公路施工：散体桩-透水混凝土桩二元复合地基施工工法

1 散体散体桩桩-透水透水混凝土混凝土桩桩二元复合地基二元复合地基施工工法施工工法 GGG（鲁） A2-2019 崔新壮刘 勇李 晋崔兆云叶永健 （青岛公路建设集团有限公司山东大学山东交通学院） 1 前言前言 近三十年来，地基处理技术得到很大发展，其中复合地基技术应用最为广泛。复合 地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换。 复合地基中的竖向增 强体一般可分为散体材料桩、柔性桩（或称半刚性桩）和刚性桩，如砂桩和碎石桩为散 体桩，水泥土桩为柔性桩，而CFG桩和素混凝土桩等都属于刚性桩。碎石桩等散体桩是 透水的，可以加快地基的固结速度，也可减小砂土或粉土地基的液化势，但作为一种散 体材料桩，其刚度和强度低，而且与桩周土的围压有很大关系，浅层桩体易发生膨胀破 坏，当应用于软粘土及有机土和泥炭土等地基时，地基承载力提高不大，而且工后沉降 大。相反，CFG桩等刚性桩复合地基，虽然可以满足强度和变形的要求，但因为透水性 差，地基固结速度慢，而且不能有效消除液化层的可液化性。地基过大的工后沉降和震 动液化易导致路基开裂、垮塌和沉陷等工程病害的发生，使得道路的长期性能得不到有 效保障。 针对上述问题，本项目工法研究以济东高速公路第十四标段、德商高速公路第五标 段等建设项目为依托，将透水混凝土设计理论应用到复合地基桩体设计中，提出了散体 桩-透水性混凝土桩二元复合地基处理方法，摒弃了散体桩的缺点，保留了散体桩的优 点；散体桩-透水性混凝土桩复合地基是一种集高承载性能和高排水性能于一体的二元 地基处理形式，不仅能减小地基工后沉降，而且能有效提高地基的抗液化能力；该研究 成果将对公路地基及建筑地基处理领域具有重要的工程意义和理论价值。 2 工法特点工法特点 （1）散体桩-透水混凝组合桩体材料加固地基，强度高，透水性强。与散体桩相比， 复合地基地基承载力提高；与水泥土桩和 CFG 桩等刚性桩比较，地基固结速率加快。 （2）散体桩-透水混凝土桩二元复合地基能有效抑制地震时地基内超净孔隙水压 第 1 页 共 18 页 2 力的产生，防止地基液化，减小地基表面加速度峰值，发挥减压减震效应，提高地基的 综合抗震能力。 （3）散体桩-透水混凝土桩二元复合地基有效减小地基工后沉降。 （4）适用性强，便于施工，提高复合地基承载力的同时延续了散体桩造价低的特 点，节省材料。 3 适用范围适用范围 （1）本工法适用于软粘土、有机土及泥炭土等固结速率较慢的地基处理；降低工 后沉降，缩短工期。 （2）本工法适用于砂土和粉土等液化性较强的地基处理；提升地基的抗震能力。 （3）本工法适用于高烈度地区对工期要求紧的道路地基工程。 4 工艺原理工艺原理 4.1 散体桩-透水混凝土桩二元复合地基设计 散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基，包括散体桩和透水性混凝土桩，所述 散体桩-透水性混凝土桩二元复合地基组合方式多样，主要介绍以下3种。二元复合地基 施工完毕后在散体桩和透水性混凝土桩上部的地基表面铺设碎石垫层 （碎石垫层厚度为 30-50cm）。 （1）散体桩-透水混凝土桩并联桩组合设计 所述散体桩-透水性混凝土桩并联桩隔排布置，其中，隔排布置的排布方式可以为 所述散体桩和透水性混凝土桩每一排前后对正，整体成正方形布置；也可以为每个透水 性混凝土桩位于相邻排中两个相邻散体桩连线的中心线上， 每个透水性混凝土桩与所述 相邻的两个散体桩形成三角形布置，具体设计见图4.1-1。