郑德胜

(江苏省化工设计院有限公司,江苏 南京 210024)

我国东南沿海河口地区一般为滨海淤积平原,表层一般有人工吹填,地表浅部为第四纪全新世中晚期河口海相和海相堆积,承载力较低,如采用天然基础很难满足建筑承载力与沉降限值的要求,因此需要采用一定的措施进行地基处理,如采用水泥土搅拌桩或采用桩基础。近些年来形成的一种将水泥土搅拌桩和预应力混凝土管桩两种桩体组合形成新型桩基-柔刚复合桩,其利用水泥土搅拌桩加固表层土体,并提高桩侧阻力,以高强预应力。混凝土管桩为芯桩可充分发挥其强度高、刚度大、质量可控、施工便捷的特点。我国对柔刚复合桩的研究和应用开始于20世纪80年代,经过多年的实践,目前该类桩型已经广泛应用于国内交通与建筑行业中桩基础[1-2]。本文以实际工程案例介绍柔刚复合桩在工程中的应用。

1 工程概况

本工程位于余姚市灵山镇,单体建筑平面尺寸为136.8 m×69.00 m,建筑高度23 m,为4层工业厂房,建筑物内设置较多反应釜及装置储罐等中、大型工业设备,屋面设有屋顶花园,采用钢筋混凝土框架结构,单柱荷载约5 000 kN～7 000 kN。建筑安全等级为二级;抗震烈度为6度;地震加速度值为0.05g;建筑场地类别为Ⅲ类,抗震分组为第一组,属于抗震一般地段,建筑抗震设防类别为乙2类,钢筋混凝土框架抗震等级为三级,抗震构造措施三级。项目分多期实施,本期厂房为工程第三期,前期厂房已经竣工投产。

1.1 工程地质情况

根据地勘报告显示,场地特殊性岩土主要为:1)表层素填土与冲填土,为后期人工吹填而成,结构松散,成分较杂,内掺碎石、砖块等混黏性土,具有中—高压缩性。2)④-1层软土,距离地表下16 m～39.5 m,具有高灵敏性、高压缩性、高触变性、低强度、弱透水性等典型软土特性,在天然状态下具有一定强度,但一旦扰动,土体极易破坏,土体结构极易破坏,强度急剧降低。其余各层土层物理力学指标如表1所示(极限侧阻力和端阻力分别为预制桩/灌注桩取值)。

表1 场地主要土层物理力学参数

1.2 水文情况

由勘察资料可知场地地下水主要为场地浅部地下水,主要赋存于浅部杂填土层及浅层黏性土层中的孔隙潜水,潜水主要接受大气降水和附近河水补给,其水位变化受气候、环境影响明显,以蒸发方式排泄和向附近河流侧向径流排泄为主,稳定地下水位埋深为0.2 m～2.0 m左右。本场地孔隙承压水分为浅部微承压水及深部微承压水,浅部微承压水主要分布于第③-1层黏质粉土、第③-2层砂质粉土及第③-3层粉砂层中,该组合大层厚度约10 m以上,第③-1层及第③-2层含水量较小,第③-3层含水量稍大,孔隙承压水系微承压水,对基坑开挖影响有限,但本场地潜水位标高较高,当基坑底标低于潜水位标高时,在潜水作用下,易产生突沙、管涌现象,对基坑开挖影响较大,应提前进行降水作业。

场地地下水、土对混凝土结构均为微腐蚀,对混凝土结构中钢筋在干湿交替下有弱腐蚀性,长期浸水时为微腐蚀性,按照GB/T 50046—2018工业建筑防腐蚀设计标准第3.1.12条,微腐蚀环境可按正常环境设计[3-4]。

2 各种桩型施工可行性比较

根据地勘资料并结合项目前期设计方案,现场可采用钻孔灌注桩、高强预应力管桩与柔刚复合桩三种桩型,就以上桩基选型进行可行性分析,具体内容如下。

2.1 钻孔灌注桩方案

采用直径800 mm的钻孔灌注桩,桩长54 m,配筋选用国家建筑标准设计图集22G813钢筋混凝土灌注桩中YZ800-54-4,35/E,19/D-C35;计算后承载力特征值约3 050 kN,采用该类桩型优点:钻孔灌注桩属非挤土桩,无振动,低噪声,成桩直径大,单桩承载力较高,桩径和桩长可根据上部结构与荷载要求等特点灵活选择。适宜于本场区岩土工程条件和施工环境,同时,该桩型在宁波市已有大量工程采用,成桩施工没有问题,只要解决好桩底沉渣厚度等问题,桩基质量一般均能满足设计要求。

