复合地基技术以其工艺简单、施工方便、造价低廉等优势, 在中小型工程的地基处理中得到了广泛应用^[1], 其推广使用产生了良好的社会效益和经济效益^[2]。初期, 复合地基主要指碎石桩复合地基, 但随着水泥土桩的推广应用, 人们逐渐重视水泥土桩复合地基的研究^[3,4]。但水泥土桩复合地基存在承载力低、桩身强度低、布桩较密等缺点, 因此需要发展一种新桩型来克服上述缺点。

水泥土插芯组合桩是一种芯桩与水泥土共同工作、承受荷载的复合材料新桩型, 既能有效提高地基土的承载力, 减小沉降, 又能充分发挥材料本身的强度, 是一种经济有效的地基处理方法^[5,6]。水泥土插芯组合桩是一种刚性桩, 能够通过调整水泥土和芯桩尺寸匹配、水泥掺量、芯桩类型来调节其与地基土的变形耦合, 由该桩型组成的复合地基能够使桩土共同变形, 以达到共同发挥承载力的作用。水泥土插芯组合桩适用于素填土、粉土、黏性土、松散砂土、稍密砂土、中密砂土等土层^[7], 由水泥土插芯组合桩组成的复合地基同样适用于上述地层, 其他地层条件应通过现场和室内试验确定其适用性。本文结合山东聊城某工程实例, 介绍了水泥土插芯组合桩复合地基的设计与施工情况, 并通过应用效果分析验证了该技术的安全性、经济性与先进性。

建设场地所处地貌类型为鲁西黄河冲积平原, 自然地面相对标高约-0.500m, 地基土自上而下分布有:①杂填土;②粉土;③粉质黏土;④粉土;⑤粉质黏土;⑥粉土;⑦粉质黏土;⑧粉细砂。如图1所示。在勘探深度内, 地层均为第四系冲积相堆积物和湖积相堆积物, 物理力学指标如表1所示。地下水类型为第四系孔隙潜水, 埋深4.000m。

聊城某工程21号、23号高层住宅楼均为主体地上19层、地下2层, ±0.000相当于绝对标高32.200m, 基底相对标高为-6.700m, 剪力墙结构。21号住宅楼平面尺寸为东西长48.96m, 南北宽12.6m;23号住宅楼平面尺寸为东西长48.36m, 南北宽12.2m。本工程原设计采用预应力管桩-筏板基础, 但该桩型单位承载力造价高, 而水泥土插芯组合桩兼具管桩与水泥土桩的优点, 具有造价低、承载力高等特点, 因此将原设计方案改为水泥土插芯组合桩复合地基, 21号楼布桩169棵, 23号楼布桩166棵。组合桩所处地层如图1所示, 设计参数如表2所示。根据设计参数, 本工程采用的水泥土插芯组合桩构造如图2所示。

为了比较水泥土插芯组合桩复合地基与原设计方案在本工程中的经济优势, 将原设计方案造价与复合地基设计方案造价对比 (筏板厚度未发生变化, 不参与比较) , 如表3所示。

水泥土插芯组合桩复合地基比桩基础节约资金12.7%~14.5%, 经济上是合理的。

桩身竖向承载力应满足式 (1) , (2) 要求^[7]:

有管桩段:

无管桩段:

增强体单桩竖向承载力特征值R_a按照式 (3) 计算^[8]:

复合地基承载力特征值f_spk可按式 (4) , (5) 估算^[8,9]:

相关计算参数取值如表4所示。

钻孔231号、232号、233号在桩长范围内的桩侧摩阻力特征值和土的厚度如表5所示。计算得到单桩竖向抗压承载力特征值R_a=1 488.50k N>1 050k N, 复合地基承载力特征值f_spk=407.58k Pa>330k Pa, 水泥土插芯组合桩复合地基设计是合理的。

水泥土插芯组合桩施工机械有组合式与一体式2种, 本工程采用组合式施工机械, 包括水泥土桩施工机械和管桩施工机械。桩机及相关配套设备的型号与用途如表6所示。其中水泥土桩施工机械由三轴搅拌桩机改造而成。为了确保成桩直径, 使土体切削搅拌更加均匀, 在钻杆上设置了外径为700mm的断续螺旋片式搅拌翅, 在钻杆底端设置了带有6片搅拌翅并具有喷射功能的特制钻头。水泥土桩机主要性能指标如表7所示。

后台布置采用布局合理、节省空间、相互协调、操作简便的原则, 其中水泥土罐布置在下风口, 并采取扬尘遮挡措施, 搅拌桶靠近水泥土罐, 储浆池紧挨搅拌桶, 泥浆泵布置在清水池和储浆池之间, 以便向水泥土桩机中泵入浆液和清洗管路。

