近年来随着经济社会的发展, 国内外高层、超高层建筑越来越多, 相应的桩基也朝着大直径、大承载力及节能环保方向快速发展。目前我国高层、超高层建筑普遍采用大直径、大吨位钻孔桩, 桩径可达1.0～1.5m, 桩长可达80～100m, 其最大优点是该桩型的高承载力能满足结构设计要求, 同时不产生挤土效应;其最大缺点是砂石采运、泥浆排放等对自然环境造成较大破坏。

　　 在国外则较多采用预制桩, 如日本的桩型选择非常重视高承载力、环保节能、桩的耐久性等方面, 其高层建筑采用高强预应力管桩作为桩基较为普遍, 在管桩的用材上其混凝土强度等级达到C100以上, 材料的耐久性、耐腐蚀性都达到了较高的要求。在施工方法上采用高精度、低能耗的先进装备机械。施工过程采用根植法、植入法等方法, 减少对环境的生态破坏及物理破坏。

　　 但是预制桩在施工过程中不可避免地会产生挤土效应, 挤土效应除导致桩基上浮, 降低承载力外, 还对周边环境带来破坏。而劲性复合桩充分结合了预制桩和钻孔灌注桩的优点, 是近十几年发展起来的一种新桩型^[1], 具有广阔的发展前景, 开展劲性复合桩的承载特性及施工环境效应研究势在必行。

　　 劲性复合桩是在水泥搅拌桩或水泥旋喷桩等柔性桩内插入钢筋混凝土刚性体, 形成劲性复合体受力桩。基于土体加固形成柔性桩的基础上插入刚性桩, 使常规桩与土体的摩擦界面变为与加固土体之间的摩擦界面, 使其摩阻力有了很大的提高。此外钢筋混凝土刚性体插入后又使搅拌加固体更加密实, 搅拌土体与土摩擦的紧密程度加强。由于水泥加固体的直径大 (直径为0.8～1.5m) , 加之水泥加入土中产生的化学与吸水作用, 土体的土性改善更加显著, 土体加固置换率高, 使土体的复合强度与承载能力有较大提高。因此劲性复合桩承载能力比单一的搅拌桩、刚性桩有很大提高, 使得劲性复合桩具有更高承载力。

　　 当桩穿越较为密实的粉土粉砂地层时, 往往不管采取静压还是打入法施工, 桩体均很难穿越上述土层, 桩的入土深度难以达到设计要求。而劲性复合桩在柔性桩凝固之前插入刚性桩, 可确保刚性桩达到设计深度, 并且由于在柔性桩内插入刚性桩, 故几乎没有挤土效应。

　　 根据其设计形式的不同, 劲性复合桩可分为长芯桩、短芯桩、等芯桩三种^[2], 其承载力主要取决于刚性桩与柔性桩及柔性桩与土体这两个界面的侧阻力与端阻力之和, 设计取二者中的小的承载力作为设计承载力。

　　 在刚性桩插入柔性桩的过程中, 水泥体向外侧土体挤扩与渗透, 此时实际形成的桩土挤扩虚界面大于柔性桩与土的理论界面, 挤扩虚界面的形成及大小与原状土的性质、搅拌体的直径、水泥掺合量、刚性桩的体积等因素相关, 是劲性复合桩承载力提高的内在因素^[3], 如图1所示。

　　 对于水泥浆容易渗透从而发生较好界面挤扩的土层, 如砂土、粉土类地层, 其承载能力会有较大提高。同时适当提高水泥掺合量, 除了能保证搅拌体自身的强度外, 同时还能增强虚界面的挤扩效果, 增加劲性复合桩的承载能力 (原理是增加了原状土的加固密度) 。此外, 除上述提高水泥掺量外, 搅拌桩的直径越大则桩的承载力越高;刚性桩的直径越大则对搅拌桩的挤扩效应越显著, 也有利于提高桩基承载力。

　　 图2为某劲性复合桩静载试验的荷载-沉降量 (Q-S) 曲线, 3根劲性复合桩的柔性桩直径900mm, 桩长17m, 刚性体内芯为ϕ500高强预应力管桩, 长度15m, 水泥掺合比为17%, 设计要求单桩承载力极限值为4 600kN。从图2可以看出, 当加载到4 600kN时, 桩的最大沉降量仅为15.78mm, 回弹率为53%, 曲线仍未出现陡降段。根据《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008) , 试桩破坏的标准为沉降量达到40mm, 可见本劲性复合桩仍有很大承载潜力。

　　 某工程劲性复合桩自上而下穿越的原状土层如图3所示, 桩的持力层为④硬塑粉质黏土层。施工区域周边分布有地铁隧道、热力管线、既有厂房及市政道路等。为研究劲性复合桩施工的环境效应在施工期间对孔隙水压力、深层土体位移及周边管线和建 (构) 筑物的位移进行了施工监测。