采用该类桩型缺点:钻孔灌注桩投资大、工期长,其成桩质量受施工单位的施工工艺、施工设备和施工人员的技术素质等因素的影响较大,尤其是地基土中粉粒含量较高,清孔、孔底沉渣厚度等较难判断,场地淤泥层,施工现场将产生大量泥浆,还需解决场区泥浆排污问题,总体对环境影响较大。现场前期项目中有建筑单体采用该类桩型,承压水及④-1层淤泥质粉质黏土层对沉桩有一定的影响,易产生塌孔和缩径,前期现场施工中出现的三类桩较多,但经检测后尚能满足承载力要求。

2.2 高强预应力管桩方案

采用高强预应力混凝土管桩,桩型选用浙江省建筑标准图集2010浙G22先张法预应力混凝土管桩中 PHC 600 AB 130-C80型,桩长54 m,采用锤击法施工,优点如下:桩身强度高,桩身质量由制造厂商保证,沉桩质量满足要求。现场施工机械化程度高,无泥浆污染,质量较为可靠,施工工期短,费用相对较低。桩端以第⑧-1层作为桩端持力层,承载力特征值2 700 kN。因建筑场地上部全场存在中密,局部密实状的第③-1层及第③-2层粉土层,局部存在中密状的第③-3层粉砂层,现场沉桩困难,设置开口型桩尖,但挤土效应还是较为明显,导致后期沉桩尤其困难,爆桩率较高,现场补桩较多,引起设计变更较多,增加桩基和承台的费用。

2.3 柔刚复合桩方案

将水泥土桩和预应力混凝土桩两种桩结合起来,组成柔刚复合桩,主要桩型见图1。柔性桩采用水泥土桩,采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥,掺入量不小于18%,水灰质量比0.6,在标准养护条件下,90 d龄期的立方体抗压强度值不小于1.6 MPa,桩径1 000 mm;刚性芯桩采用高强预应力混凝土管桩,由于单桩承载力加高,地面首节桩采用PHC 600(130)-C105超高强混凝土管桩,其余各节桩采用PHC 600 AB 130-C80。由于软弱土层较为深厚,建筑物单柱下荷载较大,为防止桩基沉降较大,综合考虑采用长芯柔刚复合桩,单桩承载力约为3 700 kN。

3 柔刚复合桩设计分析

结合建筑荷载特性和场地地质条件,本工程选用的桩型为长芯柔刚复合桩,外芯采用注浆搅拌桩,搅拌长度10 m,刚性芯桩采用高强预应力混凝土管桩,由于单桩承载力加高,首节桩采用PHC 600(130)-C105,其余各节桩采用PHC 600 AB 130-C80,桩长54 m,桩间距取值max(4倍内芯直径;1.5倍外芯直径)=2.4 m;长芯柔刚复合桩竖向抗压承载力特征值承载力估算可按照JGJ/T 327—2014劲性复合桩技术规程[5]第4.3章进行估算:

1)长芯柔刚复合桩桩侧破坏面位于内、外芯界面时,基桩竖向抗压承载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)长芯柔刚复合桩桩侧破坏面位于外芯和桩周土的界面时,基桩竖向抗压承载力特征值可按下式估算:

其中,u为长芯柔刚复合桩身周长,m;li为长芯柔刚复合桩桩身截面积,m2;qsia为长芯柔刚复合桩复合段外芯第i土层侧阻力特征值,kPa;εsi为长芯柔刚复合桩外芯第i土层侧阻力调整系数。

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)桩身结构混凝土强度对应的竖向承载力特征值按Ra=Rp/1.35计算。桩型分别选用2010浙G22先张法预应力混凝土管桩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,当桩身值采用C80混凝土PHC桩时,承载力特征值略低于设计要求桩特征值;将桩基首节桩换用321183-R177—2021JH先张法预应力超高强混凝土管桩UHC600(130)Ⅰ型桩基,桩基混凝土强度C105,承载力特征值Ra=5 652/1.35=4 186 kN,满足设计要求。

综上所述,长芯柔刚复合桩承载力特征值可选用:3 700 kN。

基础设计时将芯桩内钢筋锚固入承台内,由于外围设置劲性水泥土搅拌桩,桩的水平推力也较管桩有一定的提高,确保在风、地震工况下的桩基安全[6]。

4 桩基沉降计算

对于桩中心距不大于6倍桩径的桩基,其最终沉降量计算可采用等效作用分层总和法。等效作用面位于桩端平面,等效作用面积为桩承台投影面积,等效作用附加应力近似取承台底平面附加压力。等效作用面以下的应力分布采用各向同性均质直线变形理论,桩基内最大沉降量可按下式计算(按双桩承台设计)[7]:

