羅浩

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

在水利工程中，當建筑物遇到承載力較差或沉降較大的軟弱地基，往往需要進行地基處理。當軟弱土層較厚或只有在較深處才有能滿足承載力要求的持力層時，地基處理的方式可采用樁基礎，樁型有預制樁、灌注樁等。當上部荷載不是很大時，可在軟土層內打孔，然后回填適當的土石料或摻和料，形成剛度比四周軟土大的土質樁，土質樁不能完全承擔建筑物的全部荷載，而是與四周土共同承受建筑物的荷載，即復合地基，常見形式為水泥土攪拌樁復合地基[1]。近年來，工程地基處理上興起一種新型樁，即勁性復合樁。它是將散體材料樁、柔性水泥土類樁和剛性混凝土樁根據不同的地基土質選擇相應的組合而形成的一種復合樁型，在淤泥、淤泥質土、粘性土、粉土、砂土及人工填土等地基處理中得到較好的應用。勁性復合樁結合了剛性混凝土樁和水泥土拌合樁的優(yōu)點，在提高軟土地基承載力、控制變形沉降方面，有其獨特的優(yōu)勢[2]。本文結合某水閘建筑物，對各類樁在軟弱地基處理上進行對照比選，闡述勁性復合樁在地基處理中的優(yōu)勢，對工程設計推廣和應用具有重要意義。

1 勁性復合樁原理

勁性復合樁樁側破壞面位于內、外芯界面時，基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式計算[3]：

式中：Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；uc為勁性復合樁內芯樁身周長，m；為勁性復合樁復合段內芯側阻力特征值；lc為勁性復合樁復合段長度，m；為勁性復合性內芯樁端土的端阻力特征值，kPa；為勁性復合樁內芯樁身截面積，m2。

勁性復合樁樁側破壞面位于外芯和樁周土的界面時，基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式計算：

式中：u為勁性復合樁復合段樁身周長，m；ξsi，ξp分別為勁性復合樁復合段外芯第i土層側阻力調整系數、端阻力調整系數，宜按地區(qū)經驗取值；qsia為勁性復合樁復合段外芯第i土層側阻力特征值，kPa；li為勁性復合樁復合段第i土層厚度，m；α為勁性復合樁樁端天然地基土承載力折減系數，對柔剛復合樁可取0.70～0.90；qpa為勁性復合樁端阻力特征值，kPa；Ap為勁性復合樁樁身截面積，m2。

根據JGJ/T 327-2014《勁性復合樁技術規(guī)程》，對等芯柔剛復合樁單樁豎向抗壓承載力特征值可按公式（1）和（2）計算并取其中的小值。

2 工程布置及地質情況

2.1 工程布置

新建水閘場地位于長江三角洲平原區(qū)，緊鄰長江。當內河河道水位高于常水位時，趁長江低潮打開閘門排水，排至常水位時關閘；當長江高潮時關閉閘門。水閘建筑物整體組成主要有閘室、內外河消力池、內外河海漫、內外河防沖槽、長江側交通橋及兩岸江堤。其中，閘室采用帶胸墻的塢式結構，閘室長20.00 m，凈寬10.00 m，底板頂高程-2.00 m，厚1.50 m，閘室兩側墩墻頂高程7.34 m，厚1.50 m，水閘縱剖面圖見圖1。

圖1 水閘閘室縱剖面圖（單位：m）

2.2 工程地質

水閘場地沿線地貌類型為新三角洲與江心洲。根據現(xiàn)場踏勘，現(xiàn)狀河口寬近40.00 m，河底高程一般-1.00～-1.40 m，兩岸多有直立擋墻護岸，入長江口處局部為漿砌塊石護岸；兩岸陸域地勢較平坦，地面高程一般4.00～5.00 m。根據現(xiàn)場鉆孔觀測，地下水位高程為1.00～2.00 m。工程區(qū)Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度值為0.10 g，相應的地震基本烈度為7 度，場地地層分布相對穩(wěn)定，場地類別為Ⅲ類。水閘底板直接坐落于①2 層黏質粉土上，從上至下分布有③1，③2，③2b 和③3 土層，均為砂質粉土。根據地勘報告，各土層的具體性狀描述如下。

①2 層：灰、褐灰、黃灰色黏質粉土，夾淤泥質粉質黏土，局部互層，為新近沉積土。分布于水域淺部，層厚0.60～2.60 m。稍密（或流塑）狀，中～高壓縮性，力學強度低。

③1 層：灰色砂質粉土、黏質粉土，夾粉質黏土薄層，局部互層，含云母片。主要分布于場地南部新閘址部位，揭示層厚0.50～8.60 m。稍密～中密狀態(tài)，中壓縮性，力學強度一般。

③2 層：灰色砂質粉土，局部粉砂、細砂，夾粉質黏土薄層，含云母片。場地普遍分布，層厚4.40～10.20 m。中密狀態(tài)為主，中壓縮性，力學強度中等。

③2b 層：灰、灰褐色砂質粉土、黏質粉土，局部粉砂，夾淤泥質粉質黏土，多呈互層狀。場地普遍分布，層厚1.00～8.40 m。稍密～中密狀態(tài)，力學強度一般。

③3 層：灰色砂質粉土，局部粉砂、細砂，夾粉質黏土薄層，含云母片。深孔均有揭示，揭示厚3.70～14.60 m。中密～密實狀態(tài)，中壓縮性，力學強度較高。

