沉管挤密抗拔防浮碎石桩在水池工程中的应用

　　在近年来建设的一些工程中，特别是在沿海城市等地下水位比较高地区，一些大型的地下建筑物或构筑物如地下水池、地铁车站、船坞等，由于容积大，仅依靠自重难以解决其抗浮问题。在实际工程中，大多数采用抗拔桩、锚杆或锚索锚固在稳定的地层上以提供抗拔力解决抗浮问题。在沿海地区和江河冲积平原地区，由于粉性和砂性土层的存在，还要考虑地基承载力、变形、液化等对构筑物的影响。在某污水处理厂生反池基础设计中，采用沉管挤密抗拔防浮碎石桩进行地基处理，既解决了承载力和沉降的问题，也满足了抗拔设计要求。

　　1.场地工程地质条件

　　在某污水处理厂一期工程中，根据提供的工程地质勘察报告，生物反应池等单体处于淤泥质粉质粘土上，之下分布土层为粉砂夹粘和淤泥质粉质粘土。

　　2.地基处理方案：

　　a)在本工程中拟建场地的地质土层有较厚的淤泥质土和淤泥质粘土存在，强夯处理的效果不明显，因此强夯法不适宜本工程。

　　b)预制钢筋混凝土桩、沉管灌注桩均能解决结构沉降过大、抗浮和地基液化等问题，均为可选用桩型。但根据本工程的地质情况，软弱的淤泥质土和淤泥质粘土层较厚，且浅层土层存在具有中等液化性的③层粉砂层，因此桩基持力层只能为⑤-1层粘土层及其以下土层，而⑤-1层的埋深较深，桩长约为40m左右，桩长很长，而沉管灌注桩由于桩架高度的影响，其桩长一般不宜超过30m，因此本工程可选择采用预制钢筋混凝土桩基础。

　　c)对于无抗浮要求的建(构)筑物，采用沉管挤密碎石桩复合地基是良好的地基处理方案，并能解决液化土层的影响。

　　对于有抗浮要求的建(构)筑物，无法直接采用沉管挤密碎石桩来解决建(构)筑物的抗浮问题，因此可采用沉管挤密抗拔防浮碎石桩来解决地基液化、沉降和抗浮问题。

　　综上所述，完全采用PHC预应力钢筋混凝土管桩和沉管灌注桩作为基础处理方案，但由于桩长较长，工程费用高;完全采用碎石桩基础，则无法解决抗浮问题，因此本工程选择沉管挤密碎石桩结合沉管挤密抗拔防浮碎石桩的复合地基作为基础处理方案;此外由于本工程场地表层土体为碎石土，土质较好，只是比较疏松，因此对道路和管道基础以及部分体量较小的乙类建(构)筑物采用重锤夯实天然地基。

　　2.1沉管挤密抗拔防浮碎石桩的构造

　　沉管挤密抗拔防浮碎石桩由抗拔锚固头、抗拔钢筋束(或钢筋笼)以及挤密碎石桩三部分组成。碎石桩桩体不仅具有挤密、置换、排水和消除粉砂层液化的作用，并与桩间土体一起组成复合地基，提高地基的承载力，锚固头和钢筋束(或钢筋笼)起到类似于锚杆的作用，提供建(构)筑物所需的抗浮力，保证水池在浮力的作用下仍然可以正常运行。(同时也可在碎石桩桩体内适当掺入水泥或粉煤灰以增加碎石桩的整体性，增加抗拔力。)

　　2.2成桩工艺

　　本工程中采用直径为500mm，用震动夯扩灌注桩的桩基设备成孔。①在桩位上安放预制混凝土桩尖;②将内外管对准桩尖，然后锤击沉管至设计要求;③拔出内管，灌混凝土至扩大头设计数量;④把内管放进外管内进行夯扩;⑤夯扩时慢慢振动拔起外管，如一次夯扩，拔起1.0～1.2m,捶击内管与外管平齐时，在同步回打到离原深度20cm，一次夯扩结束。二次夯扩程序于与一次相同。⑥拔出内管安放经防腐处理好的钢筋束;⑦计算好充盈系数，灌注碎石料后，把内管放进外管内后开始振动拔管;⑧边振边拔，慢慢拔外，碎石料徐徐向下;⑨桩管慢慢拔出地面;⑩成桩结束。

　　3沉管挤密抗拔防浮碎石桩受力机理和加固作用原理

　　根据现场试验和相关文献研究分析可知，抗拔碎石桩的抗拔力经过抗拔钢筋的传递，先传递到扩大头，再传到周围土体;上拔时，挤密抗浮碎石桩的侧摩阻力与桩端扩大头顶上的基土受挤变位时所引起的土抗力之发挥远非同步的。通常，扩大头上的土抗力先达到极限值，而此时桩体的侧摩阻力只达到其极限值的一小部分。因而，抗拔碎石桩总的极限上拔力所对应的上拔位移较小，且其量值视土层、土层埋藏条件以及桩形(尤其是桩扩大头顶部的形状和扩大头直径)等而异。

