“格栅式”复合桩基在软土地基中的应用

格栅式”复合桩基在软土地基中的应用摘要：沿海地区软土分布广泛，厚度大，含水量和压缩性高，承载能力及抗 剪强度低，在软土上修建水工建筑物易产生大沉降及不均匀沉降等问题，深厚软 土不能直接作为建筑物持力层，需进行地基处理，而处理方式的选择直接影响工 程投资、施工工期及建筑物永久运行状况。本文介绍了水利工程常用的软土地基 处理技术，并着重推荐一种“格栅式”复合桩基处理方法，有效改善软土地基处 理效果，为类似工程软基处理提供良好的借鉴。关键词：深厚软土；水泥搅拌桩；“格栅式”复合桩引言沿海地区软土分布广泛，厚度大，软土具有高含水率、高孔隙比及高压缩性 抗剪强度低等特点，会产生较大沉降，容易产生抗滑稳定问题，深厚软土地基处 理是水利工程，尤其是沿海平原地区水闸、泵站等水工建筑物设计、施工普遍存 在的问题。而随着沿海地区经济建设的高速发展，工程地质条件较好的场地已不 断被开发利用，出海口一带的大面积滩涂也将随着经济建设规模的不断扩大逐渐 被利用，因此在城市交通、市政基础设施建设过程中同样面临诸多深厚软土地基 处理问题。针对建筑物荷载要求和地质条件，采用合适的软土地基处理方法，既可以节 约投资，又能节省工期，更重要的是为建筑物后期运行使用提供坚实的质量保证 本文结合实际工程案例介绍“格栅式”复合桩基的设计要点及施工注意事项。一、软土地基处理技术概述目前，水利工程中深厚软基处理的方法一般分为三种：刚性桩，如高强预 应力管桩（PHC桩）、预制方桩、灌注桩等；柔性桩，如水泥搅拌桩、高压旋 喷桩、碎石桩、砂桩和矿渣桩等；刚柔复合桩，一般为一种刚性桩与一种柔性 桩的组合。地基处理需要解决的主要是稳定问题、变形问题和渗透问题等。根据多年的 研究实践，结合珠江三角洲类似工程经验，对于下卧软土较厚的水（船）闸、泵 站等工程，宜采用预制混凝土桩、灌注桩或水泥搅拌桩进行处理。对于稳定和渗透问题，水泥搅拌桩等柔性桩形成的复合地基较大限度利用了 原土，具有较强的变形协调能力，保证底板和土体接触，能很好地处理稳定和渗 透问题；灌注桩、预制混凝土桩等刚性桩水平承载力大，一般与底板嵌固，抗滑 稳定一般不成问题，但在处理较深厚淤泥、淤泥质土时，容易出现倒桩现象，对 工程稳定不利，且刚性桩底板容易脱空，形成渗漏通道，对防渗极为不利。对于垂直变形问题，若仅采用水泥搅拌桩等柔性桩，受施工工艺限制，一般 无法处理深度超过 20m 的地基，桩基下卧土层仍为软土，水工建筑物将会继续发 生较大沉降；预制混凝土桩、灌注桩等刚性桩具有单桩承载力高，竣工后沉降量 小，桩身质量易保证，工期短等优点；与灌注桩相比，预制钢筋混凝土桩更经济 施工更简便，因此从垂直变形问题考虑优先选择预制钢筋混凝土桩。综上所述，从抗滑稳定和防渗问题考虑优选水泥搅拌桩，但总体沉降和不均 匀沉降一般难以满足规范要求；且水泥搅拌桩受土质、水泥掺量、施工水平等因 素影响，搅成桩质量不稳定，变异系数相对较大。从垂直变形问题考虑优选预制 混凝土桩，但容易出现倒桩现象，且在该种桩基形式下，结构底板与地基土易出 现变形不协调，导致脱空现象，形成渗流通道，对防渗不利。为解决单独采用刚性桩或柔性桩进行地基处理时存在的问题，长江设计公司 早在 2015年前便开展“刚-柔组合桩”的相关设计研究，经过多年的研究实践， 一种“格栅式”复合桩基成功运用于珠江三角洲多宗大中型水（船）闸、泵站工 程，并逐渐推广到一大批中小型水（船）闸、泵站、堤防、桥涵、管理房等水利 市政及房建工程。二、“格栅式”复合桩基设计要点2.1“格栅式”复合桩适用条件地基处理的常用方式有置换法（换填、振冲、夯挤等）、预压法（堆载、真 空、降水、电渗等）、打桩法（预制管桩、方桩、灌注桩等）等。地基处理首先 应根据地质情况、建筑物荷载、防渗要求等进行技术经济比选。本文所述“格栅式”复合桩是一种以水泥搅拌桩或高压旋喷桩为载体，通过 “格栅式”布置，将软土地基分隔成若干块独立又相互联系的单元，格栅一般为 矩形、长方形或三角形、梯形。格栅内布置“散桩”，散桩可为柔性桩或刚性桩 根据承载力、沉降计算确定。