　　 图4为桩基施工期间实测的距劲性复合桩不同距离处孔隙水压力变化曲线。由图4可见, 孔隙水压力测点距离劲性复合桩10m时, 随着刚性桩插入深度的变化, 孔隙水压力变化可分为平稳发展、快速上升及快速衰减三个阶段。第一阶段为刚性桩入土深度0～7m时, 此阶段孔隙水压力变化不大, 处于平稳发展阶段;第二阶段为刚性桩入土深度7～14m, 此阶段孔隙水压力快速上升, 峰值达到17.2kPa;第三阶段为刚性桩入土深度大于14m后, 孔隙水压力迅速下降处于快速衰减阶段。孔隙水压力测点距离劲性复合桩15.8m时, 随着刚性桩插入深度的变化, 孔隙水压力变化同样可分为平稳发展、快速上升及快速衰减三个阶段, 但是前两个阶段孔隙水压力监测值较小, 第三个阶段当刚性桩入土深度15m时, 孔隙水压力监测值达到4.5kPa的峰值;孔隙水压力测点距离劲性复合桩距24m时, 随刚性桩入土深度的增加, 孔隙水压力基本没有变化, 表明压桩施工对孔隙水压力变化不起作用。

　　 图5为实测压桩过程中孔隙水压力峰值随其与劲性复合桩距离的变化曲线, 可见在压桩过程中孔隙水压力有一定变化, 同时距离劲性复合桩越远孔隙水压力变化越小。根据本次实测, 劲性复合桩刚性桩入土深度17m, 引起的孔隙水压力变化影响范围在距离劲性复合桩24m以内, 即影响范围约为1.4倍刚性桩入土深度。

　　 从图6单桩施工期间孔隙水压力历时曲线可以看出, 孔隙水压力的抬升与消散同桩基入土深度几乎同步, 该桩2016年12月18日17点27分开始入土至当日的18点32分沉入设计标高, 前期当刚性桩入土深度在上部②可塑-硬塑粉质黏土层内时, 孔隙水压力变化不大;当刚性桩入土深度进入中部③₂粉砂层后, 孔隙水压力迅速上升, 最终至峰值15.8kPa;随着刚性桩入土深度进入下部④硬塑粉质黏土层, 孔隙水压力逐步降低消散, 这充分反映了本场地的地层特性。

　　 从图7 (桩2016年12月19日16点50分开始入土至当日的17点27分沉入设计标高) 可见, 如果相邻桩基施工时间间隔太短, 则孔隙水压力来不及消散, 孔隙水压力出现明显的迭加现象, 因此施工中应注意控制沉桩速率与施工速度。

　　 从图3不同土性孔隙水压力变化曲线可以看到, 桩穿越上部②可塑-硬塑粉质黏土层时孔隙水压力变化不大, 当桩进入中部③₂粉砂层后, 孔隙水压力开始迅速上升, 当桩进入下部④硬塑粉质黏土层持力层后孔隙水压力达到峰值, 并随后出现下降趋势, 但下降的速率比上升的慢。

　　 为进一步研究劲性复合桩施工对紧邻地铁隧道的影响, 布置了土体深层测斜孔进行施工监测。选取两个紧靠地铁隧道的测点CX5和CX6进行深层土体位移分析, 深层土体水平位移测斜孔距离最外排桩为6m, 测斜管长度为20m。

　　 图8和图9分别为测点CX5和CX6深层土体水平位移曲线, 由图可见, 水平位移随着深度的增加其值逐渐减小, 最大水平位移值在地表下7m以上, 其值不超过8mm。地表下8m以下至孔底, 其水平位移值不超过2mm。无锡地铁隧道深度为15m左右, 故此深层土体水平位移值对轨道交通影响较小, 也就是说, 若劲性复合桩距离地铁线5m处施工时, 使轨道产生的水平位移值仅为2mm左右。

　　 随着桩基施工的进行, 深层土体的位移值是累积增加的, 说明深层土体位移发展的总趋势是不可逆的, 但测点CX5位移曲线反映土体位移达到峰值后, 随时间发展其值有一定程度的恢复, 这也反映出土体作为弹塑性体的弹性与塑性变形的特性。

　　 从图8和图9深层土体水平位移曲线分析可知, 劲性复合桩作为弱挤压桩, 在一定距离范围内会对土体产生挤压影响, 只是此影响反映在位移数值上较小而已。对周围建 (构) 筑物、地下管线、轨道等, 劲性复合桩施工的影响应该核定在不影响其正常使用与运作的范围内。

　　 某单层厂房距离某工程边侧劲性复合桩约5.9m, 图10为本厂房典型测点 (JZ7～JZ9, JZ11) 的竖向位移历时曲线。由图10可见, 在整个劲性复合桩施工阶段, 实测的最大竖向位移不超过1mm, 未发现墙体有裂缝, 表明劲性桩的施工对南侧厂房不产生影响。

