水泥土复合管桩在天津密实砂土地基中的应用研究

Study on Application of Cement-Soil Composite Pipe Pile in Dense Sandy Soil Foundation in Tianjin

摘要

天津某工程场地分布有较厚的中-密实砂层，桩端持力层端阻不高。水泥土复合管桩作为一种新桩型，结合了预制桩桩身强度高、施工方便及水泥土搅拌桩桩侧阻力大的特点，可较好地适用于此类场地。在施工前分别对钻孔灌注桩、桩端后注浆灌注桩、水泥土复合管桩进行竖向极限静载试验，并结合试验结果从承载力、经济性、工期等方面对三种桩型进行对比分析。结果表明，水泥土复合管桩综合得分最高，在此类场地中具有较大的优势。另外，结合施工情况，提出了此类场地中水泥土复合管桩的设计和施工要点。

Abstract

At a project site in Tianjin， the ground contains a relatively thick layer of medium-dense sand， and the pile-end bearing stratum exhibits relatively low end-bearing capacity. As an emerging pile type， the cement-soil composite pipe pile integrates the high strength and construction efficiency of PHC piles with the superior side friction performance of cement–soil mixing piles， making it well suited to such ground conditions. Based on static load limit tests， a comparative analysis was conducted among bored piles， post-grouting piles， and cement-soil composite pipe piles in terms of bearing capacity， construction duration， economic performance， and other relevant factors. The results indicate that the cement-soil composite pipe pile demonstrates the most favorable overall performance and offers significant advantages for the described soil conditions. Furthermore， in light of its application in dense sandy soil foundations， key considerations for the design and construction of this pile type under such geological conditions are presented.

Graphical abstract

关键词

水泥土复合管桩 / 中-密实砂层 / 极限静载试验 / 桩型对比

Key words

cement-soil composite pipe pile / medium-dense sand layer / static load limit test / comparative analysis of pile types

0 引 言

水泥土复合管桩是由高喷搅拌法形成的水泥土桩与同心植入的预应力高强混凝土管桩复合而形成的基桩^［1］。水泥土桩具有施工扰动小、施工速度快、低成本的特点，而作为内芯刚性桩的预应力高强混凝土管桩兼具强度和刚度较高、施工方便的特点，将足够截面和长度的刚性桩插入水泥土搅拌桩中，水泥土组合桩桩体刚度增加，弥补了水泥土搅拌桩桩身刚度低的不足，同时由于利用了水泥土较大的外包面积及桩土界面结合好的特性，桩顶荷载可以有效地传递给桩周土和桩端土，使得水泥土组合桩兼具混凝土刚性桩和水泥土搅拌桩的优点^［2］。近年来，国内外多位学者对水泥土复合管桩在不同地质条件下的受力特性、破坏模式、荷载传递规律，以及承载力影响要素做了相关试验和理论研究^［3-8］。但目前水泥土复合管桩的研究成果多针对软土地区，针对密实砂土地基的报道还较少。本文在前人研究的基础上，结合天津某项目，探讨了水泥土复合管桩在密实砂土地基中的应用，以供同类工程参考。

1 工程概况和地质情况

某国际食品智能制造产业园项目位于天津市蓟州区上仓镇，主要包括四栋三层供应链厂房，厂房为钢框架结构，楼面采用现浇钢筋桁架楼承板，屋面为钢结构屋面，厂房柱网尺寸为12 m×12 m，檐口高度为31.60 m，地面活荷载为30 kN/m²，楼面活荷载为26 kN/m²，屋面活荷载为0.5 kN/m²，中柱竖向反力控制组合值为8 685 kN，边柱竖向反力控制组合值为4 437 kN，厂房结构计算模型如图1所示。