　　沉管挤密抗拔防浮碎石桩体不仅具有挤密、置换、排水和消除淤泥质细砂层液化的作用，并和桩间土体一起组成复合地基，以提高地基的承载力;锚固头和钢筋束提供竖向抗拔承载力。其加固作用原理表现为：

　　(1)挤密作用。下沉桩管时桩管对周围砂层产生很大的横向压力，将土体中等于桩管体积的土挤向周围土体使之密实，灌注碎石后振动、反插也使周围土体受到挤密，从而提高了地基的抗剪强度和抗液化性能。

　　(2)置换作用。软弱地基经碎石桩加固后，变成由碎石桩和桩间土组成的物理力学性质各异的“复合地基”，当荷载作用于复合地基(假设基础是刚性的)上时，在基础底面的平面内，碎石桩和桩间土的沉降量是相等的。由于桩的压缩模量大于桩间土的压缩模量，则荷载将向碎石桩上集中，而作用于桩间土上的荷载相应降低，从而使复合地基承载力较原天然地基承载力高，压缩性比原天然地基低。

　　(3)排水减压作用。饱和砂土在不排水的条件下，当地震荷载作用时，土会产生体积收缩，从而导致孔隙水压力上升，使砂土处于离散状态，产生液化。碎石桩具有良好的透水性，它可以形成一个排水通道，地震时产生的孔隙水压力可通过桩体这一通道及时消散，达到消除液化的目的。

　　(4)形成桩土复合地基。密实的碎石桩取代了同体积的松散粉砂、细砂或粉土，起到了局部置换作用，形成桩土复合地基，改善了原有地基土的性能。

　　4布桩参数及要求

　　综合本工程的地质情况，并结合技术经济分析，在对生反池布桩及检测采用技术要求如下：

　　(1)布桩范围：在改池底板边线外布置两排沉管挤密碎石桩，目的是保证底板所在地基土与周边软弱土层的均匀性。

　　(2)桩径为500mm，桩长为10.2m或10.5米，确保桩下端位于粉砂夹粘层中。

　　(3)布桩范围为底板设计范围内满堂均匀布桩，布桩间距为2025mm×2000mm。

　　(4)复合地基承载力采用复合地基载荷试验(载荷板试验);单桩静载抗拔检测：按1%进行检测，拔力按抗拔承载力特征值的1.6倍。根据设计要求，结合规范要求检测复合地基承载力特征值。

　　5试验结果

　　本设计单桩抗拔力为Qsj=120kN。抗拔锚固头落在③层粉砂夹粘层。一共打了十四根桩试验桩。

　　检验标准按《建筑桩基技术规范》JGJ94-94规定进行。具体做法：采用3m×3m钢梁平台反力装置，加载系统由精密油压表和千斤顶组成，采用慢速维持荷载法，每级加载为预定最大试验荷载的1/10;第一级按2倍分级荷载加载，在每级荷载作用下，桩的变形量在每小时小于0.01毫米时可加下一级荷载，直至桩破坏。变形观测是在桩顶装设一个百分表，按规范规定时间测变形量。试桩破坏标准为：①某级荷载作用下，桩顶变形量为前一级荷载作用下的5倍;②累计上拔量超过100mm。

　　从试验结果可知，沉管挤密抗拔防浮碎石桩可以满足本工程的设计要求，证明采用这种桩来处理地基是可行的。

　　6结论

　　(1)对于软弱地基，采用沉管挤密抗拔防浮碎石桩处理是一种行之有效的方法，它不仅可以较好地解决构筑物抗浮问题;可较大程度地提高地基土的承载力、减小地基的压缩性;对于液化地基，还能满足抗液化的要求。

　　(2)沉管挤密抗拔防浮碎石桩具有场地干净、省料、造价低(根据同规模污水处理厂构筑物不同类型桩基方案比较，采用本桩型的地基处理方案较之预应力管桩方案可节约造价约30%至50%)、施工速度快等优点，因而比较适合滨海地区等软弱地基的一般建筑物地基加固。

　　(3)本工程采用沉管挤密抗拔防浮碎石桩处理地基的效果显著，满足了工程要求，可在类似情况下推广使用。

　　(4)由于地质条件和碎石桩复合地基问题本身的负责性，沉管挤密抗拔防浮碎石桩与其周围土体之间相互作用、桩土之间的变形协调等方面还有待进一步的探索。

　　参考文献：

　　[1]JGJ179-2002建筑地基处理技术规范[S].北京：中国计划出版社，2002

　　[2]JGJ94-1994建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1995