滨海软土地区基础加固案例分析与研讨

戚玉亮，任乐民，陈帅光，2

（1、广州建筑产业研究院有限公司 广州510663；2、广州建筑股份有限公司 广州510030）

0 引言

某化工厂区既有建构筑物地基加固处理项目位于珠海地区滩涂填海造地抛石填地块，在前期土建施工中，已对预防地基沉降进行处理，包括为增强构筑物及基础的刚度，采用强夯和堆载预压等方法对地基进行预处理。然而，由于深厚淤泥质软土地基承载能力弱，填石层压实度不足，加上地质构造的复杂性，海洋的潮汐作用，以及上部各类构筑物的荷载分布不均匀，造成了现在的地基差异沉降，出现了构筑物开裂、倾斜或损坏、地坪沉降、墙体渗水开裂、支撑悬空等情况，部分设备基础下沉明显，已严重地影响到工厂生产的安全运行。为此，经过技术方案比选采用高压旋喷叠压钢管混凝土桩加固技术，从加固强化软土力学特性、提高基础承载力和减少地基沉降3 个方面进行基础工程加固，借以解决厂区既有建构筑物下面深厚淤泥质软土填石地基不均匀沉降的问题，控制部分基础的过大沉降。既有建构筑物基础加固后，相应静载实验报告、期间检测和沉降观测数据等满足国家和行业相关规范和设计要求，并通过工程质量验收。

本文针对该项技术案例进行深入分析和探讨，为把握和应用该项技术成果提供参考。

1 场地环境和地质特点

本场地原始地貌类型属于珠海地区浅海滩涂地貌，经抛石人工填海造地平整而成。该地区场地东南面距南海约3 km，平均风速较大，每年的7～10 月是台风的盛季，伴随有暴雨、暴潮和巨浪，年平均潮位差为0.84～1.24 m。

按地质时代、成因类型和岩土性质，场地自上而下划分为5 个主要土层，依次为:人工填石层、海相沉积层、海陆交互相沉积层、残积层和泥盆系粉砂岩风化层。其中，人工填石层平均厚度约10 m，海相沉积层流塑淤泥质土（富含有机质）平均厚度9.14 m，海陆交互相沉积层软塑淤泥质土平均厚度6.12 m（富含有机质，层间夹有透镜沙层），以下为硬塑和坚硬岩土层。

地下水位埋深平均约2.92 m，水位受海水潮位影响而变化。地下水主要赋存于人工填石层的石土孔隙中，为上层滞水，与地表水联系强；赋存于海陆交互相沉积的透镜沙层孔隙中，为承压水，由于受上部淤泥质土/淤泥层和下部粉质粘土层阻隔，与地表水和砂岩裂隙水联系较弱。

根据地质勘察和岩土实验资料及相关文献分析［1-3］，场地地层对工程建设的影响主要为:

⑴场地分布有海相沉积的淤泥质土/淤泥层和海陆交互相沉积的淤泥质土/淤泥层为欠固结土。因淤泥层的渗透系数很小，含水率高（45%左右）、排水能力弱，其前期固结压力小于自重压力，土体在自重压力下还没有达到压密平衡，在施加外部荷载后发生的沉降不但包括附加荷载引起的沉降，而且还包括上覆土层荷载下尚未完成的沉降。

⑵表层块石填土层和下部土层（含有较多的砾石和岩块），对桩基施工影响较大。

⑶工程建设期间和运营期间，因不同地段淤泥层厚度不同和岩土特性的差异性，容易引起地基的不均匀沉降，导致建构筑物及道路的下沉和开裂等不良现象。

⑷软土的长期固结沉降亦会对桩基产生负摩阻力，导致桩的承载力不足。同时，因场地进行了堆载预压和高能强夯处理，在淤泥完成固结前，随着孔隙水压力的消散，淤泥稳定性较差，周边堆载等附加荷载过大会进一步影响场地淤泥的稳定。

