1、组 合 桩 在 唐山 沿 海 地 区的 试 验 应 用 郑思光 冯士 广 纪燕 祥 赵 志杰 何若梅 刘建 兵 孙 宇佳 河 北 省地 矿 局第 二 地质 大 队 摘 要： 唐山沿海地区由于自然历史原因造成土体结构与内陆地区相差甚远, 土体结构 多层, 且上部以软弱粘性土、 砂类土为主, 使得单一桩型成本较高、 效率低、 施 工难度大且易造成环境污染。 针对这些问题并结合本地区地层, 设计试验了一套 粉喷桩和预应力混凝土管桩相结合的柔刚组合桩施工方法, 降低了施工难度、 提 高了效率、 降低了成本, 实现桩基施工无泥浆排放的节能环保示范, 为类似地区 地基基础工程施工提供了借鉴和参考。 关键词
2、 ： 组合桩; 柔刚组合桩; 粉喷桩; 预应力混凝土管桩; 单桩承载力; 沿海地区; 作 者简 介： 郑思光, 男, 汉族, 1980 年生, 副队长, 高级工程师, 土木工程、 水资源及其利用专业, 从事水文工程环境地质、 岩土工程勘察与施工、 地质灾害 防治工程、矿山环境治理和探矿工程工作, 河北省唐山市路北区北新西道 157 号, 。 Experimental Application of Composite Pile in Tangshan Coastal Area ZHENG Si-guang FENG Shi-guang JI Yan-xiang ZHAO Zhi-jie HE
3、Ruo-mei LIU Jian-bing SUN Yu-jia The Second Geological Team of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources; Abstract ： Due to the natural and historical reasons, the soil structure is very different to that of inland area in Tangshan coastal area mainly with multi-layer soil structure and soft cla
4、y flexible and rigid composite pile; cement rejection pile; pre-stressed concrete pipe pile; bearing capacity of single pile; coastal area; 0 引言 唐山沿海地区由于自然历史原因造成土体结构与内陆地区相差甚远, 土体结构 多层, 第四系沉积环境复杂, 以河流三角洲及河海相沉积为主, 上部地层以软 弱粘性土、 砂土为主, 地表多为人工吹填而成。 使得单一桩型造价成本较高、 效 率低、施工难度大且易造成环境污染。 本次组合桩施工场地位于曹妃甸和京唐港区 2 个
5、唐山沿海地区重要发展区域。 曹 妃甸区第四系全新统地层厚度 20 m 左右, 以软弱的粉质粘土为主, 地表以冲填 土为主。 京唐港区第四系全新统地层厚度 15 m 左右, 上部以砂土、 粉土为主, 15 m 以深以中密 密实砂土为主。 以往唐山沿海地区地基处理方法以单一的长螺旋 钻孔压灌桩 (CFG 桩) 、预应力混凝土管桩、钻孔灌注桩为主。 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, 遇密实砂土层沉桩
6、困难;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;CFG 桩由于当前设备所限 (最大桩 长25m 左右, 桩径 500600 mm) , 单桩承载力有限;钻孔灌注桩:施工程序复杂、 施工质量难控制且产生大量泥浆造成环境污染。 因此, 急需找到一种适合本地区 的施工成本低、 穿透上部硬土夹层能力强、 场地适应性好、 承载力高、 施工工期 短、节能环保的组合桩型。 组 合桩利用天然周土加固桩、 穿透硬土夹层或对桩端土进行加固, 提高桩侧摩阻 力和端阻力, 芯桩具有足够的桩身截面强度, 能满足上部承载要求使单桩承载 力显著提高。通过散体、柔性、刚性桩有效组合,
