1、劲 性 复 合 桩 在 水 闸 软 土 地 基 中 的 研 究罗 浩（上 海 勘 测 设 计 研 究 院 有 限 公 司，上 海 200434）摘 要 劲 性 复 合 桩 作 为 近 年 来 工 程 应 用 中 的 一 种 新 型 地 基 处 理 桩 结 构，结 合 了 刚 性 混 凝 土 桩 和 水 泥 土 拌 合桩 的 优 点。本 文 以 某 水 闸 为 例，对 比 探 讨 多 种 地 基 处 理 方 式。结 果 表 明，在 满 足 地 基 承 载 力 和 沉 降 要 求 的 前提 下，劲 性 复 合 桩 方 案 能 最 大 限 度 降 低 工 程 投 资。研 究 成 果 对 软 土 地
2、基 处 理 具 有 借 鉴 意 义。关键词 劲 性 复 合 桩；软 土 地 基；水 闸 中图分类号 TV 223.2+2 文献标识码 B 文章编号 1002 0624（2023）03 0005 040 引 言在 水 利 工 程 中，当 建 筑 物 遇 到 承 载 力 较 差 或沉 降 较 大 的 软 弱 地 基，往 往 需 要 进 行 地 基 处 理。当 软 弱 土 层 较 厚 或 只 有 在 较 深 处 才 有 能 满 足 承 载力 要 求 的 持 力 层 时，地 基 处 理 的 方 式 可 采 用 桩 基础，桩 型 有 预 制 桩、灌 注 桩 等。当 上 部 荷 载 不 是 很大 时，可
3、在 软 土 层 内 打 孔，然 后 回 填 适 当 的 土 石 料或 掺 和 料，形 成 刚 度 比 四 周 软 土 大 的 土 质 桩，土 质桩 不 能 完 全 承 担 建 筑 物 的 全 部 荷 载，而 是 与 四 周土 共 同 承 受 建 筑 物 的 荷 载，即 复 合 地 基，常 见 形 式为 水 泥 土 搅 拌 桩 复 合 地 基 1。近 年 来，工 程 地 基 处理 上 兴 起 一 种 新 型 桩，即 劲 性 复 合 桩。它 是 将 散体 材 料 桩、柔 性 水 泥 土 类 桩 和 刚 性 混 凝 土 桩 根 据不 同 的 地 基 土 质 选 择 相 应 的 组 合 而 形 成 的
4、 一 种 复合 桩 型，在 淤 泥、淤 泥 质 土、粘 性 土、粉 土、砂 土 及人 工 填 土 等 地 基 处 理 中 得 到 较 好 的 应 用。劲 性 复合 桩 结 合 了 刚 性 混 凝 土 桩 和 水 泥 土 拌 合 桩 的 优点，在 提 高 软 土 地 基 承 载 力、控 制 变 形 沉 降 方 面，有 其 独 特 的 优 势 2。本 文 结 合 某 水 闸 建 筑 物，对 各类 桩 在 软 弱 地 基 处 理 上 进 行 对 照 比 选，阐 述 劲 性复 合 桩 在 地 基 处 理 中 的 优 势，对 工 程 设 计 推 广 和应 用 具 有 重 要 意 义。1 劲 性 复 合
5、桩 原 理劲 性 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 计 算 3：Ra=ucqcs alc+qcp aAcp（1）式 中：Ra为 单 桩 竖 向 抗 压 承 载 力 特 征 值，kN；uc为劲 性 复 合 桩 内 芯 桩 身 周 长，m；qcs a为 劲 性 复 合 桩 复合 段 内 芯 侧 阻 力 特 征 值；lc为 劲 性 复 合 桩 复 合 段 长度，m；qcp a为 劲 性 复 合 性 内 芯 桩 端 土 的 端 阻 力 特 征值，kPa；Acp为 劲 性 复 合 桩 内 芯 桩 身 截 面 积
6、，m2。劲 性 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 式计 算：Ra=us iqs i ali+pqp aAp（2）式 中：u 为 劲 性 复 合 桩 复 合 段 桩 身 周 长，m；s i，p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；qs i a为劲 性 复 合 桩 复 合 段 外 芯 第 i 土 层 侧 阻 力 特 征 值，2023 年 第 3 期 规 划 设 计 东 北 水 利
