采用竹节桩对挤密螺纹桩复合地基进行补强的应用

王雪梅 梁 皓 丁继辉 崔志鹏 李君鹏

（1.中国二十二冶集团有限公司，河北唐山 064099；2.河北益坤岩土工程有限公司，河北石家庄 050066；3.河北大学建筑工程学院，河北保定 071002；4.河北纵横集团丰南钢铁有限公司，河北省唐山 064000）

0 引言

变截面挤密螺纹桩复合地基可增加桩身的粗糙度，加大桩身的侧摩阻力，减少桩体和复合地基沉降。前人分析了螺纹桩的受力机理，探讨了螺纹桩单桩承载力的确定方法[1-3]。钱建固等[4]、周敏明等[5]通过试验得到螺纹加固效应主要是增大桩土间的黏聚力。周 杨等[6]通过室内模型试验和数值模拟，表明变截面螺纹桩的螺纹结构及圆台形桩身能大幅度提高侧摩阻力。Ho 等[7]、Saleem 等[8]通过室内模型试验研究了螺纹桩的传递机理。挤密螺纹桩复合地基的设计和施工中还处于探索阶段，缺乏深入的理论研究。

竹节桩是一种新型的预应力管桩，其通过在桩体外侧加设环状凸肋和纵状凸肋来增加桩-土接触面积以提高单桩承载力。周佳锦等[9]通过软土地基的现场静载试验表明，相比普通预应力管桩，机械连接竹节桩的环状凸肋使得其抗压和抗拔承载力提高20%以上。理论分析、数值模拟、现场试验和模型试验等方法也用于研究静钻根植竹节桩的承载特性和变形特性[10-11]。静钻根植竹节桩主要通过桩周水泥土改善桩-土接触面摩擦性质以及桩端水泥土扩大头改善桩端承载性能。郦 亮等[12]通过静载荷试验研究了竹节桩复合地基进行单桩、单桩复合地基的承载特性。王忠瑾等[13]基于现场实测和数值模型，分析带肋竹节桩的竹节数、桩土模量比、肋径比、摩擦系数等参数对抗压承载力的影响。何福渤[14]通过长螺旋钻孔植桩和锤击法施工的竹节桩单桩抗压承载力试验，表明锤击法施工的竹节桩的承载力大于锤击法施工的 PHC 管桩，长螺旋钻孔植桩工法竹节桩的承载力比锤击法施工PHC 管桩承载力提升明显，且和锤击法施工的竹节桩比，其承载力发挥相对稳定。

沿海软土区料棚采用挤密螺纹桩复合地基，地基承载力有所提高，但不能满足一次性堆载要求。在堆载作用下发生过大的竖向沉降和水平变形，导致料棚边柱桩基水平变形过大等问题，使料棚处于超危状态。因此采用竹节桩加固挤密螺纹桩复合地基，通过现场监测地表变形、柱水平变形和深层水平变形、桩基沉降等，调整施工方案，以满足料棚和柱基础的稳定与安全。

1 原料堆场挤螺纹桩复合地基分析

1.1 土层性质

如图1 土层剖面图所示，场地内主要土层从上至下：人工填土①，软土②呈流塑状态，粉质黏土③呈软塑状态，粉土④稍密，粉质黏土⑤呈软塑-可塑状态，粉土⑥稍密，粉砂夹粉土⑦呈中密-密实，粉质黏土⑧呈可塑，粉砂⑨密实，粉质黏土⑩呈可塑-硬塑状态。本地区抗震设防烈度为8 度，④层粉土层会产生中等液化。第①、②、③、④、⑤、⑥层为软弱土、第⑦层及以下土层为中软土。稳定水位标高1.25～2.75 m。各土层的基本物理力学性质指标见表1。

