鄭德勝

(江蘇省化工設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 南京 210024)

我國(guó)東南沿海河口地區(qū)一般為濱海淤積平原,表層一般有人工吹填,地表淺部為第四紀(jì)全新世中晚期河口海相和海相堆積,承載力較低,如采用天然基礎(chǔ)很難滿足建筑承載力與沉降限值的要求,因此需要采用一定的措施進(jìn)行地基處理,如采用水泥土攪拌樁或采用樁基礎(chǔ)。近些年來形成的一種將水泥土攪拌樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁兩種樁體組合形成新型樁基-柔剛復(fù)合樁,其利用水泥土攪拌樁加固表層土體,并提高樁側(cè)阻力,以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力。混凝土管樁為芯樁可充分發(fā)揮其強(qiáng)度高、剛度大、質(zhì)量可控、施工便捷的特點(diǎn)。我國(guó)對(duì)柔剛復(fù)合樁的研究和應(yīng)用開始于20世紀(jì)80年代,經(jīng)過多年的實(shí)踐,目前該類樁型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)交通與建筑行業(yè)中樁基礎(chǔ)[1-2]。本文以實(shí)際工程案例介紹柔剛復(fù)合樁在工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

本工程位于余姚市靈山鎮(zhèn),單體建筑平面尺寸為136.8 m×69.00 m,建筑高度23 m,為4層工業(yè)廠房,建筑物內(nèi)設(shè)置較多反應(yīng)釜及裝置儲(chǔ)罐等中、大型工業(yè)設(shè)備,屋面設(shè)有屋頂花園,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),單柱荷載約5 000 kN～7 000 kN。建筑安全等級(jí)為二級(jí);抗震烈度為6度;地震加速度值為0.05g;建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類,抗震分組為第一組,屬于抗震一般地段,建筑抗震設(shè)防類別為乙2類,鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)為三級(jí),抗震構(gòu)造措施三級(jí)。項(xiàng)目分多期實(shí)施,本期廠房為工程第三期,前期廠房已經(jīng)竣工投產(chǎn)。

1.1 工程地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報(bào)告顯示,場(chǎng)地特殊性巖土主要為:1)表層素填土與沖填土,為后期人工吹填而成,結(jié)構(gòu)松散,成分較雜,內(nèi)摻碎石、磚塊等混黏性土,具有中—高壓縮性。2)④-1層軟土,距離地表下16 m～39.5 m,具有高靈敏性、高壓縮性、高觸變性、低強(qiáng)度、弱透水性等典型軟土特性,在天然狀態(tài)下具有一定強(qiáng)度,但一旦擾動(dòng),土體極易破壞,土體結(jié)構(gòu)極易破壞,強(qiáng)度急劇降低。其余各層土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示(極限側(cè)阻力和端阻力分別為預(yù)制樁/灌注樁取值)。

表1 場(chǎng)地主要土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 水文情況

由勘察資料可知場(chǎng)地地下水主要為場(chǎng)地淺部地下水,主要賦存于淺部雜填土層及淺層黏性土層中的孔隙潛水,潛水主要接受大氣降水和附近河水補(bǔ)給,其水位變化受氣候、環(huán)境影響明顯,以蒸發(fā)方式排泄和向附近河流側(cè)向徑流排泄為主,穩(wěn)定地下水位埋深為0.2 m～2.0 m左右。本場(chǎng)地孔隙承壓水分為淺部微承壓水及深部微承壓水,淺部微承壓水主要分布于第③-1層黏質(zhì)粉土、第③-2層砂質(zhì)粉土及第③-3層粉砂層中,該組合大層厚度約10 m以上,第③-1層及第③-2層含水量較小,第③-3層含水量稍大,孔隙承壓水系微承壓水,對(duì)基坑開挖影響有限,但本場(chǎng)地潛水位標(biāo)高較高,當(dāng)基坑底標(biāo)低于潛水位標(biāo)高時(shí),在潛水作用下,易產(chǎn)生突沙、管涌現(xiàn)象,對(duì)基坑開挖影響較大,應(yīng)提前進(jìn)行降水作業(yè)。

