多介质复合桩在桩基础工程中的应用

谢晓东

上海城地香江数据科技股份有限公司, 上海 200062

摘要：软土地区上部土层以软弱粘性土、砂类土为主，使得单一桩型无法充分发挥承载力，造成极大的浪费。多介质复合桩施工技术是由散体桩，柔性桩，刚性桩等通过一定的工艺，将两种或三种单体桩进行复合，形成多介质复合桩的一项技术，适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土以及人工填土等多种地基。本文介绍了多介质复合桩基的实际工程应用情况，其承载力相对于一般管桩、钻孔灌注桩都有较大的提高,大幅减少了工程造价,具有较高的经济效益。该设计可供同类工程参考。

关键词：桩基础工程；多介质复合桩；钻孔灌注桩；承载力

0 引言

随着城市的快速发展，工程建设中对于地下空间的开发逐步增加。通常情况下，软土地区天然地基很难满足工程要求，因此必须采取桩基础、地基加固等措施进行处理。传统的钻孔灌注桩以及较新的预制桩工艺，能有效满足工程建设的要求，但钻孔灌注桩施工过程中的噪音大、泥浆污染大、浪费水、现场施工质量难控制，而预制桩的挤土效应[1]对软土地区有负面效果，会降低承载力、增加沉降，且不宜用于坚硬地层。

多介质复合桩施工技术是由散体桩，柔性桩，刚性桩等通过全套管无挤土工艺或水泥土植入式工艺，将两种或三种单体桩进行复合，形成多介质复合桩的一项技术。相对于钻孔灌注桩以及预制桩工艺，无泥浆污染，更加绿色环保，挤土效应大幅降低[2]。

1 项目概况

1.1 工程建设概况

本工程位于上海市普陀区旬阳路与宁强北路，项目占地面积约3万平方米，场地内构筑物具体工程性质可见表1。本工程地下室结构为地下二层。

表1 拟建构筑物性质表

序号	构筑物类型	层数	结构形式	基础形式	基础埋深 (m)
1	1#住宅楼	18/-1	剪力墙	桩筏	6.0
2	2#住宅楼	20/-1	剪力墙	桩筏	6.0
3	3#住宅楼	17/-1	剪力墙	桩筏	6.0
4	4#住宅楼	18/-1	剪力墙	桩筏	6.0
5	5#住宅楼	18/-1	剪力墙	桩筏	6.0
6	6#住宅楼	15/-1	剪力墙	桩筏	6.0
7	7#住宅楼	15/-1	剪力墙	桩筏	6.0
8	8#住宅楼	14/-1	剪力墙	桩筏	6.0
9	9#配电房	1/-1	框架	桩筏	地库顶板上
10	10#配电房	1/-1	框架	天然地基	2.0
11	11#社区公共服务 设施用房	4/-1	框架	桩筏	6.0
12	12#配套用房	1/-1	框架	桩筏	地库顶板上
13	13#社区公共服务 设施用房	2/-1	框架	桩筏	6.0
14	14#社区配套	2/-1	框架	桩筏	6.0
15	地下车库	-1	框架	桩筏	6.0

本工程拟建建筑物西侧距离现有建筑物最近约 11m，距离地铁 7 号线（地下线路）约 11m；南侧距离现有建筑物约 16m；东侧距离旬阳路约 11m，距离旬阳路东侧的现有建筑物约 25m；北侧距离现有建筑物约 10m。周边环境对本工程施工限制因素较多。

