施工工藝對勁性復合樁的影響

張凡希， 祁 慧， 陳洪程， 王振華

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司， 江蘇 揚州 225127)

勁性復合樁作為一種新型樁型，近年來已經有不少學者對其承載力、復合地基彈性模量、抗彎剛度等參數進行研究。陳邱云[1]通過對某臨江水泵閘下樁基靜載試驗與計算，得出勁性復合樁相比剛性樁與半剛性樁對地基承載力有明顯提升的結論；張繼文[2]對水泥加固后的復合地基的工程特性進行系統研究?，F場開展粉噴水泥土樁單樁及復合地基承載力試驗，對粉噴水泥土樁復合地基承載特性、樁土應力比及單樁承載特性進行分析和研究；張儀萍等[3]采用復合地基單元模型，推導復合地基在彈性變形階段彈性模量和泊松比的計算公式，結果表明等效泊松比隨復合地基置換率變化相對明顯，復合單元體等效變形模量變化不大；錢于軍等[4]以某工程項目為背景，進行大量試樁試驗，將預制管樁與水泥土-預制管樁復合樁進行承載力對比，并量測復合樁中樁身軸力，試驗結果表明水泥土-預制管樁復合樁承載力相對于一般管樁有較大提高，復合樁對施工技術的要求相比于預制樁大大降低，同時工程造價大大降低，增加經濟效益。以往研究都以內芯勁性樁為主，對外芯水泥土攪拌樁尤其是其施工工藝研究較少。

1 勁性復合樁成樁作用原理

勁性復合樁由混凝土樁和水泥土攪拌樁共同組成，其中水泥土攪拌樁主要依靠攪拌水泥與周邊土體并添加輔劑制成，混凝土樁主要起擠壓作用。

水泥與土一系列反應主要分為3個部分，水泥與水反應、土體中氧化物與水泥水解物反應、碳酸化作用[5]。

1.1 水泥與水反應

普通硅酸鹽水泥主要成分為CaO(氧化鈣)、SiO2(二氧化硅)、Al2O3(氧化鋁)、Fe2O3(氧化鐵)及SO3(三氧化硫)等化合物，這些氧化物分別與水發生反應生成一系列產物。當利用水泥加固土體時，水泥中主要物質如CaO、SiO2等會與土體中的水繼續發生反應，生成各種水解物。生成的水解物中一部分溶解于水，使得水泥中剩余成分能夠繼續與水發生反應，如此往復使得水泥溶液達到飽和。此時新生成的化合物則以膠體析出。下列化學反應式(1)～(4)為水泥與水反應方程式，除反應式(2)反應較慢外，其余反應均較快。

6CaO·2SiO2+7H2O→3CaO·SiO2·4H2O+3Ca(OH)2

(1)

4CaO·2SiO2+5H2O→3CaO·SiO2·4H2O+Ca(OH)2

(2)

3CaO·Al2O3+3CaO·3SO3·6H2O→6CaO·Al2O3·3SO3·32H2O

(3)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

(4)

1.2 土體與水泥水解物反應

土體中SiO2與水反應生成的膠體微粒，通過與Ca2+進行吸附交換，形成大的土粒，提高土體強度。水泥水化生成的化合物通過自身極強的分子間引力，結合土體并填充孔隙，加強水泥土強度。在水泥處于堿性環境中時，水泥中的SiO2、Al2O3經過一系列反應，形成結晶化合物，也提高水泥與土構成的復合地基強度。

1.3 碳酸化作用

化學反應式(1)與式(2)中生成的Ca(OH)2(氫氧化鈣)與參與反應的土體和水泥漿液中的CO2(二氧化碳)反應生成CaCO3(碳酸鈣)薄殼，起到與混凝土中粗骨料相似的作用。

水泥通過攪拌機械的攪拌與土體進行充分接觸，使上述1個化學反應式(1)～(4)能夠盡可能地充分進行，同時攪拌機械通過攪拌水泥與土體使兩種之間的反應充分進行，增加土體強度，從而使得攪拌樁能夠成型并具有足夠的強度。

混凝土樁在凝結、硬化的過程中，樁身尺寸會進一步增加。勁性復合樁中混凝土樁作為內芯剛性樁，體積的增加迫使外芯水泥土柔性樁的樁徑也進一步增大。水泥土攪拌樁樁徑的增大使得水泥被更加充分的擠入樁周圍土體中，水泥與土的一系列反應進行的更加充分，同時更多的土體孔隙中被擠入水泥，進一步增強樁周側摩阻力，最終提升勁性復合樁的豎向承載力。

2 勁性復合樁試驗研究

2.1 樁基試驗的準備工作

樁基試驗選擇位于蘇南某水利樞紐中的立交地涵北部西側翼墻部分，總共布置25個勘探點，其中11個取土試樣孔，孔深25～40 m，3個標準貫入孔，孔深35～40 m，11個雙橋靜力觸探孔，孔深30～35 m。根據勘探結果總共可分為19層，每層土具體性質如表1所示。