⑸海岸线距离本场地较近，受到潮汐的影响。根据该区域既有建构筑物基础的安全性分析报告，大部分区域淤泥质土较为深厚（中部区域淤泥层累计厚度达到29 m），场地内地基沉降的固结变形还未趋于稳定；区域内天然基础后期沉降量较大，沉降差相对较小，沉降较为均匀；桩（混凝土预应力管桩）基础沉降较少，沉降差较大，由于台风、倾斜偏心和深厚淤泥固结下沉，对既有桩基础承载力的削弱作用明显，其中最小安全系数为0.813，不能够满足安全要求。

2 桩基加固机理分析

着重于考虑深厚淤泥固结下沉桩基产生负摩阻力等综合因素的不利影响，应将提高既有桩基承载力和控制基础沉降差作为加固补强方案的基本要求。既有桩基自身强度已是定值，提高其承载力应该综合施策，可以依靠提高桩周土体强度和密实度增大桩身的摩阻力；或者扩大桩基承台面积结合扩散注浆，降低桩基承担的荷载；也可以辅助增设加强桩体，发挥整体桩基抗力，同时使桩基沉降差得到有效控制，从而保证桩基的整体稳定性。相对来讲，后者更易于满足既有桩基加固补强的基本要求。

场地工程地质勘察评价指出:本场地下部土层中“淤泥稳定性较差，周边堆载等附加荷载过大会进一步影响场地淤泥的稳定”。可见，在既有桩基加固补强过程中，采取静压桩机、水泥土深层搅拌桩机等超重施工设备，或加大承台等附加荷载，都可能影响下部淤泥土层的稳定，加剧地基沉降；同时，还受到施工空间和环境限制。因此，采用轻型设备加固施工，降低对下部欠固结淤泥质土层的扰动，是既有桩基加固的必要条件［4］。

为此，经过加固方案的反复比选，确定采用高压旋喷钢管混凝土组合桩型的独立桩基（以下简称组合桩）加固方案。该方案预先通过浅孔锤引孔穿透地表下约10 m的人工填石层，然后采用高压旋喷注射水泥浆，形成直径约600 mm 的水泥土桩，穿过流塑状淤泥质土层进入强风化层，再于水泥土桩上部插入非等长钢管桩（φ 150 mm），管芯灌注防腐性微膨胀自密实混凝土。各钢管桩上部采用刚性措施（扩展承台或托梁等）与既有桩基承台固接，从而形成组合桩基辅助的桩基加固体，提高既有桩基安全度和稳定性。

考虑到海相古沉积淤泥土力学特征，地表下欠固结淤泥土层现状和新增地表附加荷载（人工填石层等）的影响，将使得地表沉降变形和负摩阻力长期发展。因此，为保证上部设备系统正常运行，整体加固既有桩基具有其可行性和远期意义［5，6］。

3 组合桩模型分析

加固方案所采用的高压旋喷叠压钢管素混凝土组合桩型的独立桩基（以下简称组合桩）是由2类材料组成的复合桩（模型见图1）。其中，组合桩上段由钢管混凝土桩穿过人工填石层，与承台或托梁锚固，分担既有桩基上部荷载；中段以钢管混凝土桩叠压入高压旋喷水泥桩中央，形成组合桩主体；下段为高压旋喷水泥桩入强风化岩。高压旋喷水泥桩通过改善水泥土物理力学性能，增大桩径和桩体截面，提高组合桩侧摩阻力和桩端阻力；钢管混凝土桩则能够增强组合桩抗压和抗剪切强度，这样，就可以实现复合材料的优势互补，综合提高组合桩的承载力，降低桩基沉降值。