1.2 工程地质条件

工程场地开挖影响范围内的土层具体情况见表2。主要由粘性土、粉性土组成。局部分布有厚填土和地下障碍物。

表2 桩侧极限摩阻力标准值 fs 与桩端极限端阻力标准值 fp表

层号	土名	比贯入阻力	预制桩		灌注桩		抗拔承载力系数
			fs（kPa）	fp（kPa）	fs（kPa）	fp（kPa）
②1	粉质粘土	0.87	15		15		0.70
②3	粘质粉土	1.17	15（≤6m）		15（≤6m）		0.75
			20（>6m）		15（>6m）		0.75
③	淤泥质粉质粘土	0.57	15（≤6m）		15（≤6m）		0.75
			20（>6m）		15（>6m）
④	淤泥质粘土	0.54	20		15		0.75
⑤1-1	粘土	0.76	30		25		0.75
⑤1-2	粉质粘土	1.07	40		35		0.75
⑥	粉质粘土	2.78	65	1700	55	800	0.75
⑦1	砂质粉土	7.98	80	4500	60	1400	0.65
⑦2	粉砂	14.92	110	7000	70	2200	0.60
⑧1-1	粉质粘土	1.62	60	1100	55	700	0.75

根据地勘报告拟建场地及附近未发现污染源。根据现场勘探孔处所取地下水水样（所取水样为潜水样），进行水质简分析，参照上海市工程建设规范《岩土工程勘察规范》（DGJ08-37-2012）第 12.3 节进行评价：本场区按Ⅲ类环境类型考虑，潜水及地基土对混凝土有微腐蚀性；当长期浸水时，对混凝土中的钢筋有微腐蚀性；当干湿交替时，对混凝土中的钢筋具有微腐蚀性；潜水对钢结构有弱腐蚀性。

2 桩基础方案比选

许多沿海及内陆河流地区，广泛分布着软弱地基。随着城市建设的立体化高速化发展，越来越多的建筑物不得不选择在软弱土层上修建，采用多介质复合桩能够很好的处理软弱土层。

本工程范围内为上海经典软土层，上部为厚层淤泥质土、粘土、粉质粘土层，下部⑦1砂质粉土层、⑦2粉砂层可作为持力层。

根据上述土层特点，可采用常规钻孔灌注桩、预制桩、多介质复合桩等桩基础形式。以下针对不同支护形式进行选型对比。

（1）钻孔灌注桩

钻孔灌注桩作为广泛使用的桩基础工艺，适用于各种土层，其承载力较高，由于施工经验丰富，桩径及施工质量可控。但缺点是费工费时，成孔速度慢，污染环境，尤其是在市区内还极有可能面临泥浆无法外运、导致停工的棘手情况。

（2）预制桩

预制空心桩较为环保，直径小比表面积大，单方混凝土的承载力很大，施工简单，技术难度低。但缺点是预制桩的挤土效应在饱和粘性土中是负面的，会引发其他桩体断桩、缩颈等质量事故，对于挤土预制混凝土桩和钢桩会导致桩体上浮，降低承载力，增大沉降；挤土效应还可能会造成周边道路、房屋、市政设施受损等严重后果。

（3）多介质复合桩

在满足建筑物对单桩承载力和沉降设计要求的前提下，多介质复合桩的单桩竖向承载力优于灌注桩，且单桩的工程造价较低[4]；多介质复合桩通过芯桩的桩侧、桩端将大部分竖向荷载按照一定的分配传递给了外芯，外芯通过复合桩桩侧摩阻力和端阻力传递给桩身周围的士层，形成了桩顶承受的荷载一高强预应力混凝管芯柱一水泥外芯一桩周围土层的双层扩散模式[5]；无泥浆外运；视施工工艺不同，微挤土或无挤土效应。

综上所述，多介质复合桩在能满足建筑物的沉降设计要求的前提下，在单位承载力的造价、受力形式、节省材料、环境保护、挤土效应等多方面，均优于钻孔灌注桩和预制桩方案。

3 施工工艺特点

依托“无置换五轴水泥土连续搅拌墙工法（FCW工法）”积累的深层搅拌桩丰富工程经验，衍生出上下喷浆低水灰比式深层单轴搅拌桩技术。

图1 “一上一下两搅两喷”工艺示意图

通过上述两种工艺上的创新，再配合大功率动力头设备，实现对单轴深层水泥土搅拌桩成桩质量的控制，同时还具有以下优点：

（1）功效的提升

① 机械采用钻杆内喷浆方式，可在下沉同时进行搅拌，提升了搅拌功效；

② 配备变频电机的送浆系统可在土质不均匀时调节浆量，提升浆液的使用功效；

（2）性能的提升

① 通过独特的施工机械智能化监控系统，为提升施工质量控制提供了更为强有力的手段；

② 后台供浆系统能全自动上料及计量，保质又保量；

③ 采用大功率专用起重电机，结合超深钻杆使钻进深度大大提升，钻进深度可达60m。

2.施工流程

   