图1 3#料库土层剖面图

表1 土层基本物理力学性质指标

1.2 原料场挤密螺纹桩复合地基变形分析

图2 为3#料库挤密螺纹桩复合地基及堆载断面图，料库长 675 m（1 轴-76 轴）。结构型式为上部球节点钢网架结构，钢筋混凝土立柱。料库棚架基础采用劲性复合桩基，5 桩1 承台，承台埋深1.6 m。外围为直径700 mm 的水泥搅拌桩，长22 m，内芯为PHC-500AB-125 预应力管桩，长20 m。单桩竖向承载力特征值1200 kN，单桩水平承载力特征值150 kN。

图2 料库挤密螺纹桩复合地基及堆载图示（单位：m）

料库地基采用变截面挤密螺纹桩复合地基进行处理，桩间距为1.8 m×1.8 m 和1.9 m×1.8 m，桩身采用C20 混凝土浇筑，桩身上部2/3 长度直径400 mm，下部1/3 长度桩径300 mm，桩长15 m；第⑤层粉质黏土作为桩端持力层，局部采用第⑥层粉土作为桩端持力层，且桩端进入持力层均不小于1.0 m。地基处理要求：处理后的复合地基承载力达到250 kPa，堆载最大沉降处最终沉降值控制在 500 mm 以内。

图3 为3#料库D 和E 列立柱水平变形，立柱水平变形方向均为向外侧方向。3#料库堆料设计堆载最大高度11 m，当堆载至5～6 m 高度时，地面产生沉陷。在40 轴-50 轴之间，地表最大沉陷量约1.30 m，D 轴柱列网架立柱出现了较大的变形，最大水平位移超过680 mm。E 轴柱列由于4#库的约束作用，水平变形远小于D 柱列的水平变形。现场采取了清除库内堆料及料库外侧反压措施，目前已基本稳定。事故发生后对料库地基进行补充勘察，3#料库补充勘察的纵向剖面见图1，原设计挤密螺纹桩桩长不够，桩端多数落在第④层粉土层，没有进入持力层，且第④层粉土层分布不均匀，导致挤密螺纹桩桩复合地基沉降过大、承载力不能满足一次性堆料要求。

图3 3#料库网架立柱水平位移

1.3 竹节桩加固挤密螺纹桩复合地基方案

挤密螺纹桩复合地基总体设计方案为竹节桩+筏板的桩筏基础，竹节桩布置如图4所示。预应力管桩型号为φ400T-PHC-B-95，竹节桩桩长29～33 m，不考虑第①层填土和第④层中等液化粉土层的侧阻力，把第⑧层粉质黏土或第⑨密实粉砂作为桩端持力层。首节插芯4φ 20 钢筋，长度不小于11 m，插芯段全长灌注水泥砂浆，强度不低于M30。

图4 竹节桩及监测点平面布置图（单位：mm）

挤密螺纹桩复合地基加固方案要求：(1)原堆料区地基已经采用挤密螺纹桩复合地基进行处理，取其地基承载力特征值为104 kPa；(2)料库荷载达到原要求的70%，处理后的地基承载力特征值达到175 kPa；(3)竹节桩单桩竖向承载力特征值≥740 kN；(4)料库在堆载的荷载作用下，地基不产生滑移剪切破坏，稳定安全系数不小于1.2。

2 竹节桩沉桩过程中的监测

料库场地内存在深厚淤泥层，厚约10～13 m，呈软塑-流塑状态，地下水位较高。竹节桩布置在原挤密螺纹桩桩位之间，竹节桩与挤密螺纹桩净距仅1.4 m，在竹节桩施工过程中要采取措施保护原挤密螺纹桩完整性。大面积竹节桩施工导致土体挤土效应明显，造成地面隆起，周边建筑物、厂区道路及地下管线产生水平及竖向位移，竹节桩桩顶上浮等现象。因此在加固处理的原料场在桩基施工时，为防止产生土体变形，引起取料机倒塌、网架立柱倒塌、顶棚垮塌。在竹节桩沉桩过程中对基础沉降（X383-X479）、立柱倾斜（CX383-CX479）、土体深层沉降及水平位移（SC120-SC154）等进行了监测。测点布置见图3，重点控制D 柱列40 轴-50 轴之间的监测值。