場(chǎng)地地下水、土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)均為微腐蝕,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋在干濕交替下有弱腐蝕性,長(zhǎng)期浸水時(shí)為微腐蝕性,按照GB/T 50046—2018工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)第3.1.12條,微腐蝕環(huán)境可按正常環(huán)境設(shè)計(jì)[3-4]。

2 各種樁型施工可行性比較

根據(jù)地勘資料并結(jié)合項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)方案,現(xiàn)場(chǎng)可采用鉆孔灌注樁、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁與柔剛復(fù)合樁三種樁型,就以上樁基選型進(jìn)行可行性分析,具體內(nèi)容如下。

2.1 鉆孔灌注樁方案

采用直徑800 mm的鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)54 m,配筋選用國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集22G813鋼筋混凝土灌注樁中YZ800-54-4,35/E,19/D-C35;計(jì)算后承載力特征值約3 050 kN,采用該類樁型優(yōu)點(diǎn):鉆孔灌注樁屬非擠土樁,無振動(dòng),低噪聲,成樁直徑大,單樁承載力較高,樁徑和樁長(zhǎng)可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)與荷載要求等特點(diǎn)靈活選擇。適宜于本場(chǎng)區(qū)巖土工程條件和施工環(huán)境,同時(shí),該樁型在寧波市已有大量工程采用,成樁施工沒有問題,只要解決好樁底沉渣厚度等問題,樁基質(zhì)量一般均能滿足設(shè)計(jì)要求。

采用該類樁型缺點(diǎn):鉆孔灌注樁投資大、工期長(zhǎng),其成樁質(zhì)量受施工單位的施工工藝、施工設(shè)備和施工人員的技術(shù)素質(zhì)等因素的影響較大,尤其是地基土中粉粒含量較高,清孔、孔底沉渣厚度等較難判斷,場(chǎng)地淤泥層,施工現(xiàn)場(chǎng)將產(chǎn)生大量泥漿,還需解決場(chǎng)區(qū)泥漿排污問題,總體對(duì)環(huán)境影響較大。現(xiàn)場(chǎng)前期項(xiàng)目中有建筑單體采用該類樁型,承壓水及④-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層對(duì)沉樁有一定的影響,易產(chǎn)生塌孔和縮徑,前期現(xiàn)場(chǎng)施工中出現(xiàn)的三類樁較多,但經(jīng)檢測(cè)后尚能滿足承載力要求。

2.2 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁方案

采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,樁型選用浙江省建筑標(biāo)準(zhǔn)圖集2010浙G22先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中 PHC 600 AB 130-C80型,樁長(zhǎng)54 m,采用錘擊法施工,優(yōu)點(diǎn)如下:樁身強(qiáng)度高,樁身質(zhì)量由制造廠商保證,沉樁質(zhì)量滿足要求。現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械化程度高,無泥漿污染,質(zhì)量較為可靠,施工工期短,費(fèi)用相對(duì)較低。樁端以第⑧-1層作為樁端持力層,承載力特征值2 700 kN。因建筑場(chǎng)地上部全場(chǎng)存在中密,局部密實(shí)狀的第③-1層及第③-2層粉土層,局部存在中密狀的第③-3層粉砂層,現(xiàn)場(chǎng)沉樁困難,設(shè)置開口型樁尖,但擠土效應(yīng)還是較為明顯,導(dǎo)致后期沉樁尤其困難,爆樁率較高,現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)樁較多,引起設(shè)計(jì)變更較多,增加樁基和承臺(tái)的費(fèi)用。

2.3 柔剛復(fù)合樁方案

將水泥土樁和預(yù)應(yīng)力混凝土樁兩種樁結(jié)合起來,組成柔剛復(fù)合樁,主要樁型見圖1。柔性樁采用水泥土樁,采用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,摻入量不小于18%,水灰質(zhì)量比0.6,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,90 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度值不小于1.6 MPa,樁徑1 000 mm;剛性芯樁采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,由于單樁承載力加高,地面首節(jié)樁采用PHC 600(130)-C105超高強(qiáng)混凝土管樁,其余各節(jié)樁采用PHC 600 AB 130-C80。由于軟弱土層較為深厚,建筑物單柱下荷載較大,為防止樁基沉降較大,綜合考慮采用長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁,單樁承載力約為3 700 kN。