图2 多介质复合桩工艺流程图

4 多介质复合桩方案

根据《多介质复合桩技术规程》（JGJ/T327-2014）及上海市地标《地基基础设计规范》（DGJ08-11-2010），本项目在远离地铁保护区的结构桩基设计采用多介质复合桩，桩型参数详见下表。

表3 桩型参数汇总表

2#楼
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
ZH1	PHC400-AB-95-30	直径700mm 水泥掺量20%	107	⑦2层粉砂	抗压1690kN
ZH2	PHC400-AB-95-29	直径700mm 水泥掺量20%	8	⑦2层粉砂	抗压1690kN
抗压试桩	PHC400-AB-95-35	直径800mm 水泥掺量20%	3	⑦2层粉砂	抗压1690kN
4-A#楼
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
ZH1	PHC400-AB-95-30	直径700mm 水泥掺量20%	151	⑦2层粉砂	抗压1690kN
ZH2	PHC400-AB-95-29	直径700mm 水泥掺量20%	19	⑦2层粉砂	抗压1690kN
抗压试桩	PHC400-AB-95-35	直径800mm 水泥掺量20%	3	⑦2层粉砂	抗压1690kN
5#楼
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
ZH1	PHC400-AB-95-30	直径700mm 水泥掺量20%	104	⑦2层粉砂	抗压1690kN
ZH2	PHC400-AB-95-29	直径700mm 水泥掺量20%	8	⑦2层粉砂	抗压1690kN
抗压试桩	PHC400-AB-95-35	直径800mm 水泥掺量20%	3	⑦2层粉砂	抗压1690kN
6-A#楼
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
ZH1	PHC400-AB-95-30	直径700mm 水泥掺量20%	135	⑦2层粉砂	抗压1690kN
ZH2	PHC400-AB-95-29	直径700mm 水泥掺量20%	11	⑦2层粉砂	抗压1690kN
抗压试桩	PHC400-AB-95-35	直径800mm 水泥掺量20%	3	⑦2层粉砂	抗压1690kN
7#楼
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
ZH1	PHC400-AB-95-30	直径700mm 水泥掺量20%	95	⑦2层粉砂	抗压1690kN
ZH2	PHC400-AB-95-29	直径700mm 水泥掺量20%	12	⑦2层粉砂	抗压1690kN
抗压试桩	PHC400-AB-95-35	直径800mm 水泥掺量20%	3	⑦2层粉砂	抗压1690kN
8#楼
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
ZH1	PHC400-AB-95-30	直径700mm 水泥掺量20%	48	⑦2层粉砂	抗压1690kN
ZH2	PHC400-AB-95-29	直径700mm 水泥掺量20%	6	⑦2层粉砂	抗压1690kN
抗压试桩	PHC400-AB-95-35	直径800mm 水泥掺量20%	3	⑦2层粉砂	抗压1690kN
地库
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
抗压兼抗拔工程桩	PHC400-B-95-26	直径700mm 水泥掺量20%	463	⑦2层粉砂	抗压1500kN 抗拔450kN
抗压试桩	PHC400-B-95-31	直径700mm 水泥掺量20%	5	⑦2层粉砂	抗压1500kN 抗拔450kN
抗拔试桩	PHC400-B-95-31	直径800mm 水泥掺量20%	5	⑦2层粉砂	抗压1500kN 抗拔450kN
民防
类别	多介质复合桩		桩数（根）	桩端持力层	单桩承载能力特征值
	内芯	外芯
抗压兼抗拔工程桩	PHC400-B-95-26	直径700mm 水泥掺量20%	102	⑦2层粉砂	抗压1500kN 抗拔450kN
抗压试桩	PHC400-B-95-31	直径700mm 水泥掺量20%	2	⑦2层粉砂	抗压1500kN 抗拔450kN
抗拔试桩	PHC400-B-95-31	直径800mm 水泥掺量20%	2	⑦2层粉砂	抗压1500kN 抗拔450kN

