù)量較多，對地基有一定的加固、改良作用，按有關(guān)地基處理規(guī)范提出的復(fù)合地基承載力計算方法及公式計算柔性樁處理后的復(fù)合地基承載力是合理、可行的。在此計算基礎(chǔ)上再與剛性樁復(fù)合，計算剛-柔性樁在復(fù)合地基承載力。剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基中剛性樁雖然單樁作用較強，但在復(fù)合地基中其作用不強，因此把剛性樁、柔性樁平行分別按不同置換率計入復(fù)合地基承載力計算中，比較符合剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基的實際情況。計算公式如下：

fspk=βp1m1Ra1/Ap1+βp2m2Ra2/Ap2+βs(1-m1-m2)fsk

(15)

式中，Ap1—剛性樁樁的單樁截面積，m2；Ap2—柔性樁的單樁截面積，m2；Ra1—剛性樁的單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；Ra2—柔性樁的單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；fsk—樁間土地基承載力特征值，kN；m1—剛性樁的面積置換率；m2—柔性樁的面積置換率；βp1—剛性樁豎向抗壓承載力修正系數(shù)，宜綜合復(fù)合地基中剛性樁實際豎向抗壓承載力和復(fù)合地基破壞時長樁豎向抗壓承載力發(fā)揮度，結(jié)合工程經(jīng)驗取值；βp2—柔性樁豎向抗壓承載力修正系數(shù)，宜綜合復(fù)合地基中短樁實際豎向抗壓承載力和復(fù)合地基破壞時短樁豎向抗壓承載力發(fā)揮度，結(jié)合工程經(jīng)驗取值；βs—樁間土地基承載力修正系數(shù)，宜綜合復(fù)合地基中樁間土地基實際承載力和復(fù)合地基破壞時樁間土地基承載力發(fā)揮度，結(jié)合工程經(jīng)驗取值。

3.2 剛-柔性樁復(fù)合地基沉降計算

根據(jù)現(xiàn)有資料，可主要采用二種方法計算剛-柔性樁復(fù)合地基沉降：

(1)基于土體的計算方法

①全復(fù)合地基模式

當(dāng)P≤T，將短樁范圍內(nèi)群樁僅考慮為實體深基礎(chǔ)是不合適的，這勢必導(dǎo)致樁越長，樁與樁間土組合重量G越大計算沉降越大的不合理結(jié)果。復(fù)合地基沉降分為三部分。

S=S1+S2+S3

(16)

式中，S1—剛-柔性樁復(fù)合區(qū)域壓縮量，S2—剛性樁復(fù)合區(qū)域壓縮量，S3—下臥層壓縮量。

計算S1的復(fù)核模量計算式為

Ecs1=m1Ep1+m2Ep2+(1-m1-m2)Es

(17)

式中，Ep1—剛性樁壓縮模量，Ep2—柔性樁壓縮模量，Es—樁間土壓縮模量。

計算S2的復(fù)核模量計算式為：

Ecs2=m1Ep1+(1-m1)Es

(18)

②等代實體加復(fù)合地基模式

當(dāng)P>T，基礎(chǔ)沿長、寬周邊深度的剪力抵抗不住外荷載的作用，剛-柔性樁復(fù)合區(qū)域四周土體產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)變。S1主要樁體壓縮，相對于S2、S3，S1變形可以忽略，則

S=S2+S3

(19)

采用分層總和法，從短樁樁尖平面開始計算復(fù)合地基的最終沉降量。計算S2的復(fù)核模量采取式(20)求解時，要考慮樁尖的刺入作用：

Ecs2=μm2Ep1+(1-m1)Es

(20)

式中，μ—模量發(fā)揮度。

(2)基于樁身的計算方法

以剛性樁為分析研究對象，剛-柔性樁復(fù)合地基總沉降主要包括剛性樁樁身壓縮量、下臥層沉降、剛性樁相對于褥墊層和樁端土的塑性刺入變形等。

S=S1+S2+S3

(21)