7、水 电 5DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.03.011图 1 水 闸 闸 室 纵 剖 面 图（单 位：m）kPa；li为 劲 性 复 合 桩 复 合 段 第 i 土 层 厚 度，m；为劲 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；qp a为 劲 性 复 合 桩 端 阻力 特 征 值，kPa；Ap为 劲 性 复 合 桩 桩 身 截 面 积，m2。根 据 JGJ/T 327-2014 劲 性 复 合 桩 技 术 规程，对 等 芯 柔 刚 复 合 桩 单 桩 竖 向 抗 压 承 载
8、力 特 征值 可 按 公 式（1）和（2）计 算 并 取 其 中 的 小 值。2 工 程 布 置 及 地 质 情 况2.1 工 程 布 置新 建 水 闸 场 地 位 于 长 江 三 角 洲 平 原 区，紧 邻长 江。当 内 河 河 道 水 位 高 于 常 水 位 时，趁 长 江 低潮 打 开 闸 门 排 水，排 至 常 水 位 时 关 闸；当 长 江 高 潮时 关 闭 闸 门。水 闸 建 筑 物 整 体 组 成 主 要 有 闸 室、内 外 河 消 力 池、内 外 河 海 漫、内 外 河 防 冲 槽、长 江侧 交 通 桥 及 两 岸 江 堤。其 中，闸 室 采 用 带 胸 墙 的坞 式 结 构，
9、闸 室 长 20.00 m，净 宽 10.00 m，底 板 顶高 程-2.00 m，厚 1.50 m，闸 室 两 侧 墩 墙 顶 高 程7.34 m，厚 1.50 m，水 闸 纵 剖 面 图 见 图 1。2.2 工 程 地 质水 闸 场 地 沿 线 地 貌 类 型 为 新 三 角 洲 与 江 心洲。根 据 现 场 踏 勘，现 状 河 口 宽 近 40.00 m，河 底高 程 一 般-1.00-1.40 m，两 岸 多 有 直 立 挡 墙 护岸，入 长 江 口 处 局 部 为 浆 砌 块 石 护 岸；两 岸 陆 域 地势 较 平 坦，地 面 高 程 一 般 4.00 5.00 m。根 据 现 场
10、钻 孔 观 测，地 下 水 位 高 程 为 1.00 2.00 m。工 程 区 类 场 地 基 本 地 震 动 峰 值 加 速 度 值 为 0.10 g，相 应的 地 震 基 本 烈 度 为 7 度，场 地 地 层 分 布 相 对 稳 定，场 地 类 别 为 类。水 闸 底 板 直 接 坐 落 于 2 层 黏质 粉 土 上，从 上 至 下 分 布 有 1，2，2 b 和 3 土层，均 为 砂 质 粉 土。根 据 地 勘 报 告，各 土 层 的 具 体性 状 描 述 如 下。2 层：灰、褐 灰、黄 灰 色 黏 质 粉 土，夹 淤 泥 质粉 质 黏 土，局 部 互 层，为 新 近 沉 积 土。分
11、布 于 水 域浅 部，层 厚 0.60 2.60 m。稍 密（或 流 塑）状，中 高 压 缩 性，力 学 强 度 低。1 层：灰 色 砂 质 粉 土、黏 质 粉 土，夹 粉 质 黏 土薄 层，局 部 互 层，含 云 母 片。主 要 分 布 于 场 地 南 部 7.347.34-3.00-3.50-4.20铜 片 止 水-2.002.50铜 片 止 水20.00工 作 阀 门检 修 门 槽检 修 门 槽胸 墙启 闭 机 室11.54东北水利水电 规划设计 2023 年第 3 期 6新 闸 址 部 位，揭 示 层 厚 0.50 8.60 m。稍 密 中 密状 态，中 压 缩 性，力 学 强 度 一