计算得出沉降量如表2所示。

表2 桩基沉降表

现场采用慢速维持荷载法分别对管桩与刚柔复合桩进行单桩竖向抗压试桩,最大试验荷载和对应沉降量如表2所示。

由表2可知采用长芯柔刚复合桩承载力相较管桩,承载力有较大提高,但试验沉降量并不增加,并明显低于采用管桩计算方法取得的计算值,可见采用长芯柔刚复合桩,由于长芯管桩在插入水泥土桩时有向外挤扩作用且水泥土桩对周围土体有一定的加固作用,能有效地控制建筑物的沉降量。

5 各桩型基础经济性比较

设计过程中,考虑桩基的稳定和荷载的有效传递,未选用单桩承台,从造价上对各种桩型进行对比分析,承载力与单桩综合造价如表3所示。

表3 各桩型经济性比较

由表3可见采用混凝土灌注桩成本远高于其他两种桩型,采用长芯柔刚复合桩虽然桩数较少但单价较高,与高强预应力管桩基础方案相比经济性差异不大。后期针对工程的特性,采取一定优化措施:对建筑物周围柱由于受力较小,桩型可换用成高强预应力管桩,中部受力较大柱下采用长芯柔刚复合桩,经计算最终地基方案采用PHC 600 AB 130-C80-54管桩:98根;采用长芯柔刚复合桩232根,桩造价为531.81万元,桩承台费用不变,总造价降低为688.13万元,相较高强预应力管桩方案节省造价84.15万元,节省造价约11%,具有一定的经济优势。

6 长芯柔刚复合桩的施工

施工前应收集必要的资料并进行成桩工艺试验,数量不得少于3根。当成桩质量不能满足设计要求时,应在调整设计与施工参数后重新进行试验。外芯水泥土桩采用粉喷工艺施工,内芯管桩施工在外芯桩成桩6 h内进行,桩端采用桩尖或封头钢板进行封闭。

长芯柔刚复合桩的施工工艺流程为:定位放线→桩位复核→外芯水泥土桩机就位→外芯水泥土桩施工→外芯水泥土桩移位至下一根桩→管桩桩基就位→桩位再次复核→管桩桩基施工→长芯柔刚复合桩成桩。

施工时应特别注意外芯和内芯的垂直度和偏心,垂直度允许偏差为0.5%,桩位的允许偏差为±10 mm。

7 长芯柔刚复合桩的检测

长芯柔刚复合桩质量检查主要为外芯水泥土桩成桩和预制管桩成桩的两个工艺过程的质量检查。施工过程中应随时检查施工记录,出现异常情况应及时处理。

水泥土桩的质量检查应符合JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范的相关规定,主要检查内容为:1)控制性轴线、桩位的复核、水灰比、水泥用量、桩长、搅拌头转数和机头升降速率、复搅次数和深度、喷浆时间、停浆处理方法、桩顶及桩底标高、垂直度等施工参数及程序。2)成桩后7 d内采用浅部开挖桩头(深度宜超过停浆(灰)面下0.5 m),目测检查搅拌的均匀性,量测成桩直径。检查量为总桩数的5%。3)成桩后3 d内,可用轻便触探试验(N10)检查每米桩身的均匀性,检测数量为施工总桩数的1%且不少于3根。

预制混凝土管桩的质量检查应按照GB 50202—2018建筑地基基础工程质量验收规范与JGJ 94—2008建筑桩基技术规范实施。

长芯柔刚复合桩一般在成桩14 d～28 d后进行单桩静荷载试验,采用慢速维持荷载法。单位工程的工程桩检测数量不少于同条件下总桩数的1%,且不应少于3点;当总桩数少于50根时,检测数量不应少于2根。由于桩基的承载力较高,桩基完整性检测一般采用全部检测,确保工程质量。

8 结语

在软弱土层深厚的沿海地区,基础工程的造价在整个工程中所占较高,长芯柔刚复合桩由于存在外芯注浆搅拌桩,增加了桩侧的摩阻力且加固了表层土承载力,相较于一般管桩,长芯柔刚复合桩在承载力上有较大的提高,同时桩基沉降未见增加,能够有效地减少建筑物的桩基数量,控制建筑物的沉降,增强地表土体承载力,在工程应用中具有一定的经济效应,符合安全、低碳、绿色的结构设计理念。