素混凝土桩复合地基在四川地区富水软土地基中的运用

时海城，王鹏程，檀峰雷，钦志国，刘孟华

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 101100）

1 引言

富水软土地基存在低透水性、高压缩性以及低承载力等不良工程特性，因此，在富水软土地基上进行的大型工程地基项目往往难以达到项目的安全施工要求[1]。为了解决富水软土地基的不良工程特性，目前国内最常使用的方法是利用水泥搅拌桩法和排水固结法对软土地基进行加固处理。但该方法的工程造价费用相对较高，在实际工程项目中难以实现。素混凝土桩复合地基具有施工速度快、工程造价低、适用范围广以及加固效果好等优点。研究结合理论分析和现场试验，分析四川地区富水软土地基和素混凝土桩复合地基的受力特性，并利用素混凝土桩复合地基的桩体效应将外部荷载传导到较深的地基中，以达到减少富水软土地基沉降的目的，以期提高富水软土地基的稳定性。

2 素混凝土桩复合地基与富水软土地基的基本特性

2.1 素混凝土桩复合地基的基本特性

素混凝土桩复合地基具有施工速度快、工程造价低、适用范围广以及加固效果好等优点[2]。与传统的地基相比，素混凝土桩复合地基是具有高黏结强度的刚性桩，可以将外部荷载传到较深的地基中，因此可以降低地基变形的概率，提高地基的承载力。素混凝土桩复合地基这种将外部荷载进行传导的效应称为置换效应或者桩体效应。素混凝土桩复合地基是以桩、桩间土以及桩顶褥等共同构成的人工地基，复合地基的布置方法有正方形布置、长方形布置、网格状布置以及等边三角形布置等。桩体在土层中的挤入可以使得桩间土产生密实效果，桩间土密度的增加和孔隙比的减小使得土层的强度和模量也随之增大，这种因桩体的挤入而增大密度的效应称为挤密效应。褥垫层是由碎石、粗沙和级配砂石等散体材料组成，其主要作用是与桩土共同承担荷载，改变地基的受力使地基工作呈现协调作用。褥垫层技术是素混凝土桩复合地基中的关键技术，褥垫层的存在合理地调整了地基的压缩性，素混凝土桩复合地基的示意图如图1 所示。

图1 素混凝土桩复合地基的示意图

如图1 所示，褥垫层的存在为桩的刺入提供了条件，如果地基间没有设置褥垫层，那么基础会直接与桩间土和桩相接触，随着时间的增加桩势必会在垂直荷载的作用下出现沉降现象，最终导致荷载向土体转移。设置了褥垫层之后，因为桩的模量更大，所以即使发生变形，桩的变形程度也会比土层的变形小。同时变形的过程中褥垫层的垫层材料也会补充到桩间土中，从而保证了桩和桩间土的支撑力。褥垫层的厚度影响着桩和桩间土之间的应力比，当褥垫层的厚度为0 时，此时桩和桩间土的应力比很大，此时需要考虑桩对于基础的冲切破坏。当褥垫层的厚度不为0 且取值较大时，此时桩和桩间土的应力比无限趋近于1。褥垫层的厚度虽然可以平衡桩和桩间土之间的应力比，但并不是褥垫层越厚越好。如果褥垫层厚度过大，相当于是换土回填造成浪费，其次桩和桩间土之间的应力比很小意味着浅层地基土承担了较大的荷载。浅层地基土的强度相对较低，面对较大的荷载时会导致浅层地基土很快出现压缩变形的现象，最终导致浅层地基土出现沉降现象，这也失去了设置桩的最初的意义。因此褥垫层的合理厚度意义重大，既可以保证桩在水平荷载的作用下不会出现断裂现象，又可以保证桩和桩间土充分地发挥承载能力。经过以往大量实际工程的实践和总结，在充分考虑经济的合理性和技术的可靠性后，得出褥垫层的合理厚度取值在150～300 mm，当桩的间距或者桩的直径过大时，褥垫层的厚度取300 mm 最佳。

2.2 富水软土地基的基本特性

软土是指在自然条件下天然孔隙比大于或等于1 以及含水量大于或等于35%的黏性土，一般出现在流水或者静水的沉积环境中[3]。软土具有低强度、流变性、触变性、高压缩性、低渗透性以及各向异性等工程特性。在富水软土地基中进行工程建设面临着软土易产生流变和压缩的困难，在建筑施工当中如果不进行有效处理，可能会出现软土地基变形甚至是沉降的现象，最终导致建筑结构的损坏。富水软土属于饱和土体，当饱和土体受到了外部施压时，水分会随着外部的压力从土体的孔隙中排出，这时土体内的水压也转化成了土体的有效应力，这一系列转化过程称为固结。土体的含水量变化率一般是由水重度、土颗粒重度、孔隙比以及饱和度等参数的变化决定。对于富水软土地基而言，孔隙比变化率和含水量变化率成正比。

