导水桩复合地基处理新技术及试验研究

韩少武，黄晓倩，曾思楗

摘要：针对软土的特性和在软土地基上进行基建施工的环境特点，分析现有软土地基加固技术及其适用情况，在室内试验、模型桩试验的基础上提出了一种新型地基处理技术——导水桩复合地基处理法。通过现场试验观测分析，研究了导水桩复合地基承载力、排水固结、孔压消散、桩土应力分担状况等。结果表明：导水桩在土体中承担了竖向排水体作用，在上部填土荷载作用下与基底褥垫层构成排水系统，排水固结能力强，能迅速加速桩间土的固结，充分发挥桩间土的承载力；还可作为竖向增强体，有效传递竖向荷载，并与固结后的桩间土组合共同承载，达到控制施工后地基沉降的目的，推广应用前景良好。

关键词：复合地基； 排水固结； 导水桩； 软土地基处理； 承载力

中图法分类号：TV431文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.016

文章编号：1006-0081（2023）09-0096-06

0引言

在土木、交通和水利等领域中，软土地基问题往往是引发工程安全问题的主要诱导因素，软土地基处理恰当与否，将直接影响整个工程建设的质量及安全性。近年来，随着中国经济的快速发展，国家加大了对公路、铁路、桥梁等基础设施建设的投入，对于地基的要求越来越高，施工后沉降控制标准越来越严格，对于软土地基处理的概念、技术、固结沉降分析等都提出了新挑战。尤其是随着围垦造田的快速发展，浅滩软土、湖泊、滨海等软土地基处理加固技术面临严峻挑战［1］。

自1962年国际上首次提出复合地基这一概念以来，经过半个世纪的不断发展，复合地基处理技术广泛应用于公路、铁路、机场、堤坝及各类工业与民用建筑等工程的软基处理，采用的增强体桩型也日趋丰富，国内外学者对这一地基处理技术进行了大量研究。李书昌［2］对福鼎滨海大道工程海堤段的软基处理选择CFG桩施工，施工完成后经检测达到了软土地基的承载力和稳定性要求。陈俊彦［3］通过建立有限元分析模型，研究粉喷桩加固软土地基的土体应力和变形规律及加固效果，结果表明：粉喷桩加固对于减小路基底部两侧土体水平变形的效果显著，对于减小路基底部中心桩体水平变形的效果较弱。龚西城等［4］研究了预制混凝土管桩技术在黄河下游闫潭引黄闸工程施工中的应用，并进行了研究分析，结果表明：预制管桩技术较好解决了黄河下游涵闸建设过程中地基承载力不足、地基轻微液化的问题，大幅度提高了工程施工质量和安全稳定性。宾斌等［5-6］提出的导水布袋复合压密桩技术，有效解决了软土在压密注浆处理过程中超孔隙水压力消散过慢的技术难题，分析论证了导水布袋复合压密注浆桩技术对软土质堤防的加固效果。问建学等［7］对超厚软土中管桩复合地基道路不均匀沉降修复进行了数值分析、工程应用以及监测评价。柏杨等［8］对河道工程中水泥搅拌桩复合地基抗剪强度指标计算方法及边坡整体稳定计算进行了研究分析。上述复合地基处理方法均取得了一定的地基处理效果，有其适用性，但存在一定程度的不足：CFG桩挤土效应大，造价高；粉（湿）喷桩施工工艺控制因难，受土质条件约束多，加固深度浅，深层成桩质量不可靠；深层搅拌桩成桩强度不高，造价高；导水布袋桩施工工艺复杂，受布袋约束多，成本难以控制；预制管桩造价高，难以穿透坚硬夹层等。

导水桩复合地基是在导水布袋压密注浆法基础上提出的一项软土地基处理新技术，将具有透水透气功能的多孔结构混凝土制成的地基桩作为导水桩，和褥垫层、桩间土一起组成了导水桩复合地基。该技术联合了传统排水固结法和高强度地基桩的技术优势，将高强度高渗透率的导水桩打入地基中，不仅承担了竖向排水体，在上部填土荷载作用下与基底褥垫层构成排水系统，加速桩间土固结，充分发挥桩间土承载力，还可作为竖向增强体，有效传递竖向荷载，并与固结后的桩间土组合共同承载［9］，从而达到控制施工后地基沉降的目的，有效解决了传统复合地基桩体材料仅能充当竖向增强体的局限性。实际工程中，为了缩短工期，一般采用超载预压法对地基进行处理，预先完成部分或大部分地基沉降［10-11］。