制桩质量的优劣直接关系到地基处理的效果。水泥土桩施工应确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过20次以上的搅拌, 并且施工中应严格控制喷浆提升速度, 按照式 (6) , (7) 分别对每遍搅拌次数和喷浆提升速度验算^[10]。

式中:h为搅拌叶片的宽度, 取0.3m;β为搅拌叶片与搅拌轴的垂直夹角, 取45°;∑Z为搅拌叶片的总枚数;n为搅拌头的回转数;γ_d, γ分别为水泥浆和土的重度, 取15, 18.6k N/m³;Q为灰浆泵的排量;α_w为水泥掺入比;α_c为水灰比;F为桩身截面积。

采用四喷四搅工艺, 每点搅拌次数为4N, 每遍水泥掺入比为3.75%。经计算得到4N=67.89>20, V=1.5m/min, 采用上述参数进行施工是合理的。

由三轴搅拌桩机升级改造而成的水泥土桩施工机械具有施工速度快、钻头故障率低等优点。根据该型机械的特点形成了适用于其施工的工艺, 具体施工工艺如图4所示。在水泥土初凝前沉管桩, 送桩至设计标高, 施工工艺如图5所示。

采用上述工艺施工时, 水泥土桩平均施工效率为0.75h/棵, 返土约1m³, 返土量为钻孔体积的15.3%, 返土较干燥, 无泥浆污染, 该施工工艺合理。

水泥土桩机在施工中遇到的问题主要有如下几个方面。

1) 随着施工桩数的增加, 螺旋片上携带的水泥土越来越多, 若长时间不清理, 螺旋片会被完全包裹, 形成一个等同于螺旋片外径的圆柱状结构。

2) 钻杆由于重力作用自由下垂, 碰到较硬地层容易跑偏, 造成水泥土桩与管桩不同心。

3) 地层中有砂层, 钻头磨损较快, 钻进能力下降。

针对上述问题, 结合工程实际, 采用如下处理措施。

1) 开始一棵水泥土桩施工时, 随着钻进深度增加, 采用人工方式及时清理螺旋片上的水泥土, 可以每天清理一次, 水泥土在螺旋片上就不会累加。

2) 遇到较硬地层时, 可以多钻进几遍, 经过钻头的多次切割, 可以将钻杆调直, 确保水泥土桩的垂直度。

3) 钻头磨损2~3cm、当天施工任务完成后及时在钻头上补焊耐磨金属。

对于水泥土插芯组合桩复合地基来说, 水泥土桩与管桩是否同心是决定桩基承载力的重要因素。管桩施工前若发现明显的不同心现象, 采取措施纠正。本工程严格按照工艺要求及技术难点处理措施把控质量, 水泥土插芯组合桩同心效果良好。

对水泥土插芯组合桩复合地基质量影响较大的另一个因素为水泥土搅拌均匀程度。为了判断搅拌的均匀程度, 可通过观察返土颗粒均匀性、返土中有无大的土块来判断。实际情况证明, 返土颗粒均匀, 无大的土块, 搅拌效果良好。采用软取芯法检验水泥土强度, 在标准养护条件下28d龄期的立方体抗压强度均大于3.5MPa, 满足设计要求。

测量桩位偏差<110mm, 桩径>700mm, 满足JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》^[10]要求。

每栋楼选取3点做单桩复合地基静荷载试验, 选取1点做复合地基增强体单桩竖向抗压静荷载试验, 其中21-055号、23-069号桩做单桩静荷载试验。进行单桩复合地基静荷载试验时, 选用方形承压板, 承压板边长为2.1m, 在承压板底面以下铺设粗砂垫层, 垫层厚度为100mm。单桩复合地基静荷载试验压力-沉降曲线是平缓的光滑曲线, 如图6所示。当s/b=0.008即沉降量为16.0mm时, 对应的荷载值为487.7~660k Pa, 且按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半^[11], 因此复合地基承载力特征值为330k Pa。

单桩竖向抗压静载试验结果如图7所示, 桩顶总沉降量s<40mm, 因此取最大加载量的一半为单桩承载力特征值, 即单桩承载力特征值为1 050k N, 满足设计要求。

1) 水泥土插芯组合桩复合地基相比原设计的预应力管桩-筏板基础具有明显的技术优势与经济优势, 节约资金12.7%~14.5%。

2) 水泥土插芯组合桩复合地基施工机械具有施工速度快、钻头故障率低等优点, 根据该机械特点形成的施工工艺能够较好地指导施工。

3) 水泥土插芯组合桩复合地基存在螺旋片夹泥、水泥土桩与管桩不同心、钻头磨损等技术难点, 根据其施工特点, 提出了相应的处理措施。

4) 经检验, 水泥土插芯组合桩成桩质量好, 单桩复合地基承载力特征值与单桩承载力特征值均满足设计与规范要求, 水泥土插芯组合桩复合地基取得了良好的应用效果。