7、较好的解决了以上问题。 1 组合桩概述 组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 3 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, 形成互补增强的组合桩 型。 可分为散体桩与柔性桩组合成的散柔组合桩、 散体桩与刚性桩组合成的散刚 组合桩、 柔性桩与刚性桩组合成的柔刚组合桩, 以及散柔组合桩和刚性桩组合成 的三元组合桩。 其中在散体桩、 柔性桩或散柔组合桩桩体上再进行刚性桩施工后 形成的桩又称为劲芯组合桩。 劲芯组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。常用组合桩结构见图 1 (以柔刚组合桩为 例) 。 图1 柔刚组合桩结
8、构示意图 下载原图 组合桩适用于淤泥、 淤泥质土、 粘性土、 粉土、 粉砂以及人工填土等地基。 它避 免了单一桩法的缺点而综合了各自桩法的优点, 质量可靠、 施工简便、 造价低廉, 强度、 刚度、 密度较高, 桩身体积较大, 因而 具有较高的单桩承载力, 同时大幅 度改善了桩间土的软弱状态和承载力参与度。 它可作为复合地基中的竖向增强体, 也可作为单一刚性桩 (抗剪、抗拔、抗压) , 还可用于基坑支护及防渗墙工程。 真正实现了地基处理方法 (物理、化学固化) 和桩基有机结合、桩土共同作用, 乃至桩土一体化。 因此, 组合桩对于土体松散, 以粘性土与砂类土为主的沿海地 区, 是一个更好的选择。
9、以下两个案例分别是组合桩中短芯桩和长芯桩在唐山沿 海地区的应用。 2 短芯桩在曹妃甸的 应用 2.1 工程 概况 爱芭家具生产基地项目工程场地位于唐山市曹妃甸区中 日合作园区, 工程场地 所属地貌单元属滨海平原。表层土为浅海人工吹填造地形成。 2.2 工程 地质条 件 根据本场地岩土工程勘察报告, 场区多软弱的粉质粘土及液化砂土层。 各土层情 况如下所述, 土层分布及相关参数见表 1。 (1) 杂填土 (Q4) : 杂色, 稍湿, 松散。以粉土为主, 含少量碎砖石等建筑垃圾。 层厚1.201.80 m, 平均1.35 m;层底埋深 1.201.80 m。 表1 爱芭家具项目土层分布及相关参数
10、下载原表 (2) 冲填土 (Q4) : 灰色, 饱和, 松散。采用吹填船方式吹填堆积, 以粉土、粉 细砂为主, 含云母及贝壳碎片, 局部含少量粉质粘土团块及淤泥质土。层厚 2.804.30 m, 平均 3.49 m;层底埋深4.205.60 m 。fak=75 k Pa, qsi=13 k Pa。 (3) 粉质粘土 (Q4) : 灰色, 软塑。切面光滑, 干强度及韧性中等, 局部夹粉土 薄层, 含贝壳碎片。层厚 0.701.20 m, 平均 0.95 m;层底埋深5.306.30 m 。 fak=80 k Pa, qsi=20 k Pa 。 (4) 粉砂 (Q4) :灰色, 稍密, 饱和。石英
11、长石质, 磨圆度中等, 级配不良, 含 云母, 局部含粉土薄层。 层厚 5.106.30 m, 平均5.76 m;层底埋深10.7011.70 m。fak=110 k Pa, qsi=15 k Pa。 (5) 粉质粘土 (Q4) : 灰色, 软塑。切面光滑, 干强度及韧性中等, 含贝壳碎片, 局部夹粉土薄层。层厚 3.505.20 m, 平均 4.39 m;层底埋深15.2016.20 m 。 fak=85 k Pa, qsi=20 k Pa 。 (6) 粉土 (Q4) :灰色, 稍密中密, 饱和。切面粗糙, 干强度及韧性低, 摇振 反应中等, 含云母。层厚 0.701.30 m, 平均 1.