导水桩复合地基适用于淤泥质土、淤泥、软黏土地基处理，特别适用于高含水率和富含有机质的深厚软土地区的不均匀沉降问题处理，如高速公路、堤防边坡的地基处理。

1导水桩室内试验

1.1导水桩配合比试验

导水桩是由单一粒径集料级配和胶凝材料制备而成的具有一定强度、一定透水性能的多孔混凝土材料，兼具刚性桩高强度和散体材料排水性好的特点。而采用常规透水混凝土作为桩身材料时，容易出现以下问题。

（1） 导水桩成桩采用沉管灌注工艺，且桩身较长，在施工振动与重力作用下，水泥浆容易离析，导致透水混凝土的部分孔隙被水泥浆堵塞，桩体无法形成透水通道，透水系数减小。

（2） 在应用于淤泥地基或者地下水位较高的软基时，混凝土遇水后水泥在水中容易发生分散或随水流失，造成透水混凝土桩不密实，出现桩体整体性不佳、强度受影响的问题。

（3） 透水混凝土成桩后，桩体材料容易被桩周泥沙堵塞，导致桩体排水能力下降。

因此，在采用导水桩复合地基进行软土地基现场试验之前，应开展桩身材料配合比试验，通过试验分析各材料的配比与浆体流动性、固结体抗压强度、固结体透水性能的影响，研究满足兼具刚性桩工艺和透水性要求的桩身材料配合比。

（1） 试验原材料：水泥、硅灰、矿粉、聚羧酸高效减水剂、抗分散剂、水、粗骨料（粒径5～10 mm的碎石）。

（2） 试验参数：水灰比（0.28）、骨料比（3∶1～5∶1）、硅灰掺量5%～7%（水泥替代率）、矿粉掺量15%（水泥替代率）。

（3） 試验目标：固结体孔隙率（10%～20%）、结石体渗透系数（0.5～2.0 mm/s）、结石体抗压强度（20～25 MPa）。

共进行16组配合比试验，从中优选了3组满足工作性能、流动性较好且具有代表性的配合比，其材料构成及物理力学性能如表1所示。

为确保桩身材料达到设计强度指标要求并兼具高强度性和透水性，采用PVC塑料管作为模具，对优选的3组配合比按直径1∶1比例制作高度分别为2.0，1.5和1.0 m的模型桩，导水桩模型桩的制备工艺如图1所示。

浇筑完成的模型桩在室外条件下养护1 d后拆模，如图2所示，可以观察到3个配比制作的导水桩桩身均具有较多的孔隙，且水泥浆在重力与人工振捣作用下未离析沉底，均未出现桩身底部的孔隙被水泥浆堵塞的现象，桩身均匀且完整性较好，桩体透水系数得以保证，能够在与土体结合后形成一条稳定畅通的排水通道。

随后对拆模的试桩进行钻孔取芯，如图3所示。由图3可以看出，与刚性桩混凝土材料相比，导水桩具有较多孔隙，孔隙率随配比的变化而变化，其中，3号配比孔隙最多，1号配比稍少。这些连通的孔隙是桩身能够透水的主要原因。

对所取芯样进行透水系数、孔隙率和抗压强度测试，其中，抗压强度取7 d测试值的平均值，另有一组制作模型桩时留样的试块，其物理力学性能的测试结果如表2所示。从表2中可以看出，3个配合比在满足工作性的要求下均满足透水性能要求，最小透水系数也大于9.94 mm/s，而结石体抗压强度随着孔隙率的增加显著降低。此外，试块所测的抗压强度值均高于所取芯样的测试值，这是由于试块在成型过程中置于振动台振捣密实，相较于模型桩的人工振捣更为充足，密实度更高，因此其抗压强度值也较高。同等桩分布条件下，孔隙率越大透水系数越大，达到施工后沉降的时间越短，桩强度越高，导水桩复合地基的承载力也就越高。所以在实际工程中，应综合考虑工期要求和软基上部基建工程的荷重来选择导水桩的配合比。

1.2导水桩固结试验

为进一步了解导水桩的排水加固性能，对导水桩和不排水混凝土桩进行了简易室内模型试验，试验装置尺寸为300 mm×300 mm×400 mm，导水桩和不排水混凝土樁桩长160 mm，桩径45 mm，其中，导水桩采用1号配比，不排水混凝土桩表面用水泥封死，模型如图4所示。取一定软土加水至搅拌均匀后加入两个尺寸相同的试验装置内，接着采用与管内径与桩直径一致的PVC管进行挖孔取土，放入导水桩和混凝土桩，在土体和桩顶表面覆盖一层2～3 cm的砂垫层作为排水层，再放置一块沉降板，表面连接位移计，沉降板上施加填土荷载，通过位移计实时显示土体的沉降量，试验结果如图5所示。

