素混凝土桩复合地基在珠海横琴软土地基处理中的应用

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　　摘  要：素混凝土桩复合地基具有强度高、施工工艺简单、工程造价低等特点，是软土地基处理中常用的处理方式。以珠海横琴濠江路道路工程为例，通过分析素混凝土桩对地基的作用机理，从承载力和地基沉降两个方面进行设计。
　　关键词：素混凝土桩;复合地基;承载力;沉降量
　　中图分类号：TU473.1       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）15-0171-02
　　Abstract： Plain concrete pile composite foundation has the characteristics of high strength， simple construction technology and low engineering cost， so it is a common treatment method in soft soil foundation treatment. Taking Haojiang Road Project in Hengqin New Area of Zhuhai City as an example， by analyzing the action mechanism of plain concrete pile on foundation， the design is conducted from two aspects of bearing capacity and foundation settlement.
　　Keywords： plain concrete pile; composite foundation; bearing capacity; settlement
　　引言
　　软土是指天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高的细粒土、包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。这类土的大部分处于饱和状态，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1[1]。这类土作为地基压缩量大，排水固结慢，沉降稳定时间长，稳定性差，一旦受到扰动，强度明显降低，甚至成为流动状态。作为天然地基，很难满足强度和变形的要求，需要采用一定的地基处理方法进行处理，以提高地基强度和稳定性。
　　1 软基处理分类
　　地基处理的目的是利用置换、挤密、排水、胶结、加筋等方法，对地基土进行加固，以提高地基土的抗剪强度、改善地基土压缩性和渗透性增大地基的承载能力。加固原理如下：
　　置换法是指将基础底面下处理范围内软弱土层部分或全部挖除，再分层置换物理力学性质较好的岩土材料，并加工夯实、密实作为垫层。其作用是提高基础地基承载力，减小基础沉降量，加速基土排水固结。
　　排水固结法是指软土地基中设置水平和竖向排水系统，改变地基原有排水边界条件，在荷载作用下，土中孔隙水慢慢排出，孔隙比减小，地基发生固结变形，提高地基承载力，减小工后沉降。
　　胶结：向土体中拌（灌）入水泥、石灰或者其他化学固化浆材，使其在地基中形成增强体，以达到地基处理的目的，主要方法有深层搅拌法、高压喷射注浆法、挤密灌浆法。
　　挤（振）密原理：采用挤（振）密方法使地基土的空隙减少、密实度增加，以达到提高地基承载力和减小沉降的目的;加筋原理：将强度高、模量大的筋材（如土工格栅、土工织物等），加在软弱地基中形成复合体。当受到外力时，筋材与周边土体发生相对位移，存在于两种材料表面的咬合力和摩擦阻力（即将侧压力增加到土体上）在阻止土体侧移时，对土体力学性能进行一定程度的改善，进一步提升土体承载力以及强度[2]。
　　2 素混凝土桩复合地基法
　　素混凝土桩是复合地基的一种，是在碎石桩中加入适量中砂、水泥，并用水将其搅拌，形成一种粘结度高的刚性桩体。其作用机理为：在上部荷载作用下，素混凝土桩压缩变形小于周围土体变形，桩身分别向褥垫层和下卧层刺入，桩土共同承担荷载，在褥垫层的变形调解下荷载逐渐向桩顶转移，能有效降低复合地基总体沉降[3]。
　　3 工程实例
　　3.1 项目简介
　　珠海濠江路道路工程位于珠海市横琴新区横琴口岸南侧。路面结构下素填土主要由黏性土、大量花岗岩块石夹砂粒等组成，结构不均匀，局部钻孔揭露素填土层厚度达到8m。
　　3.2 地质勘察
　　勘察场地内普遍分布有海陆交互相沉积层软土，即淤泥②1和淤泥质土②3，其中淤泥②1埋深一般、厚度较大，其层顶埋深为0.0～22.20m（标高-18.27～1.83m），揭露厚度1.40～24.20m，平均13.41m;其中淤泥质土②3埋深较深、厚度较大，其层顶埋深为14.20～40.0m（标高-36.10～-9.74m），揭露厚度1.0～30.50m，平均15.21m。由十字板剪切試验可知淤泥②1层原状土抗剪强度Cu值为9.35～20.56kPa，平均值为14.46kPa，重塑土抗剪强度Cu'值为2.87～6.45kPa，平均值为4.69kPa，灵敏度St值为2.81～3.49，平均值为3.08，淤泥②1层属中等灵敏性软土。
　　根据本项目工程地质勘察资料显示，拟建场地下伏淤泥软土层，该层厚度大，具高含水量、高压缩性、大孔隙比、高灵敏度，强度低等特性，具流变、触变特征，易导致路基沉降和失稳，为路基软弱下卧层，需要对其进行处理。
　　3.3 方案设计
　　3.3.1 素混凝土桩复合地基参数设计
　　根据初步设计图纸和专家评审意见，本次软基处理采用素混凝土桩复合地基进行软基处理。