　　 本单层厂房前有1根正在使用的热力管线, 距离劲性复合桩约4.1m, 由于架空热力管线下部每隔一段距离有混凝土墩托架, 因此可直接将观测点埋设于下部每个混凝土墩台上进行观测。为了反映架空热力管线水平位移情况, 在混凝土墩台上贴反射片对其水平位移进行观测, 典型测点 (GX8～GX13) 的水平位移如图11所示, 在整个施工过程中, 热力管线最大水平位移小于2mm, 表明劲性复合桩施工对架空热力管线基本无影响。由图11可见, 随着施工开展各测点水平位移均不同程度向远离桩基一侧发展, 最大约1.6mm;同时水平位移的速率前期较大后期趋于平缓, 说明劲性复合桩施工过程仍有一定的挤土效应, 但是量值不大;此外由于首先施工靠近管线一侧并逐渐远离因此后期挤土效应趋于不明显。

　　 由图12可见, 施工前期各典型测点 (GX7, GX9～GX12) 最大沉降约2mm, 随后又开始抬升。分析出现这种情况的原因是热力管线的基础采用墩式基础, 埋置深度很浅, 场地上部杂填土很厚且松散, 由于压桩机自重较大造成杂填土产生较大压缩变形故热力管线的墩基发生沉降;同时根据供热部门提供的沉降控制标准, 2mm沉降量均在许可范围内, 对热力管正常使用无影响。

　　 从劲性复合桩的桩体构造上分析, 劲性复合桩的节材性能较显著, 以某工程设计为例, 其采用的劲性复合桩搅拌体直径900mm、长度17m、水泥掺合量17%, 则形成的桩体中83%为原土体, 外加的材料仅占17%, 充分利用了原土体作为受力体, 基本不排出置换土, 这是符合环保节能设计理念的。此外其内插的管桩本身为高强材料, 加上空心, 用材十分节省, 因此由搅拌桩和管桩这两个节材的桩种形成的复合桩体也是相当节材。与相同直径钻孔灌注桩相比, 劲性复合桩不需要用大量的钢筋混凝土材料, 也不需要排出大量的泥浆, 在相同承载能力要求下, 劲性复合桩的施工长度也可缩短到钻孔灌注桩的1/3～1/2。

　　 以某实际工程为背景, 分析了相同承载力下劲性复合桩与钻孔灌注桩及常规管桩在环保节能方面的对比, 如表1所示。从表1可以看出, 钻孔灌注桩的排浆量约为浇筑混凝土体积的5倍, 对环境的影响是很大的。劲性复合桩是具有最小CO₂排量的桩型, 与钻孔灌注桩相比, 可节省大量工程材料, 且可不排淤, 减少对环境生态的破坏与影响, 常规管桩比钻孔灌注桩更经济, 但施工中产生的挤土效应对周边建 (构) 筑物、地下管线、轨道交通线产生的影响非常大, 环境友好性较差。

　　 以无锡某工程为例, 在相同承载力情况下分别对劲性复合桩与钻孔灌注桩进行了对比设计。采用的劲性复合桩:搅拌桩桩长17m, 桩径ϕ900mm, 内插ϕ500管桩, 如图13所示;采用的钻孔灌注桩:直径ϕ600mm, 桩长35m, 内配8■14主筋, 如图14所示。此两种桩型的经济性对比见表2, 可见, 劲性复合桩的经济优势比较突出, 其工程造价仅为钻孔灌注桩工程造价的73.6%。在施工工期方面, 劲性复合桩相比钻孔灌注桩要快, 钻孔灌注桩每台机每天能施工1～2根桩, 而劲性复合桩每套设备每天能施工10～15根桩, 具有显著速度优势。

　　 (1) 劲性复合桩与常规管桩、钻孔灌注桩相比, 在相同承载力情况下, 劲性复合桩的施工长度也可缩短到钻孔灌注桩的1/3～1/2, 相比钻孔灌注桩, 可节约工程造价25%～30%, 具有显著经济优势。

　　 (2) 劲性复合桩中插入的刚性桩体采用高强预应力管桩, 与钻孔灌注桩相比更能节约社会资源;同时不产生泥浆, 不需要排污, 是一种环保型的节材节能的桩型。

　　 (3) 劲性复合桩对土体基本无挤压, 因此在施工过程中, 对工程本身及周边地下管线、建 (构) 筑物、地铁隧道破坏影响大大减少, 所以在城市中心及对周边环境影响要求高的区域内可采用劲性复合桩。

　　 (4) 作为一种新型桩基, 劲性复合桩的水泥用量关系到柔性外芯的质量与强度, 对桩基承载力影响很大, 应严格监督控制, 且搅拌次数不能少于二搅二喷;外芯的施工工艺采用粉喷还是湿搅方法应分析搅拌土体的性状有针对性地选用。

　　 (5) 对于高层建筑或重荷载结构使用劲性复合桩, 应进一步开展其沉降变形的计算与分析。作为一种新型桩基形式, 建议在25层之内及相当于25层荷载的建 (构) 筑物中可将劲性复合桩作为桩基方案之一备选。