由图5可看出，与无排水通道的混凝土桩相比，带有排水固结作用的导水桩在相同时间内能产生更大的沉降，使地基土体更快完成沉降固结，从而缩短沉降稳定的时间。

2导水桩复合地基现场试验

在室内配合比试验与模型桩试验基础上，为较好验证导水桩在有效控制工后沉降和差异沉降及充分发挥桩间软土承载力方面的作用，应进行导水桩复合地基现场试验并实时监测，通过现场监测数据分析来评价导水桩复合地基处理深厚软土地基的可行性。

2.1试验段概况

选择中山西环高速公路二标施工路段作为导水桩复合地基技术现场试验段，路基全长2.41 km，宽28.5 m，设计高度5 m，公路标段属深厚软土地区（平均深度24 m），该试验段地层岩性主要为第四系填土层、三角洲沉积层、第四系残积层，下伏基岩为燕三期花岗岩、侏罗系凝灰岩、寒武系变质砂岩，而直接影响工程施工的地层主要有淤泥质土、淤泥质粉质黏土，试验段各项土质具体参数见表3。

试验段长21 m，导水桩桩径400 mm，桩长22 m，桩身材料采用1号配比制成，设计桩距2.5 m，采用振动沉管埋入导水桩后，在基底表面铺设50 cm的砂石作为褥垫层。打桩完成后先进行单桩和复合地基承载力试验，然后在试验段中心处设立1个观测断面，在断面中心区域进行地表沉降、孔隙水压力和桩土应力监测，具体包括：① 在路基中心及两侧原地面高程处各布设1个沉降标；② 在路基中心桩周土区域，沿桩身4，8，12，16 m和20 m处共布设5个孔隙水压力计；③ 在桩顶及两桩顶中心桩间土表面处各布设1个土压力盒。

2.2单桩及复合地基承载力试验

导水桩埋设完成后进行单桩及复合地基载荷试验，其中，单桩等效处理面积取3.5 m2，复合地基载荷试验采用面积3.3 m2的载荷板。试验曲线如图6所示，由图分析可知，试验桩单桩承载力特征值为275 kN，压板试验点复合地基承载力特征值为180 kPa。

2.3地基沉降监测分析

在基底表面进行路基填土及超载预压过程中，监测断面的沉降实测曲线见图7。由图7可以看出，在整个路基填土及超载预压过程中，随着填土量及荷载的增加，土体沉降不断发展，地基总沉降量随路堤填筑过程平稳上升，路基填土完成后，开始填筑预压土，这时土体沉降速率明显增大，在超载预压土填筑之后，上部荷载保持不变，地基沉降仍继续发展，这跟土体上部路堤和预压土提供的荷载作用有关，也反映了导水桩在土体中起到的排水固结作用。导水桩桩身材料的高渗透率使其在土体中的作用相当于一个大直径竖向排水体，给桩周边土体中的水提供了竖向通道，大大减少土体排水距离，土体中的孔隙减少加快及有效应力增加，使地基土体能在加载预压期内完成大部分或基本完成沉降固结，从而有效减少地基工后产生沉降和差异沉降的现象。

2.4孔隙水压力监测分析

通过沿桩身均匀布设孔压计进行不同深度的孔压观测，可了解不同深度土体在上部填土荷载作用下孔隙水压力的变化规律，分析地基土体的固结状态。路基填土及超载预压过程中所观测到的孔隙水压力变化曲线如图8所示。

由图8可以看出，在路堤填土过程中，土体填筑速率较慢，地基不同深度的孔隙水压力随填土荷载变化均较平缓。在预压土体施加后，孔隙水压力迅速上升，不同深度处孔压在预压土填筑时均达到峰值，但在路基填土及超载预压完成后的恒载过程中，孔隙水压力迅速消散，孔压值回归到填土初期应力水平。这一现象表明了土体内孔隙水在上部荷载的作用下，引起了超静孔隙水压的产生，但由于导水桩桩身材料的导水性，在土体中提供了一个快速排水通道，土体中的孔隙水沿导水桩向上排出，超静孔隙水压随着土体排水固结完成而消散，上部荷载开始由土体承担，土体密实度进一步提升，此时土体的沉降值达到最大。同时，不同深度测点处孔压值的迅速消散也表明导水桩具有良好的排水性能，能充分发挥桩间土体的承载力水平，利于地基的深层加固。

2.5桩土应力监测分析

在路堤填土及超载预压土施加的荷载作用下，桩顶和桩间土应力的变化规律见图9。

从图9可以看出，在整个地基填土及超载预压过程中，虽然桩顶土应力和桩间土应力均随着填土量及荷载的增长而增长，但两者的增长速率不同，桩间土应力的增长速率明显小于导水桩桩顶应力的增速。同时，在上部荷载作用下，砂石组成的褥垫层逐渐对自身结构进行了调整，渐渐体现出对荷载的分担和调整作用，且桩间土的强度明显要弱于导水桩的强度，因此，上部填土荷载将在褥垫层的作用下，迅速由桩间土向导水桩转移，桩身应力集中较明显。而在预压土填筑过后的恒载条件下，桩顶应力仍在上升，而桩间土应力基本保持不变，这一现象说明了导水桩在地基中发挥的竖向增强体作用在不断增强，导水桩所分担的荷载比逐渐增大。