3 柔剛復(fù)合樁設(shè)計(jì)分析

結(jié)合建筑荷載特性和場(chǎng)地地質(zhì)條件,本工程選用的樁型為長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁,外芯采用注漿攪拌樁,攪拌長(zhǎng)度10 m,剛性芯樁采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,由于單樁承載力加高,首節(jié)樁采用PHC 600(130)-C105,其余各節(jié)樁采用PHC 600 AB 130-C80,樁長(zhǎng)54 m,樁間距取值max(4倍內(nèi)芯直徑;1.5倍外芯直徑)=2.4 m;長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁豎向抗壓承載力特征值承載力估算可按照J(rèn)GJ/T 327—2014勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程[5]第4.3章進(jìn)行估算:

1)長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時(shí),基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式估算:

Ra=1.884×100×10+1.884×(6.7×27+1×28+16.7×9+5.8×20+10.3×18+1.7×32+1.7×40)+35 00×0.282 6=4 346 kN。

2)長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時(shí),基樁豎向抗壓承載力特征值可按下式估算:

其中,u為長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁身周長(zhǎng),m;li為長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁樁身截面積,m2;qsia為長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁復(fù)合段外芯第i土層側(cè)阻力特征值,kPa;εsi為長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁外芯第i土層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)。

Ra=3.14×(1.4×8×0.8+1.6×27×9.2)+1.884×(6.7×27+1×28+16.7×9+5.8×20+10.3×18+1.7×32+1.7×40)+ 3 500×0.282 6=3 740 kN。

3)樁身結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的豎向承載力特征值按Ra=Rp/1.35計(jì)算。樁型分別選用2010浙G22先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC 600 AB 110型Ra=4 255/1.35=3 151 kN; PHC 600 AB 130型Ra=4 824/1.35=3 573 kN,當(dāng)樁身值采用C80混凝土PHC樁時(shí),承載力特征值略低于設(shè)計(jì)要求樁特征值;將樁基首節(jié)樁換用321183-R177—2021JH先張法預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土管樁UHC600(130)Ⅰ型樁基,樁基混凝土強(qiáng)度C105,承載力特征值Ra=5 652/1.35=4 186 kN,滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述,長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁承載力特征值可選用:3 700 kN。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)將芯樁內(nèi)鋼筋錨固入承臺(tái)內(nèi),由于外圍設(shè)置勁性水泥土攪拌樁,樁的水平推力也較管樁有一定的提高,確保在風(fēng)、地震工況下的樁基安全[6]。

4 樁基沉降計(jì)算

對(duì)于樁中心距不大于6倍樁徑的樁基,其最終沉降量計(jì)算可采用等效作用分層總和法。等效作用面位于樁端平面,等效作用面積為樁承臺(tái)投影面積,等效作用附加應(yīng)力近似取承臺(tái)底平面附加壓力。等效作用面以下的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)直線變形理論,樁基內(nèi)最大沉降量可按下式計(jì)算(按雙樁承臺(tái)設(shè)計(jì))[7]:

計(jì)算得出沉降量如表2所示。

表2 樁基沉降表

現(xiàn)場(chǎng)采用慢速維持荷載法分別對(duì)管樁與剛?cè)釓?fù)合樁進(jìn)行單樁豎向抗壓試樁,最大試驗(yàn)荷載和對(duì)應(yīng)沉降量如表2所示。

由表2可知采用長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁承載力相較管樁,承載力有較大提高,但試驗(yàn)沉降量并不增加,并明顯低于采用管樁計(jì)算方法取得的計(jì)算值,可見采用長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁,由于長(zhǎng)芯管樁在插入水泥土樁時(shí)有向外擠擴(kuò)作用且水泥土樁對(duì)周圍土體有一定的加固作用,能有效地控制建筑物的沉降量。

5 各樁型基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性比較

設(shè)計(jì)過程中,考慮樁基的穩(wěn)定和荷載的有效傳遞,未選用單樁承臺(tái),從造價(jià)上對(duì)各種樁型進(jìn)行對(duì)比分析,承載力與單樁綜合造價(jià)如表3所示。