图1 桩基加固组合桩模型Fig.1 Composite Pile Model of Existing Pile Foundation Reinforcement

该组合桩受力模型主要由桩顶荷载、淤泥层欠固结沉降引起的负摩阻力、高压旋喷水泥土桩体外侧摩阻力和组合桩端阻力构成。其中，上段钢管混凝土桩主要承担竖向压力，侧向由于人工填石层的嵌固作用，能够控制其水平位移，保证侧向稳定；同时，由于钢管混凝土芯桩外壁光滑，能够降低填石层沉降引起的负摩阻力。中段高压旋喷水泥土桩体叠压钢管混凝土芯桩，并通过调整水泥浆配比、复喷和增加钢管侧壁粗糙度等措施，提高组合桩的整体粘结性和承载力。这样，在荷载传递过程中，钢管混凝土芯桩与水泥土桩之间依靠较强的黏结性，过渡形成中间强度高、外围强度低的合理的荷载传递桩体结构。其主要意义在于提高组合桩强度和测摩阻力，抵抗淤泥层欠固结沉降引起的负摩阻力和组合桩顶荷载，降低桩体沉降。根据柔性水泥土桩荷载和变形传递规律，桩体下部传递的内力和压缩变形剧减，影响明显减弱。为此，下段仅考虑采用高压旋喷水泥土桩，通过改善淤泥质土的物理力学性能，增加承载力，以显著降低桩体沉降值［7，8］。

本加固方案采用的组合桩可视为刚性摩擦桩，其承载力应同时考虑:

⑴组合桩桩周土和组合桩桩端土的抗力；

⑵水泥土加给钢管混凝土芯桩桩侧抗力和钢管混凝土桩桩端土的抗力；

⑶合桩桩体复合材料的强度。

取三者可能提供的单桩竖向抗压承载力的最小值，来确定组合桩的极限承载力。目前，国内专家学者对组合桩机理和承载力计算方法取得了诸多研究成果，然而国家有关技术规范对此尚未明确，一般按相关经验公式预估，最终仍通过静载实验确定组合桩承载力［9，10］。

值得注意的是，高压旋喷水泥土与钢管混凝土芯桩黏结强度应该保持在一个合理区间（即刚度系数比不宜过小），也是发挥组合桩机能的关键点。

4 负摩阻力

根据场地地质勘察资料，人工填石层下部海相沉积层淤泥质土超固结比OCR=0.17～0.71，均小于1.0，为欠固结土层。因为土体远没有达到压密平衡，其变形将持续发展，不但发生自重压力的固结沉降，还包括人工填石附加荷载的叠加沉降。这样，淤泥层相对组合桩向下运动，并施加负摩阻力，会导致组合桩承载力的特征值降低。

在组合桩模型静力平衡条件中，应增加组合桩侧负摩阻力因素。根据《建筑桩基技术规范:JGJ 94-2008》，应满足Nk+Qng≤Ra。其中，Qng为负摩阻力引起的下拉荷载，组合桩基的竖向承载力特征值Ra，只计中性点以下部分侧阻力和端阻力；中性点深度比ln/l0可参考取值0.5。并提出，中性点以上的桩身可对其表面进行处理，以减少负摩阻力［11，12］。

本场地内淤泥质土欠固结沉降引发的桩基负摩阻力，是削弱其承载力的重要因素。因此应慎重考虑组合桩负摩阻力影响下的受力平衡状态，确定中性点深度比和组合桩数量，采取降低负摩阻力措施，比如，组合桩上段采用外壁光滑的钢管混凝土桩，显著降低了负摩阻力的影响，并以增大组合桩截面提升侧摩阻力和端阻力安全储备。