12、03 m;层底埋深16.0016.70 m 。 fak=120 k Pa, qsi=25 k Pa 。 (7) 粉质粘土 (Q4) : 灰色, 软塑可塑。 切面稍有光泽, 干强度及韧性中等, 含 贝壳碎片, 局部含粉土薄层。层厚 4.206.10 m, 平均5.19 m;层底埋深 20.2021.50 m 。fak=110 k Pa, qsi=20 k Pa 。 (8) 粉土 (Q4) :灰色, 稍密中密, 饱和。切面粗糙, 干强度及韧性低, 摇振 反应中等, 含云母。层厚 1.803.30 m, 平均 2.26 m;层底埋深23.0023.70 m 。 fak=140 k Pa, qsi=2
13、5 k Pa 。 (9) 粉质粘土 (Q4) : 灰色, 软塑可塑。干切面稍有光泽, 干强度及韧性中等, 含贝壳碎片, 局部含粉土薄层。层厚 1.405.10 m, 平均3.13 m;层底埋深 25.0028.40 m 。fak=120 k Pa, qsi=25 k Pa 。 (10) 粉土 (Q4) : 灰褐色, 稍密中密, 饱和。切面粗糙, 干强度及韧性低, 摇 振反应中等, 含云母。 该层为本次揭露的最深层, 最大揭露厚度2.30 m 。 2.3 组合 桩设计 组合桩技术:粉喷桩桩径 900 mm, 桩长15.0m; 内插预应力管桩 PHC-400AB-95-13。 单桩承载力计算如下。
14、 2.3.1 组合桩 桩侧 破坏面 位于 内、外 芯界 面时 预应力管桩PHC-400AB-95-13, 按下式计算: 式中:Ra 组合桩单桩 竖向抗压承载力特征值, k N;u组合桩内芯桩身 周长, m;l 组合桩复合段长度, m;Ap 组合桩内芯桩身截面积, m;qsa 组合桩复合段内芯侧阻力特征值, k Pa, 宜按地区经验取值, 无地区 经验时, 宜取室内相同配比水泥土试块在标准条件下 90 d 龄期的立方体 (边长 70.7 mm) 无侧限抗压强度的 0.040.08 倍, 当内芯为预制混凝土类桩或外芯水 泥土桩采用干法施工时宜取较高值, 对散刚组合桩可取 3050 k Pa;qpa
15、 组 合桩内芯桩端土的端阻力特征值, k Pa, 宜按 地区经验取值, 对长芯桩与等芯桩 也可根据内芯桩型按现行行业标准 建筑桩基技术规范 (JGJ942008) 取值, 对短芯散刚组合桩可取 12001500 k Pa, 对短芯柔刚组合桩和短芯三元组合桩 可取20003000 k Pa 。 2.3.2 组合桩 桩侧 破坏面 位于 外芯和 桩周 土的界 面时 粉喷桩桩径900 mm, 有效桩长 15 m, 按下式计算: 式中:u 组合桩桩身周长, m;li 组合桩复合段第i 层土厚度, m;Ap 组合桩桩身截面积, m, 对散刚组合桩应取刚性桩桩身截面积, 对柔 刚组合桩和三元组合桩, 当刚性
16、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;qsia 组合桩复合段外芯第i 层土侧阻力特征值, k Pa, 宜按地区经验取值, 无经验时可按表1 取值;qpa 组合桩端阻力特征值, k Pa, 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 组合桩桩端天然地基土承载力折减系数, 对柔刚复合桩可取 0.700.90, 对三 元组合桩可取 0.801.00;si 、 p 分别为组合桩复合段外芯第 i 层土侧阻 力、 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
17、管桩的压入更 加容易和方便。 施工时, 宜先采用大功率搅拌桩基施工柔性桩, 再采用锤击式预 制桩机施工刚性桩。刚性桩施工宜在柔性桩施工后 6 h 内进行。 2.4 经济 分析 原设计采用预应力混凝土管桩 PHC-500A-125-16.5, 440 根, 单桩承载力特征值 550 k N, 工程造价 130.7 万元, 经使用组合桩技术 (粉喷桩桩长15.0m, 内插 PHC-400AB-95-13) , 220 根, 单桩承载力特征值 1200 k N, 工程造价 108.5 万 元, 节省费用 20%以上。施工现场见图 2, 工程桩成桩见图 3。 图2 施工现场 下载原图 图3 组合桩成桩