本工程抗震设防烈度为8度（0.2g），场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为丙类。钢框架抗震等级为三级。项目场地属山前洪积冲积倾斜平原地貌，场地较平坦，地面平均标高为大沽高程8.33 m。场地埋深70.0 m深度范围内，从上至下依次分布有①₂素填土、②₁粉质黏土、②₂粉土、②₃细砂、③₁细砂、③_1-1粉质黏土、④₁粉质黏土、④₂细砂、④_2-1粉质黏土、⑤₁粉质黏土、⑤₂中砂、⑤_2-1粉质黏土、⑥₁粉质黏土。其中②₃层为稍-中密砂层、③₁层为中-密实砂层，④₂层为密实砂层，地基土物理力学参数见表1。典型地质剖面如图2所示。

由于厂房柱底竖向反力大，浅部土层②₁层和②₃层力学性质一般，承载力特征值分别为100 kPa和180 kPa，天然地基难以满足要求，故须采用桩基础。根据地勘报告，场地埋深70 m范围内，③₁细砂、④₂细砂、⑤₁粉质黏土、⑤₂中砂土质可作为桩端联合持力层，灌注桩、后注浆灌注桩及水泥土复合管桩为可选桩基方案。地勘报告中各层土的桩基设计参数见表2。

2 桩基选型和对比

2.1　钻孔灌注桩

钻孔灌注桩采用正循环回转成孔及泥浆护壁工艺，为防止塌孔，灌注桩施工时上部放置1.5 m深钢护筒。灌注桩以第④₂细砂层为桩端持力层，直径800 mm，桩长约28 m，按表2和表3进行估算，单桩竖向承载力特征值为2 300 kN，单桩水平承载力特征值为250.6 kN。

2.2　桩端后注浆灌注桩

桩端后注浆灌注桩因能显著提高单桩竖向极限承载力，控制灌注桩施工质量，减小灌注桩基础沉降，近年来被广泛应用于各地区^［9］。本工程将桩端后注浆灌注桩纳入桩型对比，钻孔灌注桩直径为700 mm，桩长约28 m，桩端后注浆灌注桩选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水灰比选用0.4~0.45。计算得到的单桩竖向承载力特征值约为2 100 kN，单桩水平承载力特征值为189.8 kN。

2.3　水泥土复合管桩

勘察报告提供的复合桩参数见表2。本工程水泥土复合管桩按等芯桩设计，构造示意如图3所示，选用M900+C600水泥土复合管桩，其中M900表示外芯搅拌桩直径为900 mm，C600表示内芯管桩型号为PHC600AB110，桩长28 m，桩顶填芯长度取4.8 m（8倍芯桩直径）。水泥土搅拌桩采用四搅两喷工艺，水泥掺入量为20%，即每米水泥土桩水泥用量不低于250 kg，搅拌头下沉/提升速度为1.5 m/min，现场取芯水泥土抗压强度见表4，推定与桩身水泥土配比相同的室内边长70.7 mm立方体水泥土试件在标准养护条件下28 d龄期的抗压强度平均值不低于3 MPa。水泥土复合管桩单桩竖向承载力特征值取以下三种情况的最小值：①内外芯界面破坏时单桩抗压承载力特征值；②外芯与桩周土界面破坏时单桩抗压承载力特征值；③桩身强度控制的抗压承载力特征值。按表3中的公式进行估算，水泥土复合管桩竖向承载力特征值为2 800 kN，单桩水平承载力特征值为190.2 kN。

2.4　极限静载试验

为验证三种桩型在场地的实际承载能力，并确定桩端后注浆灌注桩和水泥土复合管桩的各项工艺参数，在桩基施工前分别就钻孔灌注桩、后注浆灌注桩、水泥土复合管桩做了9根试桩的单桩竖向极限静载荷试验，其中每组3根试桩均位于10 m×10 m的同一区域。3组静载试桩的Q-S曲线如图4所示，各曲线均为缓变型，最终沉降量为46.06~68.10 mm，取S=40 mm对应荷载的上一级荷载作为静载试桩的竖向极限承载力，各根试桩极限承载力实测值和计算值对比见表5，计算和实测结果较接近。由试桩结果可知，D800灌注桩和D700后注浆灌注桩Q-S曲线和s-lgt曲线很接近，M900+C600复合桩曲线则更为平缓，其竖向极限承载能力较灌注桩和后注浆灌注桩提高35%~60%，在该场地显示出明显的优势。