柔性桩优先选择水泥搅拌桩，对于施工净空不够，尤其是周边有房屋或高压 线塔难以迁移，施工条件受到限制的场地，可选择高压旋喷桩进行局部替换。“格栅式”柔性复合桩最大限度的利用了原土，充分发挥柔性桩的变形协调 性能，保证底板和土体接触，对地基沉降差的调节性较好。鉴于柔性桩施工机械 成桩限制，“格栅式”柔性桩与“散桩”组合时，适用于软土厚度不大（一般小 于20m）、上部承载力要求较低（基底应力一般小于lOOkPa），防渗要求较高的 建筑物地基处理；而当与刚性桩组合时，可不受深度限制。与水泥搅拌桩类似，“格栅式”柔性复合地基适用于处理正常固结的淤泥、 淤泥质土、素填土、黏性土（软塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉细砂（松 散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、饱和黄土等土层。不适用于含大孤石或障 碍物较多且不易清除的杂填土、欠固结的淤泥和淤泥质土、硬塑及坚硬的黏性土 密实的砂类土，以及地下水渗流影响成桩质量的土层。当地基土的天然含水量小 于 30（黄土含水量小于 25）时不宜采用粉体搅拌法。冬期施工时，应考虑 负温对处理地基效果的影响。在沿海滩涂，淤泥、淤泥质土较厚，尤其是粉细砂地质区域，“格栅式”复 合地基广泛使用。2.2“格栅式”复合桩基优点1、有效提高桩基水平承载能力深厚软土地基中单独采用刚性桩，如预制管桩或灌注桩等，由于桩基上部土体软弱，刚性桩垂直度稍有偏差，容易失稳；格栅式组合桩可解决这个问题，在 预制桩周围采用水泥搅拌桩形成格栅的方案，增强土体抗剪强度指标，形成“水 平套箍”作用，可大大增强刚性桩的水平承载能力；此外，格栅式布置的柔性桩， 将软土地基进行分隔，加固预制桩周边土体，减少侧向水压力传递，防止管桩侧 移或倾倒，进一步加强了地基稳定性。2、有效防止底板脱空，提高防渗能力柔性桩既可以加固土体，也可以作为防渗墙，通过单排或双排联体桩的形式，沿着建筑物底板四周布置，柔性桩可选500水泥搅拌桩，间距0.4m，咬合0.1m，桩顶嵌入混凝土底板5cm,并采取可靠的止水措施，可有效提高建筑物地 基防渗能力，避免底板脱空造成渗漏通道。3、单位造价较低,投资节省“格栅式”复合桩基处理方法最大限度利用原土,有效改善水平承载和不均 匀沉降,在同等条件下,可大大减少刚性桩数量,节约钢材并降低造价。4、工艺成熟、施工方便水泥搅拌桩施工工艺成熟,搅拌时无振动、无噪音和无污染,对周围原有建 筑物影响很小。2.3“格栅式”复合桩基设计1、桩型及直径选择柔性桩优先选择水泥搅拌桩,在施工条件受限,尤其是周边有房屋或高压线 缆难以迁移时,可选择高压旋喷桩进行局部代替。但一般情况下,柔性桩单桩承 载力以侧阻力和端阻力控制,置换为高压旋喷桩,对承载力提高不大,且高压旋 喷桩单价比水泥搅拌桩贵 2 倍左右,设计时应充分分析施工场地情况,综合考虑 注意控制成本。桩径一般可选择直径500mm，对于大中型水闸，建议采用600mm 及以上直径,可降低延米造价。2、桩基布置桩基布置形式一般由以下几种：矩形布置；梅花型布置；格栅式布置。 对于地基承载力要求较低护坦基础桩、边坡支护桩可采用矩形或梅花型布置；对 于地基承载力要求较高，软土地基厚度不大，下卧土层较好的地基，可采用“格 栅式”柔性桩布置形式，格栅内布置“散桩”如下图（a）所示；对于地基承载 力要求高，软土地基厚度大，下卧软土深厚的地基，可采用“格栅式”刚柔组合 桩布置形式，如下图（b）所示。叭*00三00P TfiTI 卜厂 址 t- tn（a）柔性复合桩（b）刚柔复合桩图1 “格栅式”复合桩布置3、桩长确定深层搅拌桩容易受到外部环境的影响，尤其是受到气候、温度的影响，所以 在施工过程中，需要处理好深层搅拌桩，充分考虑气候、天气等影响因素。受限 于施工机械及成桩质量，在设计过程中水泥搅拌桩长度一般不超过20m，基础桩 以1018m为以宜，防渗桩可根据计算考虑1220m。在实际工程中，承载能力较容易满足，主要是沉降和沉降差控制。如软土较 深，一般超过20m,且下部软弱层厚度较大，沉降难以控制，则采用刚柔组合桩 基进行处理。