18、 下载原图 2.5 试桩 及载荷 试验 结果 试桩1: 我们在该场地进行了两根大直径组合桩试验, 采用直径1200 mm、长 24 m 粉喷桩, 内插长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, 内插长 17 m、直径600mm 预应力管桩。试桩 1、试桩 2 在最大荷 载6000k N 时, 桩累计沉降量分别为 22.54 、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 k N, 满足设计要求, 达到预期效果。试验桩 成桩见图4, 静载试验曲线见图 5。 图4 试验桩成桩 下载原图 上述试验表明, 组合桩
19、的设计施工实现了沿海软弱粘性土地区单桩承载力特征 值3000 k N 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。 图5 试桩静载试验曲线 下载原图 3 长芯桩在京唐港的 应用 3.1 工程 概况 海港旭达建材有限公司 2180 万t/年矿渣微 粉工程场区位于唐山市京唐港海强 路与港盛街交叉口西北侧。 项目区交通便利, 场地原始地貌单元为滨海河流冲洪 积扇。 原始地形平坦, 地貌类型单一, 地形简单。 经近代人类生产活动, 场地表 层已被扰动。 3.2 工程 地质条 件 场地地层上部除杂填土、 素填土外, 其余土层属
20、第四系海陆交互沉积地层。 根据 地层的埋藏条件、 岩性特征和物理力学性质指标, 将场地地基土划分为 6 个工程 地质主层, 2 个工程地质亚层。 从上至下分别为 (1) 1 杂填土、 (1) 素填土、 (2) 细砂、 (3) 粉质粘土、 (4) 细砂、 (4) 1 粉土 、 (5) 粉质粘土、 (6) 细砂, 各 层土的工程地质分层及特征见表 2。 表2 海港旭达项目地基土工程地质分层及特征 下载原表 该工程 成品库车间原设计采用 PHC-600AB-110-30 预应力管桩, 由于 (4) 层细 砂呈中密 密实状, 预应力管桩无法达到设计深度, 虽经引孔, 但施工效果不 佳。 改灌注桩费用大
21、幅增加, 产生大量泥浆无法处理。 优化为组合桩后, 该问题 得到良好解决。 3.3 组合 桩设计 设计采用内芯为预应力管桩 PHC-500AB-125-13, 有效桩长13 m;外桩为粉喷桩, 桩径900mm, 有效桩长 10 m;桩顶标高-2.9 m; 桩端持力层 (4) 细砂。土层分布 及相关参数见表3。 表3 海港旭达项目土层分布及相关参数 下载原表 3.3.1 劲性复 合桩 桩侧破 坏面 位于内 、外 芯界面 时 按下式计算: 式中:lj 组合桩非复合段第 j 层土厚度, m;qsja 组合桩非复合段内芯 第j 层土侧阻力特征值, k Pa, 可按地区经验 取值, 也可根据内芯桩型按现
22、行行 业标准建筑桩基技术规范 (JGJ 942008) 取值。 3.3.2 劲性复 合桩 桩侧破 坏面 位于外 芯和 桩周土 的界 面时 按下式计算: 式中:qsia 组合桩复合段外芯第 i 层土侧阻力特征值, k Pa, 宜按地区经验 取值。无经验时可按表 3 取值;si 、p 分别为组合桩复合段外芯第 i 层 土侧阻力、 端阻力调整系数, 宜按地区经验取值, 无经验时可按表3 取值, 非复 合段均取1.0。 综上:上述两者计算值取小值, 则单桩承载力特征值为 1800 k N。 3.4 设计 优化分 析 原设计采用预应力混凝土管桩 PHC-600AB-110-30, 单桩承载力特征值 17
23、50 k N, 但由于地层较硬, 桩端无法 到达持力层, 无法满足承载力要求。如设计灌注桩, 则费用高、且产生大量泥浆。经使用组合桩技术 (粉喷桩桩长10.0 m, 内插 PHC-500-125-13) 优化, 单桩承载力特征值 1800 k N, 可以节省费用 20%以上。 4 作用机理分析 (1) 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 860870 mm, 此桩周土体与水泥土体 的界面粗糙紧密, 粘结力较高, 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
24、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。 (2) 由于管桩与水泥土体粘结强度高, 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 抗弯抗剪性能均达到大幅度提高。 可用于高层建筑及深基坑支护工程。 (3