12、 般。2 层：灰 色 砂 质 粉 土，局 部 粉 砂、细 砂，夹 粉质 黏 土 薄 层，含 云 母 片。场 地 普 遍 分 布，层 厚4.40 10.20 m。中 密 状 态 为 主，中 压 缩 性，力 学 强度 中 等。2 b 层：灰、灰 褐 色 砂 质 粉 土、黏 质 粉 土，局 部粉 砂，夹 淤 泥 质 粉 质 黏 土，多 呈 互 层 状。场 地 普 遍分 布，层 厚 1.00 8.40 m。稍 密 中 密 状 态，力 学强 度 一 般。3 层：灰 色 砂 质 粉 土，局 部 粉 砂、细 砂，夹 粉质 黏 土 薄 层，含 云 母 片。深 孔 均 有 揭 示，揭 示 厚3.70 14.60
13、 m。中 密 密 实 状 态，中 压 缩 性，力 学强 度 较 高。各 土 层 压 缩 系 数、压 缩 模 量、允 许 承 载 力、水泥 土 搅 拌 桩 及 桩 基 设 计 参 数 建 议 值 见 表 1。3 地 基 处 理 方 案 比 选根 据 水 闸 稳 定 计 算 成 果，其 在 完 建 期 竖 向 合力 最 大，平 均 基 底 应 力 达 到 131.25 kPa，远 大 于 地基 土 允 许 承 载 力 60.00 kPa，因 此 需 对 地 基 进 行 技术 处 理 以 满 足 设 计 要 求。针 对 水 闸 地 基 土 层 实 际分 布 情 况，结 合 JGJ 94-2008 建
14、 筑 桩 基 技 术 规 范 和 JGJ/T 327-2014 劲 性 复 合 桩 技 术 规 程 相 关 条文 规 定，拟 定 预 制 方 桩、钻 孔 灌 注 桩、水 泥 搅 拌 桩和 劲 性 复 合 桩 4 种 地 基 处 理 方 案，并 进 行 经 济 技 术比 较，以 确 定 最 优 方 案。3.1 预 制 方 桩预 制 方 桩 是 水 工 建 筑 物 地 基 处 理 常 见 的 方 式之 一，根 据 JGJ 94-2008 有 关 条 文，预 制 方 桩 Ra计算 公 式 如 下：Ra=()uqs i kli+qp kAp/2（3）式 中：qs i k为 桩 侧 第 i 层 土 的
15、极 限 侧 阻 力 标 准 值，kPa；qp k为 极 限 端 阻 力 标 准 值，kPa。根 据 水 闸 稳 定 计 算 成 果，其 在 完 建 期 竖 向 合力 最 大，达 到 34 125.00 kN。结 合 JGJ 94-2008 有关 条 文 规 定 和 水 闸 场 地 实 际 情 况，桩 采 用 C 30 钢筋 混 凝 土 预 制 方 桩，截 面 尺 寸 350 mm 350 mm，长 10.00 m，间 距 1 400 mm 1 400 mm，共 布 置 126根。由 水 闸 所 在 位 置 地 层 参 数 可 知，桩 身 穿 过 2层 和 1 层，最 终 深 入 2 层。经 计
16、 算，单 根 桩 竖 向承 载 力 特 征 值 为 290.33 kN，而 最 大 平 均 单 桩 竖 向力 为 270.83 kN；闸 室 沉 降 7.1 cm，小 于 规 范 允 许 值15.0 cm。综 上 所 述，预 制 桩 布 置 方 案 满 足 地 基 设计 要 求。3.2 钻 孔 灌 注 桩钻 孔 灌 注 桩 施 工 操 作 较 为 简 便 且 技 术 成 熟 度较 高，在 水 利 工 程 中 得 到 广 泛 应 用 4。钻 孔 灌 注 桩单 桩 竖 向 承 载 力 特 征 值 计 算 原 理 同 预 制 方 桩。根 据 水 闸 稳 定 计 算 成 果，最 大 竖 向 合 力 为