2.5　三种桩型对比分析

从经济性、工期、施工难易度等方面进行三种桩型的对比分析，并与甲方协商，定义了各考察因素的权重，分析结果见表6。由表6可知，水泥土复合管桩综合得分最高，本工程桩基工程最终选用水泥土复合管桩。

3 水泥土复合管桩设计要点

对于密实砂土地基，复合桩桩端阻力不高，而外芯桩直径大，复合桩施工过程中存在挤扩效应，桩侧阻力较灌注桩有1.5~1.8倍的放大，实际放大效果可能更好，复合桩显著表现出摩擦桩特征。同时需注意的是，搅拌桩施工易造成砂层塌孔，桩端搅拌不足也易造成端部砂土未充分软化，内芯沉桩困难情况也时有发生。因此，在密实砂土地基进行复合桩设计时，宜按以下要点实施：

（1） 按规范^［11］表4.2.1，内芯桩与外芯桩直径差值为150~450 mm，在砂土地基中，水泥土强度普遍较高，内外芯界面的侧阻q_{\mathrm{s}\mathrm{k}}按表3中公式计算为0.33×0.16×3 000=158.4 kPa，而按文献［12］的试验结果，水泥土内界面粘结系数为平均值0.194倍的水泥土无侧限抗压强度，即0.194×3 000=582 kPa，即便考虑水泥土强度因施工导致的离散性，该参数也远大于外芯与桩周土的侧阻q_{\mathrm{s}i\mathrm{k}}，基于上述分析，内芯桩与外芯桩直径差可按规范取较大值。

（2） 复合桩宜设计为等芯桩，外芯搅拌桩以进入作为持力层的密实砂层1~2 m为宜，考虑到搅拌桩在桩端可能存在搅拌不均匀、砂土未充分软化的情况，设计内芯桩可比外芯桩短0.5 m左右。

（3） 密实砂土地基情况下，外芯和桩周土界面和内外芯界面的侧阻均较大，复合桩显著地表现出摩擦桩特征，单桩竖向承载力特征值由管桩自身强度控制，因此，复合桩桩端承载力可不计入复合桩竖向承载力特征值计算。

4 水泥土复合管桩施工控制要点

前期水泥搅拌桩施工采用了四搅两喷工艺，喷浆采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺入量不低于20%，喷浆压力不小于0.8 MPa。在搅拌桩水泥土完成初凝前，静压桩机就位进行内芯管桩压桩施工。但按以上工艺施工时，当内芯桩压桩至搅拌桩桩端时常因压桩困难出现欠送情况，前期欠送率甚至达到12.4%。

施工时采取下述措施后，内芯桩压桩欠送数量大幅下降：

（1） 搅拌泥浆过程中，加水泥量5%的膨润土，在搅拌头至终端约2 m时，增加水泥量每米50千克，且多搅拌5 min，同时加压喷浆，以增加底部砂浆的流动性。

（2） 搅拌杆提升时将搅拌头反转，慢速向上提杆，且不喷浆。

需要说明的是，每块场地因土质差异，导致桩身材料多样，复合桩质量可能有较大差异。水泥土复合管桩在正式施工前，均应制作数根工艺性试桩，根据试桩情况最终确定设计施工参数。

5 结 语

本文结合实际工程，对比分析了钻孔灌注桩、桩端后注浆灌注桩、水泥土复合管桩在天津密实砂土地基应用的优缺点，得出以下结论：

（1） 水泥土复合管桩适用于天津地区密实砂土地基的重载厂房。

（2） 水泥土复合管桩结合了水泥土搅拌桩和预制管桩的特点，可大幅提高单桩竖向承载力。结合三种桩型的极限静载试验结果，通过多方面的对比分析，水泥土复合管桩综合得分最高，在此种地基情况下有较大的优势和先进性。

参考文献

[1] 水泥土复合管桩基础技术规程：JGJ/T 330—2014［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2] Technical specification for pipe foundation of pipe pile embedded in cement soil：JGJ/T 330—2014［S］.Beijing：China Architecture Building Press，2014.（in Chinese）

[3] 吴迈，窦远明，王恩远，水泥土组合桩荷载传递试验研究［J］.岩土工程学报，2004，26（3）：432-434.

