预制管桩-水泥搅拌桩在软土地基处理中的应用

钟黎雨，余 超

(水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广州 510611)

在水利工程建设过程中，针对淤泥、淤泥质土地基的常见处理方式有挤淤置换法、深层搅拌法、高压喷射注浆法等。但对于深厚淤泥层的处理，挤淤置换法和高压喷射注浆法均不适用，若单独使用水泥搅拌桩法，因搅拌桩的长度不宜过长，可能无法满足深厚淤泥层的处理要求，且桩间土的固结沉降也难以解决，不能完全解决地基问题。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预制桩、灌注桩等[1-2]。

近年来，新的刚性桩型、半刚性桩型不断地涌现，丰富了复合地基的技术与理论发展，复合地基技术在土木工程建设中应用广泛，常用的复合地基处理方式有水泥土搅拌桩复合地基、刚性桩复合地基、桩网复合地基等。其中，刚性桩复合地基近来在桩型、设计理论等方面取得了很大的进展，主要体现在多元复合地基、排水型桩复合地基、劲性桩复合地基等方面[3]。

为有效解决深厚淤泥层地基处理问题，本文以某灌区工程中位于深厚淤泥层地基上的桥梁地基处理为例，尝试在使用水泥搅拌桩进行淤泥质软土地基处理的同时，引入预制管桩对地基进行加固，形成刚性桩、柔性桩与天然淤泥相结合的复合地基，该复合地基结合了水泥搅拌桩和刚性管桩的优点，在提高软土地基承载力、控制变形沉降等方面具有独特的优势，为类似工程的软弱地基处理提供了很好的参考。

1 工程简介

潮安安揭、潮州市东凤灌区连通工程由安揭灌区五支渠重建工程(长5.55 km)，新建潮安安揭、潮州市东凤灌区连通渠(长3.97 km)的组成，为潮安区安揭引韩灌区和潮州市东凤引韩灌区的组成部分，潮州市东凤灌区灌溉面积为6.3万亩，潮安区安揭引韩灌区设计灌区面积为11.2万亩，均为中型灌区，依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2017)的规定，本工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。

安揭灌区五支渠重建工程沿线从五支渠进水口(五支渠涵)至鹳巢分渠分水口，总长为5.57 km，设计流量由3.55 m3/s增加至6.05 m3/s，新建节制闸1座，重建分水闸(涵)27座、重建排水涵管20座，重建桥梁11座，重建过底涵2座；新建潮安安揭、潮州市东凤灌区连通渠干渠总长为3.97 km，设计流量为2.5 m3/s，沿途新建节制闸2座、过路涵1座、连接涵1座、泵站1座、灌溉补水管1条(管道长度约为0.505 km)。新建1#、2#两条支管，1#支管长度为1.188 km，2#支管长度为0.725 km，采用De500PE管道，地下埋管方案。

2 工程地质

11座重建桥梁地质结构自上而下主要由第四系新近人工堆积层(Qs)的素填黏性土，第四系全新统河流相冲积层(Qal)的粉质黏土，第四系韩江三角洲海陆交互相沉积层(Qmal)的淤泥、第四系韩江三角洲海陆交互相沉积层(Qmal)的淤泥、粉土/砂、砾砂/石组成。地质结构自上而下分别为：

第四系新近人工堆积层(Qs)的素填黏性土①-1：由褐黄色、灰褐色、灰黄色粉质黏土组成，软可塑～可塑状，层厚为0.8～3.9 m。

第四系全新统河流相冲积层(Qal)的粉质黏土②-1：灰黄色、灰褐色，主要由粉质黏土、黏土组成，黏性一般～较好，层厚为0.6～3.0 m。

第四系韩江三角洲海陆交互相沉积层(Qmal)的淤泥、淤泥质土③-1：深灰、灰黑色，以淤泥为主，局部夹淤泥质土、淤泥质粉细砂，该层分布普遍、连续，厚度较大，层厚为15.0～35.4 m。

第四系韩江三角洲海陆交互相沉积层(Qmal)的粉土、粉砂③-2：灰黄色、灰白色，以粉土、粉砂夹粉质黏土为主，稍密状为主，层厚为1.0～9.4 m，平均3.4 m。

第四系韩江三角洲海陆交互相沉积层(Qmal)的砾砂、砾石③-3：灰褐色，主要有砾石、小卵石、中粗砂、泥质等组成，级配较宽泛，中密状，层厚为0.6～9.2 m，平均3.25 m。

桥梁建基面置于②-1粉质黏土层底部、③-1淤泥、淤泥质土层顶部，且存在超过30 m厚的深厚淤泥层，天然地基承载力低，压缩性高，主要存在地基沉降变形、地震震陷、地基土液化等问题，需对地基进行处理。

各岩土层地质参数建议值见表1，拟建桥梁典型地质断面示意见图1。

图1 拟建桥梁典型地质断面示意

表1 各岩土层地质参数建议值

3 复合地基承载力计算

水泥土搅拌桩复合地基的承载力标准值可按下式计算：

(1)

其中，β经验取值为0.4。

刚性桩—水泥土搅拌桩复合地基承载力计算：

① 由天然地基和刚性桩复合形成复合地基。视为一种新的等效天然地基，其承载力特征值为fspk1[4]。

② 将等效天然地基和水泥土搅拌桩复合形成复合地基，求得复合地基承载力即刚性桩一水泥土搅拌桩复合地基承载力fspk。具体推导如下：

(2)