散体桩-透水性混凝土桩二元 复合地基透水性能力较强，散体桩可以加快地基的固结速度，减小砂土或粉土地基的液 化，透水混凝土桩土刚度和强度高，提高承载力且抗震能力较好，散体桩-透水性混凝 土桩复合地基是一种集高承载性能和高排水性能于一体的二元地基处理形式。 散体桩-透水性混凝土桩并联桩复合地基桩径为300-800mm； 对粉土和砂土地基， 相 邻两个桩的桩距不大于透水性混凝土桩桩径的4-5倍（建议范围）；对粘性土地基不大 于桩径的2.5-3.5倍（建议范围）。散体桩桩长一般为6-13m，透水性混凝土桩长一般取 第 2 页 共 18 页 3 8-30m，地基中若存在浅深两个符合工程要求的持力层，则散体桩可打到浅持力层上， 透水性混凝土桩可打到深持力层上，而且桩须打到持力层以下1.0-1.5m。 （a）正方形布桩（b）三角形布桩 散体桩透水性混凝土桩 图 4.1-1 并联桩体布置形式俯视图 （2）散体桩-透水混凝土桩长短桩组合设计 散体桩-透水性混凝土桩并联组合式也可以采用长短桩复合地基，具体如图 5.6 所 示。 在上覆荷载作用下， 透水性混凝土桩的主要作用是将荷载通过桩身向地基深处传递， 减小压缩土层的变形；在图 4.1-2 中 I 区深度范围内，透水性混凝土桩对散体桩起到“护 桩”作用，提高散体桩本身的承载能力，同时透水性混凝土桩和散体桩的协同作用将对 桩间土产生明显的“挟持”及“遮挡”效应，抑制地基周围的隆起，提高地基承载力。 并联长短桩桩长设计根据实际地质情况设计， 桩体比例一般按照透水混凝土桩和碎 石桩长度比为 21；散体桩-透水性混凝土桩串联桩复合地基桩径为 300-800mm；对粉 土和砂土地基，相邻两个桩的桩距不大于桩径的 4-5 倍（建议范围）；对粘性土地基不 大于桩径的 2.5-3 倍（建议范围）。 图 4.1-2 散体桩-透水性混凝土桩组合式长短桩复合地基示意图 第 3 页 共 18 页 4 （3）散体桩-透水混凝土桩串联桩组合设计 散体桩-透水性混凝土桩组合式也可以采用串联桩复合地基，具体如图4.1-3所示。 透水混凝土桩（上部）和碎石桩（下部）组成的串联桩二元复合地基避免了碎石桩浅层 易侧鼓破坏的弱点，发挥了其在工作II区深层大围压下强度高的优点，提高了地基的加 固效果，同时降低了工程成本。 桩长设计根据实际地质情况设计， 一般设计为透水混凝土桩和碎石桩长度比为2 1； 散体桩-透水性混凝土桩串联桩复合地基桩径为300-800mm； 对粉土和砂土地基， 相邻两 个桩的桩距不大于桩径的4-5倍（建议范围）；对粘性土地基不大于桩径的2.5-3倍。 图 4.1-3 散体桩-透水性混凝土桩组合式串联桩复合地基示意图 4.2 渗透-强度原理 透水性混凝土是由特定级配的集料、水泥、增强材料、外加剂和水等按特定比例经 特殊成型工艺制成的，集料骨架间含有大量贯通性孔隙（通常在5～30之间并多为直 径超过1mm的大孔）的蜂窝状结构的混凝土，在保证一定透水性情况下其抗压强度一般 在3.5MPa～28MPa，挠曲强度一般在1MPa～3.8MPa。透水混凝土的渗透系数一般介于 2.0mm/s～5.4mm/s，有的甚至达到1.2cm/s。透水混凝土的配比特点是采用单粒级粗骨料 作为骨架，水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面，作为骨料 颗粒之间的胶结层，形成骨架空隙结构的多孔混凝土材料。试验研究表明，透水性混 凝土的强度和透水性是一对矛盾体，此消彼长，如图4.2-1所示。在工程设计中应根据具 体要求，确定最佳的强度和渗透性组合。 第 4 页 共 18 页 5 图 4.2-1 透水性混凝土抗压强度与渗透系数关系曲线 4.3 静力学原理 在