表1 土層綜合成果

樁周土層主要為33、42、52、53等土層。樁基試驗分為兩組，一組外芯為濕法工藝施工的水泥土攪拌樁，一組外芯為干法工藝施工的水泥土攪拌樁，每組各3根。勁性復合樁剖面圖及斷面示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 樁基剖面示意圖

圖2 A-A截面示意圖

2.2 完整性檢測及結果分析

樁基完整性檢測結果見表2。從表中結果可知，樁身段波速基本穩定在3 400 ～3 500 m/s左右，相差不大。說明這6根樁都是樁身結構滿足設計及施工要求的樁，為Ⅰ類樁。其中2-100、2-104、2-108這一組為濕噴工法制成樁，2-125、2-126、2-127這一組為干噴工法制成的樁，且前一組波速總體分布明顯比后一組更快。根據《建筑基樁檢測技術規范》[6]中相關規定，在其他條件相同情況下，檢測波速越大，速度波第一峰與樁底反射波峰間的時間差越小。同時結合水泥土攪拌樁成樁原理，表明在樁周土體含水率較低的情況下濕噴工法制成的樁完整性要優于干噴工法制成的樁。

表2 勁性復合樁樁身結構完整性檢測結果

2.3 靜載試驗及結果分析

承載力檢測目的是為研究提供依據，根據相關規范要求進行檢測。在樁頂施加荷載后，分別在5 min時、15 min時、30 min時、45 min時、60 min時記錄樁頂沉降值，此后每隔0.5 h進行一次沉降值的記錄。每一級荷載加載時在每1 h內的樁頂沉降值不得超過0.1 mm，同時連續兩次沉降值差值不超過0.1 mm后方可進行下一級加載，在分級荷載施加后第30 min內開始，并在之后90 min內每30 min記錄一次樁頂沉降并確認是否滿足要求，確認沉降滿足要求后開始下一級加載。卸載時，每級荷載維持60 min，和加載時一樣，在相對應的時間節點記錄樁頂沉降值。待樁頂荷載減小至0后，記錄此時樁頂沉降值，整個卸載時間不小于3 h。

加載荷載時分級進行，一般分為10級，每級加載相同。豎向荷載最大加載值為826 kN，總共分為9級，第一級為165 kN。減小樁頂荷載時應分級進行，每級減少荷載量為每級增加荷載量的兩倍，即165 kN一級。加載和卸載時盡可能均勻、連續、無沖擊地使上部靜載傳遞到樁頂，同時每級加載或卸載的誤差不得超過±10%。

荷載值通過壓力傳感器測量傳輸給樁頂部儀器自動記錄；工程樁(試樁)沉降則通過對稱正向布置于樁頂的儀器測量，傳輸給儀器自動記錄，所有測量樁頂沉降的儀器均固定于樁頂部基準梁上。

加載試驗一般是在試驗滿足以下條件之一時終止：

(1)所加最大荷載已達到設計荷載同時該級荷載作用下樁頂沉降穩定；

(2)荷載—沉降曲線為緩變型時，樁頂荷載可增加至累計沉降值超過60 mm，若端阻力還未達到極限時樁頂荷載可增加至累計沉降值超過80 mm。

試驗主要目的為測試試樁完整性并檢測是否能夠滿足研究所需極限荷載，根據上述要求故僅加載至研究最大荷載，即826 kN。

2.4 試驗結果分析

試樁共有6根，根據外芯攪拌樁施工方法不同各分3根，其中2-125、2-126、2-127外芯為干噴樁，其余外芯為濕噴樁。根據試樁靜載試驗可繪制Q～S對比圖(圖3)。每根樁都施加到設計最大荷載，且荷載—沉降曲線趨勢一致。濕噴工法制成樁最終沉降為4～6 mm，干噴工法制成樁最終沉降為6～11 mm，結果總體顯示濕噴工法成樁最終沉降值小于干噴工法成樁最終沉降值。根據成樁原理、地質資料與上述靜載試驗結果說明，勁性復合樁周圍大部分土體含水率小于35%時選用干噴會導致承載力的降低。原因為水泥水化反應速率因周圍土體含水率較低減慢，從而降低水泥土攪拌樁的強度，導致樁基承載力的降低。

圖3 試驗樁基Q～S曲線對比圖

3 結 語

針對勁性復合樁具體施工工藝的選擇，采用現場完整性試驗及靜載試驗相結合的方法，分析實際工程中勁性復合樁施工工藝的選擇對勁性復合樁的影響，得出結論如下：

(1)對某水利樞紐地涵涵首翼墻段試樁進行完整性檢測，結果顯示勁性復合樁具有良好的完整性。

(2)對某水利樞紐地涵涵首翼墻段試樁進行靜載試驗檢測，結果顯示樁周土體天然含水率較低的情況下濕噴工法制成的勁性復合樁在完整性與承載力方面要優于干噴工法制成的勁性復合樁，勁性復合樁可適用于天然含水率較低的地基中。