表3 各樁型經(jīng)濟(jì)性比較

由表3可見采用混凝土灌注樁成本遠(yuǎn)高于其他兩種樁型,采用長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁雖然樁數(shù)較少但單價(jià)較高,與高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)方案相比經(jīng)濟(jì)性差異不大。后期針對(duì)工程的特性,采取一定優(yōu)化措施:對(duì)建筑物周圍柱由于受力較小,樁型可換用成高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁,中部受力較大柱下采用長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁,經(jīng)計(jì)算最終地基方案采用PHC 600 AB 130-C80-54管樁:98根;采用長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁232根,樁造價(jià)為531.81萬元,樁承臺(tái)費(fèi)用不變,總造價(jià)降低為688.13萬元,相較高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁方案節(jié)省造價(jià)84.15萬元,節(jié)省造價(jià)約11%,具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

6 長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁的施工

施工前應(yīng)收集必要的資料并進(jìn)行成樁工藝試驗(yàn),數(shù)量不得少于3根。當(dāng)成樁質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),應(yīng)在調(diào)整設(shè)計(jì)與施工參數(shù)后重新進(jìn)行試驗(yàn)。外芯水泥土樁采用粉噴工藝施工,內(nèi)芯管樁施工在外芯樁成樁6 h內(nèi)進(jìn)行,樁端采用樁尖或封頭鋼板進(jìn)行封閉。

長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁的施工工藝流程為:定位放線→樁位復(fù)核→外芯水泥土樁機(jī)就位→外芯水泥土樁施工→外芯水泥土樁移位至下一根樁→管樁樁基就位→樁位再次復(fù)核→管樁樁基施工→長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁成樁。

施工時(shí)應(yīng)特別注意外芯和內(nèi)芯的垂直度和偏心,垂直度允許偏差為0.5%,樁位的允許偏差為±10 mm。

7 長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁的檢測(cè)

長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁質(zhì)量檢查主要為外芯水泥土樁成樁和預(yù)制管樁成樁的兩個(gè)工藝過程的質(zhì)量檢查。施工過程中應(yīng)隨時(shí)檢查施工記錄,出現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)處理。

水泥土樁的質(zhì)量檢查應(yīng)符合JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定,主要檢查內(nèi)容為:1)控制性軸線、樁位的復(fù)核、水灰比、水泥用量、樁長(zhǎng)、攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)和機(jī)頭升降速率、復(fù)攪次數(shù)和深度、噴漿時(shí)間、停漿處理方法、樁頂及樁底標(biāo)高、垂直度等施工參數(shù)及程序。2)成樁后7 d內(nèi)采用淺部開挖樁頭(深度宜超過停漿(灰)面下0.5 m),目測(cè)檢查攪拌的均勻性,量測(cè)成樁直徑。檢查量為總樁數(shù)的5%。3)成樁后3 d內(nèi),可用輕便觸探試驗(yàn)(N10)檢查每米樁身的均勻性,檢測(cè)數(shù)量為施工總樁數(shù)的1%且不少于3根。

預(yù)制混凝土管樁的質(zhì)量檢查應(yīng)按照GB 50202—2018建筑地基基礎(chǔ)工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范與JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范實(shí)施。

長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁一般在成樁14 d～28 d后進(jìn)行單樁靜荷載試驗(yàn),采用慢速維持荷載法。單位工程的工程樁檢測(cè)數(shù)量不少于同條件下總樁數(shù)的1%,且不應(yīng)少于3點(diǎn);當(dāng)總樁數(shù)少于50根時(shí),檢測(cè)數(shù)量不應(yīng)少于2根。由于樁基的承載力較高,樁基完整性檢測(cè)一般采用全部檢測(cè),確保工程質(zhì)量。

8 結(jié)語(yǔ)

在軟弱土層深厚的沿海地區(qū),基礎(chǔ)工程的造價(jià)在整個(gè)工程中所占較高,長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁由于存在外芯注漿攪拌樁,增加了樁側(cè)的摩阻力且加固了表層土承載力,相較于一般管樁,長(zhǎng)芯柔剛復(fù)合樁在承載力上有較大的提高,同時(shí)樁基沉降未見增加,能夠有效地減少建筑物的樁基數(shù)量,控制建筑物的沉降,增強(qiáng)地表土體承載力,在工程應(yīng)用中具有一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng),符合安全、低碳、綠色的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。