5试验结果

根据设计文件，检测单位对本项目多介质复合桩进行了抗压、抗拔静载试验和桩身完整性（小应变）检测[3]。

选取9根桩基进行静载试验，其中抗压试桩6根，抗拔试桩3根，试桩的单桩竖向抗压及抗拔极限承载力详见下表。通过试验结果判断，多介质复合桩单桩抗压极限承载力不小于3740kN和3300kN、单桩抗拔极限承载力不小于1100kN。

表4 多介质复合桩抗压静载试验结果汇总表

桩号	休止期（d）	最大试验荷载（kN）	桩顶最大沉降量（mm）	桩顶回弹量（mm）	回弹率（%）
YSZ03-1#	20	3740	19.38	11.44	59.03
YSZ03-2#	21	3740	18.18	10.26	56.44
YSZ03-3#	21	3740	20.38	11.05	54.22
YSZ04-1#	20	3300	19.11	10.66	55.78
YSZ04-2#	21	3300	17.85	9.91	55.52
YSZ04-3#	20	3300	26.11	15.07	57.72

表5 多介质复合桩抗拔静载试验结果汇总表

桩号	休止期（d）	最大试验荷载（kN）	桩顶最大上拔量（mm）	桩顶回弹量（mm）	回弹率（%）
BSZ02-1#	20	1100	18.34	9.77	53.27
BSZ02-2#	21	1100	21.44	11.64	54.29
BSZ02-3#	22	1100	23.06	12.52	54.29

根据基桩低应变动测报告，对9根试桩进行低应变检测，检测结果显示试桩桩基均为I类桩，无任何不利缺陷。

6 总结

本文从桩基方案比选、施工工艺特点、实际工程案例、试验结果等方面，对多介质复合桩技术在上海及周边的典型地层下的工艺和应用效果[6]进行全面分析，对多介质复合桩技术的可行性、适用性和稳定性展开论证，得出以下结论。

（1）依托城地建设集团自主研发的“无置换五轴水泥土连续搅拌墙技术”，采用上下转换喷浆口实现“一上一下两搅两喷”工艺，该工艺可有效提高单轴搅拌桩的效率，且结合抗压、抗拔静载试验和桩身完整性（小应变）检测结果可知成桩质量极佳；

（2）采用低水灰比（0.8~1.2）、水泥掺量20%的浆液配比，同时匹配大功率动力头确保深层单轴搅拌桩成桩质量，实现水泥土无侧限抗压强度不低于1.0MPa，并沿深度方向无明显衰减，为多介质复合桩单桩承载力的有效提升创造了前提条件；

（3）根据上海及周边地区典型工程案例数据显示，采用双导轨双高功率动力头设备、上下转换喷浆口钻杆、低水灰比浆液的多介质复合桩能实现外芯和内芯等长进入深层良好持力层，较单一内芯预应力混凝土管桩能有效提高单桩承载力。

参考文献

[1] 张 雁,刘金波. 桩基手册[M]. 中国建筑工业出版社，2009.

[2] 董 平, 陈征宙, 秦 然. 混凝土芯水泥土搅拌桩在软土地基中的应用[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(2): 204–207.

[3] 钱于军, 许智伟, 邓亚光, 等. 多介质复合桩的工程应用与试验分析[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(增刊 2): 998–1001.

[4] 李立业. 多介质复合桩承载特性研究[D]. 南京: 东南大学, 2016.

[5] 丁永军, 李进军, 刘 峨, 等. 劲性搅拌桩的荷载传递规律[J]. 天津大学学报, 2010, 43(6): 530–536.

[6] 宋义仲，程海涛，卜发东，等. 管桩水泥土复合基桩工程应用研究[J]. 施工技术，2012，41(5)：89–91，99.

作者简介：谢晓东（1971-），江苏宜兴人，主要从事地下工程的施工和管理方面研究。