4、防渗设计为防止基土流失和可能发生“液化”破坏，同时减少底板渗透压力、降低地基平均渗流坡降，防渗设计一般采用阻渗为主、导渗为辅，防渗措施以垂直为主 水平为辅。具体布置如下：在底板四周分别设置双排联体水泥搅拌桩进行围封， 桩端穿透下层相对透水层，一方面延长渗径，另一方面，防止底板与基础脱空形 成渗流通道。必要时可在底板内外河侧各设置一排密扣拉森W型钢板桩作为防渗 储备。初拟防渗布置形式后，应进行渗流计算，推荐采用改进阻力系数法进行计算 复核，对于沿海挡潮闸，防渗计算工况一般取：外江挡潮工况：外江侧设计水 位，内涌侧最低控制水位，此时上下游水位差最大；内涌挡水工况：外江侧历 史最低潮位，内涌侧最高限制水位，此时上下游水位差最大。5、承载力计算“格栅式”复合桩基承载力计算参照水泥搅拌桩复合地基承载力计算方法进 行计算，采用规范为建筑地基处理技术规范、广东省海堤工程设计导则（1）单桩竖向承载力初步设计时可按公式（A）估算，同时应满足公式（B）的要求，应使由桩身 材料强度确定的单桩承载力大于（或等于）由桩周土和桩端土的抗力所提供的单 桩承载力：磊半詰I喝，恳=7匚屯（B）式中：匚 与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7mm的 立方体，也可采用边长为50mm的立方体）在标准养护条件下90d龄期的立方体 抗压强度平均值（kPa）；即-桩身强度折减系数，湿法取0.25，干法取0.20；叫-桩的周长（m）；挖-桩长范围内所划分的土层数；九-桩周第i层土的侧阻力特征值；右-桩周范围内第i层土的厚度（m）；即 桩端地基土未经修正的承载力特征值；氐-桩端天然地基土的承载力折减系数。（2）复合地基承载力特征值初步设计时按照下面公式估算：式中：-孤-复合地基承载力特征值（kPa）；战-面积置换率；巳一-单桩竖向承载力特征值（kN）；心-桩的截面积（m2）；B -桩间土承载力折减系数，fsk桩间土承载力特征值（kPa）。桩间土承载力折减系数，当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承 载力特征值的平均值时，可取0.1 0.4 ，差值大时取低值，当桩端土未经修正 的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.50.9 ， 差值大时或设垫层时取高值。在承载力计算时，置换率可以一个“格栅”单元或底板整体进行计算，联体 桩计算有效面积，即扣除重叠咬合部分。三、“格栅式”复合桩基施工注意事项3.1 做好地质勘察工作做好地质勘察工作要求在水利工程施工前，做好实地勘察和测量工作，尤其 注意地质情况对软土地基施工技术应用的影响，根据相关的专业数据，分析出具 体的影响因素，避免软土地基施工技术对水利工程带来的不利影响。总之，我们 需要清楚了解软土地基施工技术，再分析软土地基的影响因素，并根据不同地质 情况采取不同的施工技术。随着水利工程数量的增加，水利工程的质量显得尤为 重要，所以，需要我们引起重视，最终保证水利工程的质量。3.2 合理确定施工参数，确保成桩质量为保证搅拌桩施工质量，在大规模施工前应根据施工图纸规定的桩位、桩形 桩径、桩长，复勘场地地质条件，并进行工艺性成桩试验，主要目的如下：验 证室内试验配合比；确定具体施工方法和工艺参数；检验施工设备及选定的 施工工艺；校核单桩、复合地基承载力；指导水泥搅拌桩大面积施工。试桩可根据设计提供的水灰比和水泥掺量等要求进行分组，如将水灰比按 0.45、0.50、0.55 分为三组，每组按水泥掺量 60kg/m、65kg/m、70kg/m 各分三 种，检验龄期为 7 天、28 天（估算强度）的水泥试块抗压强度，通过试桩选择经 济、可靠、合理的水泥浆配比、喷浆速度，喷浆压力，搅拌/提升速度等施工方 法和工艺参数。3.3 保护桩头，做好防渗桩与底板的衔接施工过程中应严格控制桩顶标高，一般停浆面高于设计桩长0.5m，建筑物底 板高程变化处，如泵站进水前池、消力池斜坡段，或底板齿槽等部位，水泥搅拌 桩桩顶高程应根据底板高程变化调整，确保桩头开挖凿除后达到设计标高，与底 板结构砼形成良好的接触。