17、34 125.00 kN。结 合 JGJ 94-2008 有 关 条 文 规 定 和水 闸 场 地 实 际 情 况，桩 采 用 C 30 钢 筋 混 凝 土 灌 注桩，截 面 直 径 800 mm，长 15.00 m，间 距 2 600 mm 2 600 mm，共 布 置 40 根。由 水 闸 所 在 位 置 地 层 参数 可 知，桩 身 穿 过 2，1 层，2 和 2 b，最 终 深入 3 土 层。经 计 算，单 根 桩 竖 向 承 载 力 特 征 值 为929.47 kN，而 最 大 平 均 单 桩 竖 向 力 为 853.11 kN；闸 室 沉 降 5.2 cm，小 于 规 范 允 许
18、值 15.0 cm。综 上所 述，钻 孔 灌 注 桩 布 置 方 案 满 足 地 基 设 计 要 求。3.3 劲 性 复 合 桩劲 性 复 合 桩 是 近 年 来 在 水 利 工 程 中 兴 起 的 一层号 2 1 2 2 b 3固结试验压缩系数/MPa-10.4130.2130.1590.1990.156压缩模量/MPa4.9008.40010.7808.90010.940允许承载力/kPa60.00100.00140.00100.00180.00搅拌桩土的侧阻力特征值/kPa15.0020.0014.0025.00钻孔灌注桩极限侧阻力标准值/kPa33.0048.0033.0065.00极
19、限端阻力标准值/kPa400.00/600.00280.00/450.001 000.00预制桩极限侧阻力标准值/kPa35.0050.0035.0072.00极限端阻力标准值/kPa1 100.00/1 500.00800.00/1 200.003 200.00表 1 工 程 地 质 勘 察 综 合 成 果 建 议 值 表2023 年 第 3 期 规 划 设 计 东 北 水 利 水 电 7种 新 型 软 基 处 理 方 式。根 据 JGJ/T 327-2014 有 关条 文，劲 性 复 合 桩 复 合 地 基 承 载 力 特 征 值 按 下 式计 算：fs p k=mRaAp+()1+m f
20、s k（4）式 中：fs p k为 复 合 地 基 承 载 力 特 征 值，kPa；为 单桩 承 载 力 发 挥 系 数，取 0.95 1.00；m 为 面 积 置 换率；Ra按 公 式（1）（2）计 算；Ap为 桩 的 截 面 积，m2；为 桩 间 土 承 载 力 发 挥 系 数，取 0.80 1.00；fs k为处 理 后 桩 间 土 承 载 力 特 征 值，kPa，取 2 层 允 许 承载 力 60.00 kPa。根 据 水 闸 稳 定 计 算 成 果，其 在 完 建 期 竖 向 合力 最 大，达 到 34 125.00 kN。结 合 JGJ/T 327-2014有 关 条 文 规 定
21、和 水 闸 场 地 实 际 情 况，劲 性 复 合 桩 采用 等 芯 柔 刚 复 合 桩，外 层 采 用 直 径 700 mm 的 水 泥土搅 拌桩，水泥 掺入 量为 20%，桩身 水泥 土的 28 d 抗压 强 度 取 不 小 于 1.200 MPa，外 层 为 柔 性 桩；桩 体 内芯 为 直 径 220 mm 的 素 混 凝 土 桩，标 号 为 C 30，为 刚性 桩；桩 长 9.00 m，间 距 1 200 mm 1 200 mm，共 布置 154 根。由 水 闸 所 在 位 置 地 层 参 数 可 知，桩 身 穿过 2 层 和 1 层，最 终 深 入 2 层。经 计 算，单 根桩 竖
22、 向 承 载 力 特 征 值 为 139.65 kPa，而 最 大 基 底 平均 应 力 为 131.25 kPa；闸 室 沉 降 8.3 cm，小 于 规 范允 许 值 15.0 cm。综 上 所 述，劲 性 复 合 桩 布 置 方 案满 足 地 基 设 计 要 求。3.4 水 泥 搅 拌 桩水 泥 搅 拌 桩 作 为 一 种 软 弱 地 基 处 理 方 式，在水 工 建 筑 物 地 基 处 理 中 得 到 广 泛 应 用 5。根 据JGJ 79-2012 建 筑 地 基 处 理 技 术 规 范 有 关 条 文，水 泥 搅 拌 桩 复 合 地 基 承 载 力 特 征 值 计 算 公 式 同
