水泥土复合管桩技术优势及应用价值研究

白冬冬，米春荣，刘 彬，李建明

（1.山东省建筑科学研究院有限公司，山东 济南 250031；2.山东建科特种建筑工程技术中心有限公司，山东 济南 250031；3.山东省组合桩基础工程技术研究中心，山东 济南 250031；4.济南市组合桩技术工程研究中心，山东 济南 250031）

0 引言

水泥土桩、预制桩不适用于软弱的土层，水泥土复合桩的出现，打破其他桩型应用的局限性，大大增强单桩竖向承载能力、节约造价，与现有的技术相比，承载力提高2 倍，相反，单位承载力造价节约20%～60%[1-4]。突破桩身结构承载力受芯桩单桩承载力控制的缺陷，与预制芯桩相比，单桩承载力提高40%～100%，保障水泥土桩侧摩阻力充分发挥，将经济桩径扩大到2.0m；水平荷载作用下消除芯桩抗剪脆性破坏容易产生的问题，水平承载力与现有技术相比提高80%～150%。

1 工程概况

1.1 工程简介

萬和府1#、2#、3#、4#楼项目位于枣城南大街东侧，津南路北侧，阜昌路南侧。1#、2#、3#、4#楼住宅楼层高为1+26 层。

1#、2#、3#楼桩基设计±0.00 所对应的绝对标高为12.90m，4#楼桩基设计±0.00 所对应的绝对标高为13.20m。桩顶标高均为-6.49m。

1.2 设计概况

本工程地基基础设计等级为甲级，建筑桩基安全等级为二级，建筑桩基设计等级为甲级。桩基采用桩径φ0.9m 的水泥土复合管桩，1#、2#、3#、4#楼普通工程桩水泥土桩长度26.0m（保护桩头0.5m，实际26.5m），植入的管桩为PHC-500AB-100-24。水泥土桩固化剂采用P.O 42.5 水泥，水泥掺量为500kg/m3。各栋楼基桩数量见表1 所示，工程桩单桩竖向抗压极限承载力标准值为6200kN。

表1 拟建建筑物桩基数量及桩顶相对标高

2 技术原理

利用特制钻具，配合高压力大流量泥浆泵及大功率空压机组成的水泥土成桩系统，在地基中直接钻进施工水泥土桩，综合高压旋喷与深层搅拌两种方法的优点，施工出直径大、桩身质量均匀、低返浆量的水泥土桩。然后利用一体化桩机，水泥土凝固前在水泥土桩中心位置插入尺寸匹配的预制芯桩，形成水泥土复合桩，综合水泥土桩侧阻力高与预制芯桩自身强度高的优点，使预制芯桩与水泥土桩共同承担上部荷载，达到比灌注桩等刚性桩更高的性价比。

通过实时监测施工全过程，监测不同深度处的水泥用量、钻进难易程度、压桩力等，根据需要随时调整施工参数，使桩身质量均匀，减少水泥浆浪费量，降低工程造价及环保费用。

3 对资源能源利用的影响

3.1 资源利用方面

水泥土复合管桩主要应用石子、钢筋、砂子等材料，以萬和府工程为例，采用水泥土复合管桩共需要308 棵桩，桩径900mm，桩长26m，单桩承载力为6200kN，初始设计钻孔灌注桩同样布置308 棵桩，桩径700mm，桩长40m，每棵复合桩和每棵钻孔灌注桩消耗资源见表2。

表2 复合桩和钻孔灌注桩资源利用情况

通过以上计算，在同一承载力条件下，复合桩与钻孔灌注桩相比，节约钢材66%、节约砂石79%，得到相关业主与环保部门的认可，并且减排泥浆近2.3 万方，减轻环境污染，节省泥浆处理直接费用162.3 万元。

3.2 能源利用方面

在水泥土复合管桩施工的过程中，主要是对电力的消耗，主要设备为整体式桩机，功率为210kW，每个工程消耗约19.4 万度电，折算成标准煤5.88 万t，而钻孔灌注桩采用旋挖钻机，功率为220kW，消耗约23.7 万度电，折算成标准煤为7.18 万t，通过计算分析，在能源使用方面，复合桩比钻孔灌注桩节约18%左右，结果见表3。

表3 复合桩和钻孔灌注桩能源利用情况

4 效果监测

4.1 成桩质量

管桩允许定位偏差为10mm；垂直度偏差为0.5%，桩顶标高允许偏差为±50mm。管桩植入要在水泥土桩施工完成1～2h 内施工完成，允许最长时间间隔不能大于2h。

水泥土桩和管桩是否同心，这一因素对于其质量有较大的影响，为了两者能很好的优化结合，同心组合，我们要严格把控管桩的施工过程，发现偏心随时进行纠偏，本工程严格按照水泥土复合管桩的施工工艺进行施工，同心效果良好，复合管桩示意图如图1 所示。

图1 水泥土复合管桩顶面照片和剖面

4.2 静载试验

每个楼选取三个点做静载试验，样品编号为JJ20-04498～JJ20-04500，相对应的桩施工编号为41#、42#和45#。试验桩的设计桩顶标高为-6.49m，试验桩的最大加载量为6400KN，加荷方式采用慢速维持法，待每级荷载下沉量满足规范规定的稳定要求后方可加下一级荷载，直至满足终止试验条件，以1#楼42#桩为例，加载级数和累计位移结果如图2 所示。

根据《建筑基桩检测技术规范（JGJ 106—2014）》，桩顶总沉降量s 小于40mm，因此取单桩承载力特征值为最大加载量的一半，即单桩承载力特征值为3200kN，满足设计要求。

图2 水泥土复合管桩加载级数和累计位移曲线

1#楼3 个检测点当最大加载压力全部达到设计要求压力值时，都未出现极限破坏，停止继续加荷载并卸载。

5 结论

（1）水泥土复合管桩是针对软弱地基并以竖向抗压为主而开发的一种大直径、长桩、高承载力、绿色环保的新型组合桩，通过管桩与桩周土的优化匹配，使桩身材料强度与桩周土阻力同时发挥。

（2）在同一承载力条件下，复合桩与钻孔灌注桩相比，节约钢材66%、节约砂石79%，得到相关业主与环保部门的认可，并且减排泥浆近2.3 万方，减轻环境污染，节省泥浆处理直接费用162.3 万元，在能源使用方面，复合桩比钻孔灌注桩节约18%左右。

（3）水泥土复合管桩融合水泥土桩和管桩的优点，既利用管桩承担荷载，又利用大直径水泥土桩提供侧摩阻力，单桩承载力显著大于相同规格的水泥土桩、灌装桩。