3结论

通过室内试验、模型桩试验及现场试验，针对所提出的导水桩复合地基技术进行了相关研究分析，结论如下：

（1） 通过室内试验及模型樁试验确定了导水桩桩身材料的配合比，并验证了在这种配合比下形成的导水桩兼具高强度和高透水性。

（2） 通过地表沉降和孔隙水压力监测结果分析，导水桩的排水固结性能可以加快土体中孔隙的减少及有效应力的增加，从而加速桩间土体的沉降固结，使地基土体能在加载预压期内完成大部分或基本完成沉降固结，减少地基工后产生沉降和差异沉降的现象。

（3） 通过分析桩土应力监测结果发现，导水桩在地基中发挥的竖向增强体作用不断增强，导水桩所分担的荷载比逐渐增大。

（4） 导水桩是一种新的地基处理方式，可用于淤泥质土、淤泥、粉质黏土等地基处理，特别适用于高速公路桥头段、河湖堤防工程等的软基处理，但目前研究理论相对缺乏，还需对其沉降计算理论、荷载传递规律、固结度等进行进一步的研究分析。

参考文献：

［1］彭良泉.软基加筋设计中的不当与改进［J］.人民长江，2022，53（2）：124-131.

［2］李书昌.CFG桩在道路软基处理中的应用［J］.建筑技术，2022，53（9）：1211-1214.

［3］陈俊彦.粉喷桩加固高速公路软土地基的应用效果分析［J］.公路与汽运，2020，200（5）：45-47，51.

［4］龚西城，苏立志，徐凡，等.预制混凝土管桩技术在黄河下游液化地基处理中的应用［J］.水利水电技术，2019，50（增2）：70-75.

［5］宾斌，蒋厚良，王雪龙，等.导水布袋复合压密注浆桩技术在软土质堤防加固处理中的应用研究［J］.水利与建筑工程学报，2015，13（4）：183-187，219.

［6］彭春雷，宾斌，龚高武.导水布袋控制压密注浆桩技术在洞庭湖堤基加固中的试验研究［C］∥2013水利水电地基与基础工程技术——中国水利学会地基与基础工程专业委员会第12次全国学术会议论文集，2013：57-63.

［7］问建学，唐昌意，曹雄，等.超厚软土区管桩复合地基不均匀沉降病害处治［J］.公路，2023，68（3）：68-75.

［8］柏杨，姜晨冰，赵地，等.水泥土搅拌桩在滨海软土地基加固中的应用［J］.人民黄河，2022，44（增2）：280-281.

［9］朱月.地聚合物搅拌桩加固软土地基的力学机理研究［D］.西安：长安大学，2020.

［10］程万钊，乐茂华，王富永，等.混凝土芯砂石桩复合地基加固堤防软基试验研究［J］.水利学报，2007（增1）：675-681.

［11］张继良，肖义，李从安，等.软基土工管袋吹填砂围堤稳定性及沉降特性分析［J］.水利水电快报，2022，43（9）：22-25.

（编辑：李慧）

Technology and experimental study of water-conducting pile composite foundation

HAN Shaowu1，HUANG Xiaoqian2，3，ZENG Sijian2，3

（1.Yongzhou Water Authority，Yongzhou 425000，China；2.Hunan Hongyu Engineering Group Co.，Ltd.，Changsha 410117，China；3.Changsha Engineering Research Center for Grouting Technology，Changsha 410007，China）

Abstract： Aiming at the property of soft soil and environmental characteristic of infrastructure construction on soft soil foundation，the existing soft soil foundation reinforcement technologies and applicability were analyzed.Based on indoor test and model pile test，a new type of foundation treatment technology，the water-conducting pile composite foundation treatment method was proposed.Through field test observation and analysis，the bearing capacity，drainage consolidation，pore pressure dissipation and pile-soil stress sharing of water-conducting pile composite foundation were studied.The results showed that the water-conducting pile bore the vertical drainage body in the soil，and formed a drainage system with the base cushion under the upper filling load，which accelerated the consolidation of the soil between piles and gave full play to the bearing capacity of the soil between piles.It could also be a vertical reinforcement to effectively transfer vertical load，which combined with the consolidated soil between piles to bear the load and control the settlement of the foundation after construction.

Key words： composite foundation； drainage consolidation； water-conducting pile； soft soil foundation treatment； bearing capacity