25、) 由于水泥土桩体积较大, 造价低廉, 其产生的较强粘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。 抗拔桩身要足够的抗拉强度, 可采用以下方法: (1) 预制时 将钢绞线锚固在桩端并采用无粘结后张拉工艺; (2) 已预制的普通管桩可在其 桩端采用锚板固定钢绞线, 从管桩内腔中引至桩顶并采用现浇混凝土填充, 在 强度达到70%时再采用后张拉工艺; (3) 用现浇混凝土桩时在其桩 身强度达到 70% 时采用后张拉工艺。桩顶施加的张拉荷载通过无粘结预应力筋施加于桩身下端, 使内芯桩身混凝土受压, 产生正泊松效应及桩身产生侧胀变形, 同
26、时挤扩 外芯及桩周土体, 大幅度提高侧阻力。 5 组合桩与传统桩型 效能对比 通过曹妃甸爱芭家具生产基地项目 (短芯桩) 和京唐港海港旭达项目 (长芯桩) 2 个项目的现场试验检测, 组合桩单桩承载力在原设计基础上提高23 倍, 同时 预算造价比传统桩型可节省 20%30%的费用, 并达到了无泥浆排放, 造价低, 工期短, 施工简便。 还可以节约资源、 保护环境。 组合桩与 传统桩型效能对比见 表4。 表4 组合桩与传统桩型效能对比 下载原表 6 结语 组合桩的设计试验应用是在现有唐山沿海地区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, 改变了传统单一桩型和单一地基处理的概念,
27、它综合了传统单一桩型和地基处理技术的优点, 能根据土质情况、上部结构要 求、 加固目的有针对性地、 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。 组合桩的单桩承载力比原设计单一桩型提高了 23 倍, 施工成本比传统单一桩 型可节省20%30%
28、, 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。 通过项目实例试验应用, 研究完善了一套组合桩的计算、 设计、 施工、 检测技术 方案和数据, 实现了 无泥浆排放、 降费增效、 绿色环保、 工期短、 承载力提高的 设计试验初衷和效果, 丰富了唐山沿海地区软基处理施工技术方法, 推广应用 前景非常广阔, 可广泛应用于工业、 建筑、 港口、 交通、 水利等领域软弱地基处 理, 具有良好的社会效益、经济效益和生态效益。 参考文献 1JGJ 94 2008, 建 筑桩基技术规范S. 2JGJ 79 2012, 建 筑地基处理技术规范S. 3 张雁, 刘金波, 等. 桩基
29、手册M.北京:中国建筑工业出版社, 2009. 4DB 13 (J) 50 2005, 混凝土芯水泥土组合桩复合地基技术规程S. 5JGJ/T 327 2014, 劲性复合桩技术规程S. 6 郑刚, 龚晓南, 谢 永利, 等. 地基处理技术发展综述J.土木工程学报, 2012, 45 (1) :127-136. 7 贺启鑫, 张智博, 季玉国, 等.大连临海超大深基坑旋喷桩止水帷幕施工技 术J.探矿工程 (岩土钻掘工程) , 2010, 37 (12) :54-57. 8 刘汉龙.岩土工程技 术创新方法与实践J. 岩土工程学报, 2013, 35 (1) :34-58. 9 张习上, 赵卫政,
30、 张迎堂, 等.高压旋喷桩内插预应力钢筋混凝土方桩围护 体系的设计与施工J. 探矿工程 (岩土钻掘工程) , 2013, 40 (6) :61-64. 10 常玉军, 刘毅, 张 吉庆, 等.PRC 管桩在基坑支护工程中的应用J.探矿工 程 (岩土钻掘工程) , 2017, 44 (6) :78-83. 11 周永山, 余忠. 深 层搅拌桩内插钢管新方法及其应用J.探矿工程 (岩土钻 掘工程) , 2017, 44 (8) :63-66. 12 刘红军, 陈友媛, 孙涛, 等.深层搅拌桩加筋施工技术及其工程应用探讨 J. 岩土工程学报, 2006, (S1) :1730-1733. 13 王蕊.旋喷桩内插 型钢与搅拌桩内插型钢作围护墙的结合应用J. 地下工程 与道, 2007, (3) :49-52, 61. 14 秦雅飞, 胥勤勉, 姜洪涛, 等.渤海湾北岸晚第 四纪沉积物物理力学性质及 其对地面沉降的影响J.地质调查与研究, 2014, 37 (2) :123-130. 15 杨书遂, 盛立云. 渤海湾西岸滩海地区沉积相特征及其物理力学性质J.水 文地质工程地质, 2004, 31 (3) :93-95.