23、劲性 复 合 桩 公 式（4）。根 据 水 闸 稳 定 计 算 成 果，最 大 竖 向 合 力 为34 125.00 kN。该 工 程 的 水 泥 土 搅 拌 桩 地 基 处 理 方案 参 数：直 径 700 mm，间 距 1 200 mm 1 200 mm，长 15.00 m，共 154 根。由 水 闸 所 在 位 置 地 层 参 数可 知，桩 身 穿 过 2，1，2 和 2 b，最 终 深 入 3土 层。搅 拌 桩 设 计 水 泥 掺 量 采 用 20%，桩 身 水 泥土 28 d 抗 压 强 度 取 不 小 于 1.200 MPa。经 计 算，处理 后 的 复 合 地 基 承 载 力 为
24、 115.15 kPa，而 最 大 基 底平 均 应 力 为 131.25 kN，不 满 足 地 基 承 载 力 要 求，因 此 方 案 不 可 行。3.5 方 案 对 比根 据 上 述 闸 室 各 地 基 处 理 方 案 效 果，结 合 施工 便 利 和 工 程 投 资，对 4 种 地 基 处 理 方 案 进 行 经 济技 术 比 选（表 2），选 择 综 合 最 优 方 案。在 技 术、施工 和 投 资 方 面，劲 性 复 合 桩 为 最 优 地 基 处 理 方 案。表 2 闸 室 地 基 处 理 方 案 对 比 表4 结 语对 于 水 利 工 程 中 的 建 筑 物，当 遇 到 较 深
25、的 软土 地 基 时，经 常 采 用 桩 基 处 理。劲 性 复 合 桩 结 合了 刚 性 混 凝 土 桩 和 水 泥 土 拌 合 桩 的 优 点，在 满 足承 载 力 和 沉 降 的 同 时，降 低 施 工 对 周 边 环 境 的 不利 影 响，且 最 大 限 度 降 低 工 程 投 资，相 对 其 他 桩型，综 合 优 势 较 为 明 显，在 场 地 施 工 条 件 受 限 和 投资 有 一 定 控 制 要 求 的 工 程 中 有 较 好 的 推 广 意 义。参 考 文 献 1 周景星，李广信，张建红，虞石民，王洪瑾.基础工程 M.北 京：清 华 大 学 出 版 社，2015.2 陈 邱
26、云.MC 劲 性 复 合 桩 在 水 利 工 程 软 基 处 理 中 的 应用 与 分 析 J.中 国 水 运，2017，17（7）：365-367.3 万 通 建 设 集 团 有 限 公 司.劲 性 复 合 桩 技 术 规 程：JGJ/T327-2014 S.北 京：中 国 建 筑 工 业 出 版 社，2014.4 崔 少 英.基 于 灌 注 桩 处 理 方 法 的 水 闸 地 基 处 理 研 究 J.内 蒙 古 水 利，2020（3）：44-45.5 胡 永 耀.水 泥 搅 拌 桩 技 术 在 水 利 工 程 软 地 基 处 理 中 的应 用 J.中 国 水 运（下 半 月），2015，1
27、5（7）：206-207.收稿日期 2022-10-11方案预制方桩钻孔灌注桩水泥搅拌桩劲性复合桩技术可行可行承载力不满足要求，不可行可行施工优 点：施 工 方 便，工 期 较 短；缺 点：水 闸 附近 有 居 民 房 屋，施 工 过 程 中 会 产 生 噪 声、震动及侧向挤压，对其造成不利影响优 点：技 术 成 熟；缺 点：施 工 场 地 要 求 较高，工序多、工期长优 点：噪 音 小，基 本 无 污 染；缺 点：对 施 工工艺要求较高，工期较长优 点：噪 音 小，对 周 边 建 筑 物 影 响 较 小；缺点：对施工工艺要求较高，工期较长投资/万元49.0178.0130.6835.20东北水利水电 规划设计 2023 年第 3 期 8