为减少竹节桩施工对原有挤密螺纹桩和边柱承台和基桩的影响，采取了如下措施：

(1)根据监测数据，合理布置打桩流向

预制桩常规打桩顺序一般分为由一侧向单一方向进行、自中间向两个方向对称进行、自中间向四周进行等。

本工程打桩区域位于既有建筑物内，为确保立柱水平及竖向位移满足设计要求，保证网架结构的安全性，制定了创新性的打桩顺序：①沿料库长方向划分施工段，在每个施工段内打桩机采取梯队式打桩作业；②先施工靠近立柱一侧的3 排竹节桩，由立柱向堆取料机施打闭门桩，减小立柱的变形。

根据监测数据，合理布置打桩流向、桩机作业间距需≥60 m、控制沉桩速率，以确保变形满足设计要求。

(2)结合监测数据，确定长螺旋引孔、应力释放孔的深度及数量

结合监测数据，确定长螺旋引孔、应力释放孔的深度及数量。引孔次数局部2 次，调整为1 次，释放孔次数由2～3 次调整为1～2 次，引孔及释放孔深度由18～20 m，逐渐缩短为12～15 m。

图5-图8 为D 柱列典型测点立柱沉降和立柱水平位移、土体深层沉降和深层变形随时间的变化规律。监测从2019年12月2日到2020年1月16日，共46 d，2020年1月17日-2020年3月5日由于新冠肺炎疫情停止施工。2020年3月7日开始施工，2020年6月17日结束。

图5 D 柱列典型立柱沉降随时间变化图

由图5 可以看出，竹节桩开始沉桩，距离测点较远时，测点表现为沉降且值很小。随着沉桩距离距离测点的距离的缩小，立柱上浮，到2020年1月16日停工前上隆值随时间的增加而增加，最大上隆值小于15 mm。继续沉桩，当沉桩超过测点后，开始恢复。停工期间开始下沉最大值15 mm 左右。复工开始立柱上浮，上浮值不超过20 mm，沉桩结束后开始恢复，直至稳定，稳定后的沉降值不超15 mm。图6 为D柱列典型测点的倾斜值，通过调整施工路径、采用引孔和打释放孔，控制倾斜值不大于5%。

图6 D 柱列典型立柱水平位移随时间变化图

由图7 可以看出，竹节桩施工期间深层沉降的最大值发生在地表。在竹节桩施工期间采用了引孔和应力释放孔，其深度12～15 m，最大沉降控制在50 mm。由图8 可以看出，竹节桩施工期间土体深层水平位移以向外为主，最大值在地表下0～6 m 范围内，46 d 时最大水平位移11.6 mm。停工后沉降开始恢复，停工50 d 最大水平位移值恢复到4.3 mm。复工后沉降继续增加，到110 d 时水平位移的最大值为48 mm。

图7 D 柱列测点SC150 深层沉降随时间变化曲线图

图8 D 柱列典型测点深层水平位移随时间变化曲线图

施工结束后对8 根竹节桩进行竖向抗压静载荷试验，试验结果表明8 根受检桩均加载至设计最大荷载1480 kN，最终稳定；判定单桩竖向抗压承载力承载力为740 kN，满足设计要求。

3 结论

(1)沿海软土地区变截面挤密螺纹桩复合地基，由于挤密螺纹桩长度不足，料条下挤密螺纹桩复合地基沉降过大，承载力不能满足一次性堆料要求。

(2)采用竹节桩对挤密螺纹桩复合地基进行加固，通过合理布置竹节桩打桩流向，采用长螺旋引孔、应力释放孔，减小竹节桩沉桩的挤土效应对原有挤密螺纹桩、边柱承台和桩基的影响。

(3)料库加固后的现场监测和运行结果表明，加固后的竹节桩+筏板和复合地基满足堆载的设计要求。