在富水软土地基上建筑施工发生沉降的变化可以分为3 种。第一是瞬时沉降。此现象是在富水软土不排水的条件下出现的变形沉降。第二是固结沉降。此现象是在富水软土受到外部荷载的作用土体中水分随着外部的施压而流出，从而出现土体间孔隙减小的变形沉降。第三种为次压缩沉降。当水压力被完全稀释并消散后，土体一般会在恒定的压力下产生沉降的现象。这3 种沉降现象一般不会分开出现，有很大可能会在某一时段内同时出现其中2 种甚至3 种沉降现象，只是各个沉降现象所占比例不同。对于富水软土来说，发生固结沉降现象的可能性比较大。根据富水软土的含水量特质可知，其发生次压缩沉降的概率和发生固结沉降的概率几乎一致，因此，在富水软土地基中次压缩沉降现象的产生也不容忽视。

软土属于细粒土，其主要具有单片絮凝结构、片组絮凝结构、单片分散结构和片组分散结构4 种典型的结构。软土的结构和受到的外部荷载是软土发生压缩现象的主要原因。软土结构中具有片组分散结构和单片分散结构的软土颗粒，排列形状一般接近于平行，该特质会导致软土易受到外部荷载挤压后流失水分而产生变形，该结构类型中最典型的就是人工压密的土。对于具有单片絮凝结构和片组絮凝结构的软土，因其颗粒排列往往是呈支撑状的，这就导致其变形主要是伴随土体结构的破坏而产生的。

3 工程概况

本工程位于四川省达州市渠县中东部，项目是起于三汇镇西坪社区，途径2 个城镇8 个村庄，终止于铁牛村的全长约为20.5 km 的公路项目。该工程项目顺渠江西岸而下，项目地貌主要以槽形丘间为主，山体多层长条状或者圆状，与地面高度差呈240～425 m，相对高度差约为185 m。拟建桥梁工程选址地区的地貌多呈单斜圆丘，地势相对高度差约40～50 m，地形较为平坦。该项目地区属于亚热带湿润季风气候，夏季高温多雨，水量丰富降雨量大，降雨集中在5 月至9 月，占全年降雨量的70.2%。冬季气温、降水变化相对减小，多年冬季平均气温为6.6 ℃，本工程不涉及冬季施工。该公路项目主线设计速度为80 km/h，为双向四车道一级公路，路基宽度为24.5 m。项目主体分为两个标段，一标段起始桩号在三汇镇K0+000，全长7.8 km，二标段终止桩号在铁牛村K20+406.5000，全长12.706 5 km，二标段项目内由10%的桥梁建设、44%的新建道路和46%的拼宽道路组成。新建、拼宽道路均采用一级公路技术标准，路基宽度为24.5 m。场地路面以沥青混凝土以及碎石基层为主，基础的持力层为碎石基层。桥梁的下部结构主要采用以钢筋混凝土灌注的柱式墩。天桥的上部结构主要采用预应力混凝土连续箱梁，下部结构主要采用一字台，桥墩处采用的是柱式墩。

4 素混凝土桩复合地基在四川地区富水软土地基中的运用

综合考虑施工现场四川地区富水软土深度、施工作业面以及周边因素等，本工程素混凝土桩机械规格选择CFG26m全液压长螺旋钻机，混凝土强度等级为C20，桩尖持力层的深度小于15 m，桩按照大于3 倍桩径设置桩间距，按等边三角形布设，褥垫层厚度设置为200 mm。设计的地基要达到地基承载力要求，需要满足复合地基承载力特征值大于250 kPa，为了保证工程质量，对施工结束地基的实际效果进行验证，随机选用20 根素混凝土复合桩进行静荷载试验。

试验得到的单桩竖向抗压极限承载力最大值为800 kPa，满足复合地基承载力特征值大于250 kPa 的要求。沉降变化维持在6.7～11.2 mm，最大沉降量为11.2 mm，平均沉降量为10.3 mm。以上可以看出，该项目的地基施工符合荷载标准。

低应变动力检测的分类标准一般分为4 类，其中Ⅰ类桩表示桩身完整，Ⅱ类桩表示桩身有轻微缺陷但不影响桩体结构以及承载力，Ⅲ类桩表示桩身有明显缺陷，对桩体结构和承载力产生影响，Ⅳ类桩表示桩身存在严重缺陷。从施工项目建筑中随机选取20 根混凝土复合桩进行低应变检测，检测结果如图2 所示。

图2 低应变动力检测结果图

从图2 可以看出，选取的20 根混凝土复合桩中Ⅰ类桩共有18 根，占检测总桩数的90%，Ⅱ类桩共有2 根，占检测总桩数的10%，Ⅲ类桩和Ⅳ类桩皆为0。说明选取的20 根混凝土复合桩全部满足使用要求，合格率达到100%。

5 结论

为了验证素混凝土桩复合地基在四川地区富水软土地基中的运用情况，对施工项目中素混凝土桩复合地基的荷载沉降变化以及低应变桩身进行质量检测。测试结果显示，单桩竖向抗压极限承载力最大值为800 kPa，满足复合地基承载力特征值大于250 kPa 的要求。沉降变化维持在6.7～11.2 mm，最大沉降量为11.2 mm，平均沉降量为10.3 mm，符合施工标准。随机选取的20 根混凝土复合桩中Ⅰ类桩共有18 根，占检测总桩数的90%，Ⅱ类桩共有2 根，占检测总桩数的10%，选取的20 根混凝土复合桩全部满足使用要求，合格率达到100%。以上结果说明，素混凝土复合地基在四川地区富水软土地基中的运用效果理想，不仅施工方便，而且整体使用效果较好，能够满足项目施工要求。