四、“格栅式”复合桩基工程应用4.1 项目简介南沙区某水闸位于广州市南沙区东涌镇，外临蕉门水道，属鱼窝头围排涝区 的南边月南沙区某水闸排涝片。本工程的主要任务是与围内其他水闸、泵站一起， 解决南沙区某水闸排涝片的排涝问题，并兼有防洪和改善水环境的综合利用。南沙区某水闸为单孔，净宽5m,最大过闸流量为38.92m3/s；同时配套泵站, 泵站设计流量9.0m3/s，布置2台1200ZQB-125立轴半调节潜水轴流泵，装机 2X355kw，主泵房、水闸及出水建筑物等主要穿堤建筑物为1级，副厂房、进水 前池等主要建筑物为 4 级；护岸等次要建筑物级别 5 级建筑物。4.2 地质概况根据区域地质资料及钻探资料，按照地层岩性、成因及物质组成特征，该场 地处地层主要为：层人工填土，-1层淤泥、淤泥质土，-2层粉细砂，- 1层粉土夹砂，-2层中砂、中细砂，-3层砂卵砾石，VT层全风化泥质粉 砂岩、V-2层全风化炭质页岩、W-1层强风化泥质粉砂岩、W-2层强风化炭质 页岩和III层弱风化泥质粉砂岩。-1层淤泥、淤泥质土，具有高含水率、高孔隙 比及高压缩性，抗剪强度低等特点，会产生较大沉降，容易产生抗滑稳定问题， 基坑开挖时可能产生挤出、儒变、滑移等破坏；因此，需进行加固处理，基坑做 好护坡措施。-2层粉细砂为可液化土，建议对-2层进行防液化处理，两岸 岸坡进行加固处理。-1层淤泥、淤泥质土，层厚大于3m,根据软土地区工 程地质勘查规范，在地震烈度度区软土地震震陷估算值3080mm，对场区及 上部建筑物稳定有影响，应对地基采取抗震陷措施。-1层和-1层土可能发 生流土型渗透破坏，-2层粉细砂可能发生流土型渗透破坏，-2层和-3层 土可能发生管涌型渗透破坏。-1层、-2层土承载力低，抗冲刷能力弱，为 高压缩性砂土，沉降量较大，建议对上、下游进水前池及海漫基础采取加固及防 渗处理。4.3 地基处理本次设计与近年来广东地区常采用的 PHC 桩和水泥搅拌桩的地基处理方式进 行了对比，经分析后，本工程地基处理采用“格栅式”柔性复合桩地基处理法， 柔性桩以水泥搅拌桩为代表，先在水闸、泵房底板四周采用双排水泥搅拌桩进行 围封，主要作用为防渗，同时兼有基础桩的作用；然后采用单排联体桩以格栅式（一般为方形）对软土地基进行分隔，间距一般为2.02.5m，然后在格栅中间打 散桩，间距l.OmXl.Om。图 2“栅格式柔性复合桩”工程实例这种格栅式“围封桩+散桩”的格栅式柔性组合桩地基处理方法，可有效提 高地基承载力，降低地基沉降，对于软土厚度20m以内地基处理效果优良，目前 正在施工的多个水闸、泵站工程等也采用此类桩基处理方法，施工便捷，效果优 良，值得推广。结束语近年来，我国水利工程行业在不断地发展，软土地基处理技术也得以不断创 新和进步，新型加固材料及处理方法不断被研发与应用，这给软土地基的处理提 供了有利的外部条件。在水利工程软土地基，尤其是沿海深厚软土地基处理过程中，需根据承载力 抗滑稳定和沉降要求及地质情况等选择适合的地基处理方法，进行经济技术比较 确认。一般在沿海地区水（船）闸、泵站、挡土墙等，地质较好，承载力和沉降 要求较低时，可采用“格栅式”柔性复合桩基处理方式，经济、可靠、施工便捷 而对于承载力和沉降要求较高的水工建筑物，可采用“格栅式”“刚柔复合桩基 处理方式，可有效解决水平抗滑、沉降和防渗问题，是一种值得推广的复合地基 处理方法。参考文献1.吕志方.水泥土搅拌桩复合地基在水闸工程地基处理中的设计要点J.百科 论坛电子杂志,2020(6):1744-1745.2.陈新软土地基沉降控制复合桩基的设计计算J.中国市政工程,2012,(1).21-23.3.孟祥欣软土地基处理方法综述J.山西建筑,2017,(4).67-68.4.黄善绻.水利工程中软土地基处理的施工技术探讨J.智能城市,2020,(11).208209.5.孙晓辉1,徐红霞2.水利施工中软土地基处理技术J.水能经济,201 & 000(002):P.130-130.6.杜建召,齐瑞宁,冯岩岩,等.深厚软土地基不同桩基处理方式的对比试验研究 J.建筑工程技术与设计.2018,(21).321.