劲性复合桩在沿海软土地区的应用实例

郑思光 冯士广 纪燕祥 何若梅

(河北省地矿局第二地质大队 唐山 063000)

本次劲性复合桩施工场地位于曹妃甸地区，以软弱的粉质粘土为主，地表以冲填土为主。以往地基处理方法以长螺旋钻孔压灌注桩(CFG桩)、预应力管桩、钻孔灌注桩为主。

CFG桩由于当前设备所限(最大桩长25 m左右，桩径500～600 mm)，单桩承载力有限；预应力管桩软土地基施工常出现挤土效应，遇密实砂土层沉桩困难；钻孔灌注桩施工程序复杂、施工质量难控且产生大量泥浆造成环境污染。

劲性复合桩通过散体、柔性、刚性桩与场地工程地质、水文地质条件的巧妙结合，较好的解决了以上问题。劲性复合桩单桩承载力提高2～3倍，比传统桩型可节省费用20%～30%，无泥浆排放，节能环保。

1 概述

在岩土工程的实际应用中，单一桩型有一定的局限性。砂石桩等散体材料桩对软弱地基处理后承载力提高幅度不大；水泥土类桩的桩身强度受土质、施工工艺影响较大；在软土中采用振动沉管灌注桩施工时，由于振动和挤土效应易造成缩径和断桩现象；预应力管桩在软土中单桩承载力较低，且需进入密实土层，桩身材料得不到充分发挥。20世纪90年代初至今，全国各地逐步发展了刚性桩、柔性桩、散体桩相互复合的桩型，并应用于实际工程。

劲性复合桩是将常用的散体材料桩、柔性水泥土类桩、刚性混凝土类桩三种单一桩型相互组合，后一种桩型在前一种桩体上进行再次施工，形成互补增强的进行劲性复合桩型。可分为散体桩与柔性桩组合成的散柔劲性复合桩、散体桩与刚性桩组合成的散刚劲性复合桩、柔性桩与刚性桩组合成的柔刚劲性复合桩、散柔劲性复合桩和刚性桩组合成的三元劲性复合桩。其中，在散体桩、柔性桩或散柔劲性复合桩桩体上再进行刚性桩施工后形成的桩又称为劲芯劲性复合桩。劲芯劲性复合桩由内芯和外芯两部分组成，根据内芯的长度可又分为长芯、等芯和短芯等。

劲性复合桩适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、粉砂以及人工填土等地基。因此，劲性复合桩对于土体松散，以粘性土与砂类土为主的沿海地区，是一个更好地选择。以下案例是劲性复合桩中短芯桩在沿海软土地区的应用实例。

2 劲性复合桩项目—爱芭家具生产基地

2.1 工程概况

工程场地位于唐山市曹妃甸区中日合作园区，工程场地所属地貌单元为滨海平原，表层土为浅海吹填造地形成。

2.2 工程地质条件

工程场地各工程地质层特征见表1。

表1 地基土工程地质分层及特征

工程场地各土层桩基参数见表2。

2.3 劲性复合桩设计

劲性复合桩技术(粉喷桩桩长15.0 m，内插预应力管桩PHC400AB-95-13)，桩顶相对标高-2.00 m。

(1)劲性复合桩桩侧破坏面位于内、外芯界面时，按公式单桩承载力计算如下：(预应力管桩PHC400AB95-13)

=0.4×3.14×1500×0.05×13+2500×(0.22-0.1052) ×3.14

=1452 kN﹥1200 kN

式中：Ra—劲性复合桩单桩竖向抗压承载力特征值(kN)；

uc—劲性复合桩内芯桩身周长(m)；

lc—劲性复合桩复合段长度(m)；

(2)劲性复合桩桩侧破坏面位于外芯和桩周土的界面时，按公式单桩承载力(Ra)计算如下(粉喷桩径900 mm，有效桩长15 m)：

Ra=u∑ξsiqsiali+aξpqpaAp

=0.9×3.14×(2.74×13×1.5+0.95×20×1.7+5.76×15×2+3.55×20×1.7+0.84×20+1.03×25+0.13×20)+0.452×3.14×100×0.8

=1250 kN﹥1200 kN

式中：u —劲性复合桩桩身周长(m)；

li—劲性复合桩复合段第i土层厚度(m)；

Ap—劲性复合桩桩身截面积()，对散刚劲性复合桩应取刚性桩桩身截面积；对柔刚劲性复合桩和三元复合桩，当刚性桩桩长大于柔性桩或散柔复合桩桩长时，应当取刚性桩桩身截面积；