　　素混凝土桩符合地基设计参数主要有：桩长、桩径、桩距和排距、桩身混凝土强度、褥垫层及材料等[4]。 　　（1）桩长设计。桩长是复合地基设计时首先要确定的参数，它取决于建筑物对承载力和变形的要求和土质条件等因素。根据岩土工程勘察报告提供的场地各层土的主要工程性能指标，本工程选取淤泥深度较大作为计算代表性钻孔，孔口高程5.03m，桩顶标高1.5m，桩长23m，加固填土层厚度1.0m，加固淤泥层厚度21.8m。（2）桩径设计。桩径取决于所选用的施工设备，本工程拟采用长螺旋钻孔、管内泵压混凝土成桩，设计桩径为40cm，桩身混凝土强度等级C15，水泥为强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥。（3）桩距和排距。设计根据岩土工程勘察报告提供的场地各层土的主要工程性能指标及设计桩长和桩径，本工程拟采用正方形方式布桩，桩距为1.8m，面积置换率4.78%。（4）褥垫层设计。褥垫层保证桩和土共同承担荷载，褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等透水性材料，厚度宜为15～30cm。本工程桩顶通过扩大头C25混凝土桩帽连接，并在桩帽顶部铺设30cm碎石+20cm土工格室（充填20cm厚碎石）。
　　3.3.2 单桩承载力特征值
　　根据规范，按下式计算单桩承载力特征值（桩径d=0.4m）：
　　Ra=Up？撞qsili+？琢Apfak
　　式中：Up-桩周长;Ap-桩截面积;？琢-桩端天然地基上的承载力折减系数，取0.8;qsi-桩周侧阻力特征值;fak-桩端天然地基上的承载力特征值。
　　根据钻孔资料可以得知，填筑土层的桩长为1.0m，淤泥层的桩长为21.8m，淤泥层的承载力为50kPa，则计算单桩承载力Ra=237.8kN。
　　3.3.3 复合地基承载力特征值
　　fsp.k=Ra.m/Ap+？茁（1-m）fsk
　　式中：fsp.k-复合地基承载力特征值;fsk-桩间土承载力标准值（kPa），取50kPa;M-桩土置换率;Ap-桩体横截面积（m2）;？茁-桩间土承载力拆减系数，取0.8;Ra-单桩竖向承载力（kN）;通过计算，复合地基承载力特征值为：fspk=130.6kPa。
　　3.3.4 沉降量计算
　　《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02-2013）中指出，在荷载作用下复合地基总沉降量s包含两部分（褥垫层的变形量很小，可以忽略不计）：地基加固区沉降S1计算和加固区下卧层沉降S2，即s=S1+S2。
　　加固区压缩量S1的计算方法有应力修正法、桩身压缩法、复合模量法等，素混凝土桩复合地基处理深厚软土地基设计时采用较为简单易行的复合模量法计算，该方法将复合地基加固区中桩体和原地基土两部分看作一个整体——復合土体，采用复合压缩模量来表述复合土体的压缩性，将加固区土层分成n层，采用分层总和法计算。加固区压缩量S1为素混凝土桩复合地基处理深厚软土地基设计时采用
　　（1）复合地基的加固区最终变形按下式计算：
　　S1式中：？驻pi-第i层土的平均附加应力增量;Li-第i层土的厚度;m-复合地基置换率;？追si-复合地基加固区复合土层压缩变形量计算经验系数，根据复合地基类型、地区实测资料及经验确定，取值1.0;Espi-第i层复合土体的压缩模量;Epi-第i层桩体的压缩模量，取值Ep=83.4qu;Es-第i层桩间土的压缩模量，可取天然地基压缩模量;？驻p-桩顶附加应力（kPa），主要包括：道路行车荷载、道路结构层、路基土、褥垫层等荷载，取70kPa。
　　经过计算复合地基加固区的最终变形S1=46.3mm。
　　（2）复合地基加固区下卧层的沉降S2可按现行《建筑地基基础设计规范》（GB 50007）的有关规定计算，采用各向同性均质线性变形体理论。其最终变形量可按下式进行计算。
　　式中：s-地基最终变形量（mm）;s′-按分层总和法计算出的地基变形量（mm）;？鬃s-沉降计算经验系数;n-地基变形计算深度范围内所划分的图层数;p0-相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力（kPa）;Esi-基础底面下第i层图的压缩模量（MPa）;zi、zi-1-基础底面至第i层图、第i-1层土底面的距离（m）;i、i-1-基础底面计算点至第i层图、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，可按本规范附录K采用。
　　根据规范中表5.3.5和附录K，按照上述计算公式，可得下卧土层压缩变形量S2=196.5mm。
　　（3）地基总沉降量计算
　　综上所述，本项目复合地基加固区沉降量S1=46.3mm，下卧层的沉降量S2=196.5mm，则总沉降量为S=S1+S2=242.8mm<500mm。
　　4 结束语
　　素混凝土桩复合地基能较大地提供地基承载力，地基变形较小，施工工艺成熟，既方便又快捷，同时具有一定的成本优势。本文通过介绍素混凝土桩在珠海横琴软基处理的应用，以期为市政设计同行提供一些思路和方法。
　　参考文献：
　　[1]交通部.公路路基设计规范.JTG D30-2015[S].人民交通出版社，2015.
　　[2]喻永华.公路中常用的软基处理方法及其检测[J].辽宁交通科技，2005（1）：4-6.
　　[3]高明军，等.素混凝土桩复合地基在深厚软土地基处理中的应用[J].河海大学学报（自然科学版），2008，36（1）：67-70.
　　[4]姜规模，等.素混凝土桩复合地基在西安地基处理工程中的应用[J].城市勘测，2008（1）：144-149.
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