5 桩基加固技术分析

本文探讨的既有桩基础加固技术，在其它基础加固工程中得到实际应用，取得了较好的技术经济效果，并获得国家技术专利证书，是组合桩理论的创新性实践。

5.1 技术特点

⑴针对本地区台风和潮汐的影响，钢管混凝土芯桩有利于增强组合桩上部抗压强度和水平抗力，并提高既有加固桩基的整体抗震能力和延性储备。

⑵穿过人工填石层的钢管混凝土桩外侧通过填砂和涂刷防腐漆等形成光滑表面，有利于削弱原加固地基和淤泥土欠固结沉降施加于组合桩的负摩阻力，保证加固桩基的整体承载水平。

⑶控制钢管混凝土芯桩插入水泥土桩的有效长度，既要保证组合桩的竖向承载力，又利于提高工效，降低工程成本。

⑷高压旋喷桩叠压钢管混凝土芯桩工艺，操作轻便，能够避免因过重桩具等附加荷载和扰动引发的原有加固地基的加速沉降。

⑸各组合桩通过扩展承台或托梁与既有加固桩基结成整体，有利于降低台风、潮汐涨落、深厚淤泥固结下沉对既有桩基产生的偏心倾斜和负摩阻力等综合因素的不利影响。

5.2 影响性因素的控制

⑴前文提到，高压旋喷水泥土与芯桩黏结强度应该保持在一个合理区间，保持两种材料的结合效果很重要。例如，在插入水泥土中钢管芯桩侧表面间隔均匀地加焊螺纹短钢筋、二次注浆和适度调整注浆液配合比等，提高水泥土与芯桩的粘结力和组合桩侧摩阻力。

⑵控制水泥土成桩工艺，改善水泥土物理力学能效。通过浆液配合比、空气压力、提升速率、转速、复喷部位、深度和次数等合理操控，实现中间强度高、外围强度低的荷载传递桩体构造，并适当增加水泥土的厚度以提高组合桩的复合承载力。

⑶根据组合桩加载对比实验（其中，S1#桩钢管混凝土桩插入旋喷桩8 m，S2#桩钢管混凝土桩插入旋喷桩12 m。其荷载-沉降曲线（见图2）表现出，随着钢管混凝土桩插入旋喷桩深度的增加，桩顶最大沉降量减少，组合桩的变形主要是由高强度的钢管混凝土桩控制。

同时，结合柔性水泥土桩的荷载与沉降传递特点（见图3），水泥土桩在上部荷载作用下，由于桩体的逐步压缩变形，荷载沿深度的传递急剧衰减，即水泥土桩的受力变形主要发生于桩体上部，桩体下部的受力变形均较小［13］。施工实践中，经常在桩体上部1/3 桩长范围采取复喷等方法提高该段桩体强度，并控制临界桩长。

因此，在组合桩影响因素控制方面，应该考虑:适当增加芯桩的插入深度；在水泥桩与芯桩的结合段采取复喷加大该段桩体刚度；确定水泥土桩有效桩长，节省造价，改善桩体沉降特性。

图2 组合桩荷载-沉降曲线Fig.2 The Load-settlement Curve of the Composite Pile

图3 水泥土桩荷载—位移曲线Fig.3 Load-displacement Curve of Cement-soil Pile

⑷在本场地外缘围筑海堤、人工填石层局部或外沿注浆，截断地表水与海潮的联系，减低潮汐对桩承台地基土的冲蚀效应；通过研制浆液配合比外加剂或填料，解决酸性有机质淤泥土对水泥土桩的质量隐患［2，14］。

6 结论

本案例既有桩基加固所采用的组合桩可视为刚性摩擦桩，各组合桩与既有桩基通过扩展承台能够发挥群桩效应，从而整体提高既有桩基的承载力和稳定性。然而，由于高压旋喷注浆难以形成致密均匀的水泥土固结体，在淤泥土中含有酸性有机质的情况下，水泥土桩强度偏低，一般不易达到预期质量效果［8］。同时，所用钢管混凝土芯桩应适当增大桩径，加强组合桩侧向刚度，在更大程度上发挥其承载潜力和抗变形能力。为此，根据静载实验和相关检测资料，通过进一步改善其构造机理（增大钢管混凝土桩直径及刚度）和成桩工艺，该项加固技术将增大既有建构筑物及设备基础加固补强工程的应用范围。同时，由于其施工快捷、环境因素影响小以及工程成本低，具有较强的实用性，将成为一项具有广泛应用价值的创新型技术。