(3)

其中，α1、α2、β1、β2经验取值分别为0.4。

4 地基处理方案

根据桥址处地质情况，交通桥地基土为粉质黏土(厚0.8～3.9 m)、淤泥(厚度大于15 m)，建基面普遍置于黏土层下部至淤泥层顶部，天然地基承载力低，压缩性高，淤泥具震陷性。结合JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》[5]，初步考虑采用混凝土灌注桩、预制管桩、水泥搅拌桩处理的方式对桥梁地基进行处理。

本次选取11座桥梁中最不利断面6#交通桥进行计算。

4.1 混凝土灌注桩、水泥搅拌桩方案

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[6]。若选择采用混凝土灌注桩对地基进行处理，混凝土灌注桩长度最长达到45 m，如考虑负摩阻力则桩长更长，灌注桩的质量难以保证；另一方面工期长、造价高[7]。因此，仅采用混凝土灌注桩对本工程深厚淤泥层进行处理不合适。

作为复合地基，搅拌桩的长度一般以10～16 m为宜，通过实际检测资料可知，更深层的加固效果不太显著。由于桩长不足，桩底土仍有部分工后沉降[8]。因此本次水泥搅拌桩长度定为15 m，桩径Φ500 mm，桩基采用格栅式布置，中间搅拌桩中心间距为933 mm。具体布置见图2。

图2 桥梁基础采用搅拌桩处理示意(单位：mm)

选取最不利断面6#交通桥进行计算，共布置搅拌桩204根，桩身穿过粉质黏土层、淤泥层，但未穿透淤泥层。D500水泥搅拌桩单桩竖向承载力特征值Ra=70.67 kN，面积置换率m为0.51；经计算，水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值为189.91 kPa，满足地基承载力要求，工后最终沉降为130.63 mm(见表2)。

表2 水泥搅拌桩—管桩复合地基承载力计算成果

4.2 预制管桩与水泥搅拌桩混合处理

相对于传统钻孔灌注桩施工方式，混凝土预制管桩具有操作简单，机械化水平高、施工速度快、节约成本等诸多优点[9]。一般情况下，采用预制管桩可用较小的成本实现更高的承载力[10]。预制管桩在福建、广东等持力层埋藏较深的沿海地区应用较为广泛[11-12]。考虑到采用搅拌桩对地基进行处理后基础工后沉降仍较大，因此，对下部软弱土层先采用栅状水泥搅拌桩进行处理后，对于欠固结软土，深层搅拌桩处理后桩间土的固结沉降仍难以解决，工后沉降仍然偏大，为满足沉降与基底应力较大要求，长桩采用刚性管桩方案，水泥搅拌桩与管桩能组成较好的刚柔复合桩基。该方案对基础承载力要求低，基础处理难度小，可以确保基础处理质量。

因此，本次对五支渠11座重建桥梁下部软弱土层采用水泥搅拌桩+预制管桩进行复合地基加固处理，搅拌桩桩径Φ500 mm，长度为15 m，预制管桩桩径Φ500 mm，桩底深入粉土/砂或砾砂/石层，长度为18.2～32.3 m。桩基采用格栅式布置，即由水泥搅拌桩组成一个个正方形格栅，预制管桩布置在格栅中间，具体布置见图3。

图3 桥梁基础采用预制管桩及搅拌桩处理示意(单位：mm)

选取最不利断面6#交通桥进行计算，直径500管桩的单桩竖向承载力特征值Ral=217.95 kN，桥梁底板下布置D500管桩9根，面积置换率m1为0.026；D500水泥搅拌桩单桩竖向承载力特征值Ra2=70.67 kN，共168根，面积置换率m2为0.425；经计算刚性桩-水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值为166.12 kPa，满足地基承载力要求。搅拌桩有效桩长为15 m，格栅为2 m×2.2 m，格栅内布置的管桩入粉土层底部(粉土层厚度不大于3 m时)或粉土层3 m(粉土层厚度大于3 m时)，管桩桩长为34 m，工后最终沉降为13.86 mm(见表3)。

表3 水泥搅拌桩-管桩复合地基承载力计算成果

5 方案对比

两种地基处理方案技术经济对比见表4，从表4中可以看出，预制管桩和水泥搅拌桩地基处理方案比水泥搅拌桩地基处理方案投资更少，两种方案复合地基承载力十分接近，但水泥搅拌桩复合地基工后沉降量为130.63 mm，远大于预制管桩和水泥搅拌桩复合地基工后沉降量13.86 mm。因此，无论从技术角度还是经济角度，预制管桩和水泥搅拌桩地基处理方案均优于水泥搅拌桩地基处理方案。

表4 两种地基处理方案技术经济对比

6 结语

本文以某灌区连通工程沿线重建桥梁深厚淤泥层基础为对象，分别采用水泥搅拌桩及预制管桩-水泥搅拌桩复合桩型对深厚淤泥层地基进行处理，可以得到以下结论：预制管桩和水泥搅拌桩相结合的地基处理方法结合了预制管桩和水泥搅拌桩的优点，在对深厚淤泥层地基进行处理时，桩基采用格栅式布置，由水泥搅拌桩组成一个个正方形格栅，预制管桩布置在格栅中间。该方法不仅能够有效提高地基承载力，同时能够有效控制地基沉降，解决深厚淤泥层沉降大的问题，该方法可为类似深厚淤泥层地区复合地基设计与试验提供参考和借鉴。