各土層壓縮系數、壓縮模量、允許承載力、水泥土攪拌樁及樁基設計參數建議值見表1。

表1 工程地質勘察綜合成果建議值表

3 地基處理方案比選

根據水閘穩(wěn)定計算成果，其在完建期豎向合力最大，平均基底應力達到131.25 kPa，遠大于地基土允許承載力60.00 kPa，因此需對地基進行技術處理以滿足設計要求。針對水閘地基土層實際分布情況，結合JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》和JGJ/T 327-2014《勁性復合樁技術規(guī)程》相關條文規(guī)定，擬定預制方樁、鉆孔灌注樁、水泥攪拌樁和勁性復合樁4 種地基處理方案，并進行經濟技術比較，以確定最優(yōu)方案。

3.1 預制方樁

預制方樁是水工建筑物地基處理常見的方式之一，根據JGJ 94-2008 有關條文，預制方樁Ra計算公式如下：

式中：qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值，kPa；qpk為極限端阻力標準值，kPa。

根據水閘穩(wěn)定計算成果，其在完建期豎向合力最大，達到34 125.00 kN。結合JGJ 94-2008 有關條文規(guī)定和水閘場地實際情況，樁采用C30 鋼筋混凝土預制方樁，截面尺寸350 mm×350 mm，長10.00 m，間距1 400 mm×1 400 mm，共布置126根。由水閘所在位置地層參數可知，樁身穿過①2層和③1 層，最終深入③2 層。經計算，單根樁豎向承載力特征值為290.33 kN，而最大平均單樁豎向力為270.83 kN；閘室沉降7.1 cm，小于規(guī)范允許值15.0 cm。綜上所述，預制樁布置方案滿足地基設計要求。

3.2 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁施工操作較為簡便且技術成熟度較高，在水利工程中得到廣泛應用[4]。鉆孔灌注樁單樁豎向承載力特征值計算原理同預制方樁。

根據水閘穩(wěn)定計算成果，最大豎向合力為34 125.00 kN。結合JGJ 94-2008 有關條文規(guī)定和水閘場地實際情況，樁采用C30 鋼筋混凝土灌注樁，截面直徑800 mm，長15.00 m，間距2 600 mm×2 600 mm，共布置40 根。由水閘所在位置地層參數可知，樁身穿過①2，③1 層，③2 和③2b，最終深入③3 土層。經計算，單根樁豎向承載力特征值為929.47 kN，而最大平均單樁豎向力為853.11 kN；閘室沉降5.2 cm，小于規(guī)范允許值15.0 cm。綜上所述，鉆孔灌注樁布置方案滿足地基設計要求。

3.3 勁性復合樁

勁性復合樁是近年來在水利工程中興起的一種新型軟基處理方式。根據JGJ/T 327-2014 有關條文，勁性復合樁復合地基承載力特征值按下式計算：

式中：fspk為復合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數，取0.95～1.00；m為面積置換率；Ra按公式（1）（2）計算；Ap為樁的截面積，m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數，取0.80～1.00；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，?、? 層允許承載力60.00 kPa。

根據水閘穩(wěn)定計算成果，其在完建期豎向合力最大，達到34 125.00 kN。結合JGJ/T 327-2014有關條文規(guī)定和水閘場地實際情況，勁性復合樁采用等芯柔剛復合樁，外層采用直徑700 mm 的水泥土攪拌樁，水泥摻入量為20%，樁身水泥土的28 d 抗壓強度取不小于1.200 MPa，外層為柔性樁；樁體內芯為直徑220 mm 的素混凝土樁，標號為C30，為剛性樁；樁長9.00 m，間距1 200 mm×1 200 mm，共布置154 根。由水閘所在位置地層參數可知，樁身穿過①2 層和③1 層，最終深入③2 層。經計算，單根樁豎向承載力特征值為139.65 kPa，而最大基底平均應力為131.25 kPa；閘室沉降8.3 cm，小于規(guī)范允許值15.0 cm。綜上所述，勁性復合樁布置方案滿足地基設計要求。

3.4 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁作為一種軟弱地基處理方式，在水工建筑物地基處理中得到廣泛應用[5]。根據JGJ 79-2012《建筑地基處理技術規(guī)范》有關條文，水泥攪拌樁復合地基承載力特征值計算公式同勁性復合樁公式（4）。

根據水閘穩(wěn)定計算成果，最大豎向合力為34 125.00 kN。該工程的水泥土攪拌樁地基處理方案參數：直徑700 mm，間距1 200 mm×1 200 mm，長15.00 m，共154 根。由水閘所在位置地層參數可知，樁身穿過①2，③1，③2 和③2b，最終深入③3土層。攪拌樁設計水泥摻量采用20%，樁身水泥土28 d 抗壓強度取不小于1.200 MPa。經計算，處理后的復合地基承載力為115.15 kPa，而最大基底平均應力為131.25 kN，不滿足地基承載力要求，因此方案不可行。

3.5 方案對比

根據上述閘室各地基處理方案效果，結合施工便利和工程投資，對4 種地基處理方案進行經濟技術比選（表2），選擇綜合最優(yōu)方案。在技術、施工和投資方面，勁性復合樁為最優(yōu)地基處理方案。

表2 閘室地基處理方案對比表

4 結語

對于水利工程中的建筑物，當遇到較深的軟土地基時，經常采用樁基處理。勁性復合樁結合了剛性混凝土樁和水泥土拌合樁的優(yōu)點，在滿足承載力和沉降的同時，降低施工對周邊環(huán)境的不利影響，且最大限度降低工程投資，相對其他樁型，綜合優(yōu)勢較為明顯，在場地施工條件受限和投資有一定控制要求的工程中有較好的推廣意義。