[4] WU Mai，DOU Yuanming，WANG Enyuan，et al.A study on load transfer mechanism of stiffened DCM pile［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26（3）：432-434.（in Chinese）

[5] 李俊才，张永刚，邓亚光，管桩水泥土复合桩荷载传递规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（S1）：3068-3076.

[6] LI Juncai，ZHANG Yonggang，DENG Yaguang，et al.Load Transfer mechanism of composite pile composed of jet-mixing cement and PHC pile with core concrete［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（S1）：3068-3076.（in Chinese）

[7] 李俊才，邓亚光，宋桂华，素混凝土劲性水泥土复合桩承载机理分析［J］.岩土力学，2009，30（1）：181-185.

[8] LI Juncai，DENG Yaguang，SONG Guihua，et al.Analysis of load-bearing mechanism of composite foundation of plain concrete reinforced cement-soil mixing piles［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30 （1）：181-185.（in Chinese）

[9] 丁永君，李进军，刘峨，劲性搅拌桩的荷载传递规律［J］.天津大学学报，2010，43（6）：530-536.

[10] DING Yongjun，LI Jinjun，LIU E，et al.Load transfer mechanism of reinforced mixing pile［J］.Journal of Tianjin University，2010，43（6）：530-536.（in Chinese）

[11] 王俊，干钢，沈金，劲性复合桩在海南省三亚地区砂土地基的应用研究［J］.建筑结构，2023，53（20）：130-134，27.

[12] WANG Jun， GAN Gang， SHEN Jin，et al.Study on application of strength composite piles in sandy soil foundation in sanya area of hainan province［J］.Building Structure，2023，53 （20）：130-134，27.（in Chinese）

[13] RAONGJANT W，JING M.Field testing of stiffened deep cement mixing piles under lateral cyclic loading ［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2013，12（2）：261-265.

[14] 屈俊童，周春雷，梁伟，云南泥炭质土层劲性复合桩承载力特性研究［J］.结构工程师，2024，40（2）：148-154.

[15] QU Juntong，ZHOU Chunlei， LIANG Wei，et al.Study on bearing capacity of stiff composite pile in peat soil in Yunnan province［J］.Structural Engineers，2024，40（2）：148-154.（in Chinese）

[16] 李自强.桩端后注浆钻孔灌注桩极限承载力不同计算方法的比较［J］.建筑结构，2014，144（14）：100-102，95.

[17] LI Ziqiang.Comparison of different ultimate bearing capacity calculation methods of pile-end post-grouting bored piles［J］.Building Sturcture，2014，144（14）：100-102，95.（in Chinese）

[18] 建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[19] Technical code for building pile foundations：JGJ 94—2008［S］.Beijing：China Architecture Building Press，2008.（in Chinese）

[20] 天津市劲性搅拌桩技术规程：DB/T 29-102—2021［S］.天津：天津市住房和城乡建设委员会，2014.

[21] Tianjin technical specification for reinforced cement soil mixed pile：DB/T 29-102—2021［S］.Tianjin：Tianjin Municipal Commission of Housing and Urban Rural Development，2014.（in Chinese）

[22] 吴迈，赵欣，窦远明，水泥土组合桩室内试验研究［J］.工业建筑，2004，34（11）：45-48.

[23] WU Mai，ZHAO Xin，DOU Yuanming，et al.Experiment study on stiffened dcm pile in laboratory ［J］.Industrial Construction，2004，34（11）：45-48.（in Chinese）