式中，S1—樁身壓縮變形，S2—樁端以下部分土層的壓縮變形，S3—樁相對上部褥墊層和和樁端土的塑性刺入變形。

3.3 剛性樁與柔性樁作用分擔(dān)比

在深厚軟土地基中，建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi)，在淺層布置水泥攪拌樁固化軟土，并在中間布置穿透軟土層支承于持力層的剛性樁，使剛性樁與水泥攪拌樁及樁間土共同承受上部荷載，形成一種新型復(fù)合地基，以滿足承載力及控制建筑物沉降變形需要。因此，以在力求上部荷載作用下，剛性樁、柔性樁、格構(gòu)墻及樁間土的應(yīng)力狀態(tài)良好，建筑物底板與復(fù)合地基協(xié)同變形，復(fù)合地基各部位承受的應(yīng)力均小于各材料允許應(yīng)力，變形基本一致的原則，確定剛性樁和柔性樁各自承擔(dān)荷載的比例。

根據(jù)分析計算和實際工程經(jīng)驗，剛性樁為PHC端承摩擦樁，當(dāng)剛性樁承擔(dān)上部荷載比例為30%～40%時，各材料均能發(fā)揮作用，建筑物底板與復(fù)合地基變形基本一致。

4 復(fù)合地基布置方式

深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基主要包括：柔性樁、褥墊層、剛性樁、柔性樁和格構(gòu)墻。平面布置為：格構(gòu)墻將軟土地基分塊圍固，格構(gòu)墻中布設(shè)淺層柔性樁和穿過軟土層的大間距剛性樁，格構(gòu)墻與剛-柔性樁頂設(shè)置褥墊層。柔性樁為水泥攪拌樁，樁長結(jié)合地層分布、建筑物變形控制、地基強度與穩(wěn)定要求等因素確定，柔性樁樁長一般為8～15m。剛性樁可采用預(yù)制管樁，應(yīng)穿透軟土層，支承于持力層，樁的長度一般20～40m，樁內(nèi)回填灌砂，頂部0.5m范圍內(nèi)采用C25細(xì)石混凝土封堵，剛性樁間距應(yīng)大于樁直徑的3倍。格構(gòu)墻為柔性樁連續(xù)布置形成，沿建筑物外輪廓線布置，平面形狀為長方形，內(nèi)部可增設(shè)縱橫內(nèi)隔墻，單個格構(gòu)平面面積不超過50m2，長寬比小于4。格構(gòu)墻深度與柔性樁長度相同，一般為8～15m。深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基布置如圖2—5所示。

圖2 深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻復(fù)合地基平面布置圖

5 工程實例

根據(jù)上述理論和計算方法，在解決劉拐斗門地基沉降及水平位移問題中，采用剛-柔性樁與格構(gòu)墻組合復(fù)合地基處理技術(shù)進行加固處理。在涵洞基礎(chǔ)范圍內(nèi)布置攪拌樁，樁距1.0m，在涵洞兩側(cè)邊線及涵洞節(jié)間分縫位置布置兩排水泥攪拌樁形成格構(gòu)墻，攪拌樁樁徑0.5m，樁長14.0m；間隔布置PHC管樁，樁徑0.4m，樁距1.8m，樁長24～32m，進入相對硬土層2.0m。在地基處理層上設(shè)置一層塑性混凝土褥墊層，墊層厚0.8m。

圖3 A- A剖面圖

圖4 B- B剖面圖

圖5 管樁樁頭處理圖

工程于2015年開始建設(shè)，2016年完工。經(jīng)過復(fù)合地基處理后，涵洞沉降在30mm以內(nèi)，經(jīng)過4年多的運行，涵洞一切正常，未發(fā)現(xiàn)較大沉降及位移，滿足預(yù)期設(shè)計要求，并且已在蕪湖縣十三連圩居家角站、花渡閘等項目運用，均取得良好的技術(shù)效果及經(jīng)濟效益。

6 總結(jié)

以加固深厚軟土地基為目標(biāo)，創(chuàng)新性提出了深厚軟土剛-柔性樁與格構(gòu)墻組合的新型復(fù)合地基，采用格構(gòu)式水泥攪拌樁墻加固地基軟弱土層并約束其側(cè)向變形，間隔布置剛性樁貫穿深厚軟土并支承在相對硬土層中，對深厚軟弱地基全深度加固，形成水泥土攪拌樁墻、端承摩擦剛性樁和樁間土共同作用的新型復(fù)合地基，有效地提高了軟土地基強度與抗變形能力。從水泥土攪拌樁格構(gòu)墻布置、剛性樁與柔性樁作用分擔(dān)比、剛-柔性樁組合布置方式等三個關(guān)鍵點開展分析，合理確定復(fù)合地基中剛-柔性樁與格構(gòu)墻布置。