表2 各土层桩基参数

qsia—劲性复合桩复合段外芯第i土层侧阻力特征值(kPa)，宜按地区经验取值。无经验时，可按表1取值；

qpa—劲性复合桩端阻力特征值(kPa)，宜按地区经验取值。也可取桩端地基土未经修正的承载力特征值；

a —劲性复合桩桩端天然地基土承载力折减系数，对柔刚复合桩可取0.70～0.90，对三元劲性复合桩可取0.80～1.00；

ξsi、ξp—分别为劲性复合桩复合段外芯第i土层侧阻力调整系数、端阻力调整系数，宜按地区经验取值。无经验时，可按表1取值；非复合段侧阻力调整系数、端阻力调整系数均取1.0。

本实例为将管桩压入粉喷桩中大幅度提高了管桩的承载力，并使管桩的压入更加容易和方便。

2.4 经济分析

原设计采用预应力混凝管桩PHC-500A-125-16.5，共440根，单桩承载力特征值550 kN，工程造价130.7万元，经使用劲性复合桩技术(粉喷桩桩长15.0 m，内插PHC400AB95-13)，220根，单桩承载力特征值1200 kN，工程造价108.5万元，节省费用20%以上。

2.5 试桩及载荷试验结果

在该场地进行了两颗大直径劲性复合桩试验：试桩1外桩,采用直径1200 mm，长24 m粉喷桩内插22 m直径500 mm预应力管桩；试桩2采用直径1200 mm，长24 m粉喷桩内插22 m直径500 mm预应力管桩。试1、试2桩在最大荷载6000 kN时，桩累计沉降量分别为22.54 mm、37.50 mm。试1、试2桩的单桩竖向抗压承载力特征值均达到3000 kN，满足设计要求。

上述试验实现了沿海软弱粘性土地区劲性复合桩单桩承载力特征值3000 kN,的突破，最大桩长不足25 m，而预制桩、灌注桩要想达到如此高承载力桩长要达50 m以上，施工难度和费用会大大增加。

3 作用机理分析

管桩的压入会挤密水泥土体和桩周土体及桩端水泥土体，实测800 mm的水泥土桩在400 mm 的劲芯压入后直径增大到860～870 mm，此桩周土体与水泥土体的界面粗糙紧密，黏结力较高，大幅度提高了桩身侧摩阻力(高于一般水泥土桩的7倍以上，也高于桩身平滑的管桩和方桩3倍)。干法水泥土体在受到劲芯挤密时会挤扩桩周土体，而湿喷浆体的挤扩效果较差。

由于管桩与水泥土体黏结强度高，且当水泥土的无侧限抗压强度达到1.5 MPa以上时，其抗剪强度高达0.3 MPa，同时外芯水泥土也承担一定比例的荷载，内外芯之间不会发生相对移动。在上部荷载作用下管桩会将荷载迅速传递到桩外芯和桩周土体，由于桩端下有较高强度的水泥土体，其端阻力也远远高于天然土体，同时提高了桩侧阻力，使管桩处于水泥土体的握裹侧限之中，其压屈条件较好，桩身抗压强度、抗水平力、抗拔力以及抗弯抗剪性能均大幅度提高,可用于高层建筑及深基坑支护工程。

由于水泥土桩体积较大，造价低廉，其产生的较强黏结强度和侧摩阻力以及对劲芯的握裹作用，管桩水泥土复合桩及其它钢筋混凝土劲芯复合桩也具有较高的抗拔承载力。

4 结论

本项目是在现有软基处理方法和桩基工程理论与实践的基础上进行的一次创新，改变了现有桩型的概念，它综合了单一桩型的优点，能根据土质情况、上部结构要求、加固目的，有针对性、灵活地采取多种组合方式，调整各种桩的桩径、桩长、掺灰量、强度、颗粒级别、搅拌和复打次数等，使组合充分发挥出桩周软土摩阻力和桩底阻力又匹配材料强度而产生的足够高的单桩承载力，且能显著提高桩间土体强度和对承载的参与度，多种介质协调匹配，刚柔相济，相互补强，共同提高。还能有效地提高沿海地区软基强度及稳定性，快速降低地基压缩性，并保证整个地基的均匀性，满足设计要求。

劲性复合桩技术是在现有软基处理方法和桩基工程理论与实践的基础上进行的一次创新，改变了现有桩型的概念，它综合了单一桩型的优点，能根据土质情况、上部结构要求、加固目的有针对性的、灵活地采取多种组合方式。

劲性复合桩单桩承载力提高2～3倍，比传统桩型可节省费用20%～30%，无泥浆排放，节能环保。工期短，施工简便。还可以节约资源、保护环境，应用前景广阔。

[1]建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]建筑地基处理技术规范(JGJ 79—2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[3]张雁,刘金波.主编.桩基手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[3]混凝土芯水泥土劲性复合桩复合地基技术规程(DB13(J)50—2005).中国建材工业出版社,2005.

[4]劲性复合桩技术规程(JGJ/T 327—2014)[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[5]爱芭家具生产基地项目岩土工程勘察报告[R],2016.