针对传统地基处理工期长、桩基础造价高等问题,结合大面积和大厚度软土地基处理需要,高效、经济、快速的复合地基技术已经成为我国软土地基处理的主要手段,新的刚性桩、柔性桩、组合桩型不断涌现,现有的复合地基理论体系、设计方法与技术标准有力支撑形成了复合地基工程应用体系,极大地推动了复合地基新技术在软土地基中的发展,满足了工程建设的多样性需求。
一、刚性桩复合地基
刚性桩复合地基是复合地基中应用最广泛的一种形式,其加固机理主要是桩-土协同作用,破坏形式以桩体弯曲破坏为主。近年来,刚性桩的类型、设计理论和施工工艺等方面取得了较大进展,主要包括现浇混凝土大直径管桩、现浇X形混凝土桩、浆固碎石桩和塑料套管混凝土桩等形式。
1、现浇混凝土大直径管桩
现浇混凝土大直径管桩(简称PCC桩)充分吸收了振动沉管桩和预应力管桩的优点,其桩侧面积和桩端面积均大于实心桩,使得其承载力和摩阻力更大,与同等承载力传统圆形桩相比,PCC桩能够节省混凝土用量,实现造价低、承载力高、沉降量小的目标,是一种适用于软土地区的新型绿色地基处理技术。
2、现浇X形混凝土桩
现浇X形混凝土桩(简称XCC桩)在传统圆形沉管灌注桩的基础上,基于等截面异形周边扩大原理,通过改变截面形状达到增加桩侧表面积和桩侧摩阻力的目的,同时可以节省混凝土用量,同样是一种适用于软土地区的新型绿色地基处理技术。与传统圆形灌注桩相比,在等周长条件下,XCC桩可节省混凝土用量50%以上,节省施工耗能30%以上。
3、浆固碎石桩
浆固碎石桩是在碎石桩的基础上,通过注浆方式改善桩体的加固效果,同时在注浆过程中可改善桩周土的力学性质,从而提高复合地基的承载力并有效减少沉降变形,属于刚性桩范畴。与其他桩型相比,浆固碎石桩施工所占用的场地较小,施工机械高度低,对周围建筑物影响很小,且桩身的强度相对较高。目前,浆固碎石桩技术已在宁波绕城高速公路、杭州至千岛湖高速公路等软基处理工程中得到成功应用。
4、塑料套管混凝土桩
塑料套管混凝土桩(简称TC桩)是在传统沉管灌注桩的基础上加以改进而形成的一种新型刚性桩,主要由预制桩尖、塑料套管、套管内混凝土和桩帽四部分组成。作为一种小直径刚性桩,与其他大直径桩相比,TC桩布桩方式为“细而密”,其桩间土沉降更加均匀。此外,TC桩“先套管成模,后集中现浇混凝土”的施工特点,使其还具有施工速度快、单桩承载力高、成桩质量可靠、工程造价合理、质量检测方便等一系列优势。截至目前,TC桩相关技术已成功应用于浙江省申嘉湖杭高速公路、杭金衢高速公路等软基处理工程,并纳入浙江省地方标准。
二、柔性桩复合地基
柔性桩复合地基是复合地基的另一种主要形式,其加固机理主要是置换作用,破坏形式以刺入破坏为主,有时会出现桩身破坏。近年来,柔性桩的类型、设计理论和施工工艺等方面同样取得了较大进展,主要体现为双向水泥土搅拌桩、加筋碎石桩和布袋加筋注浆桩等形式。水泥土搅拌法是软土地基处理中较常用的一种方法,是利用专门机械设备,将地基土与水泥浆或水泥粉在原位进行混合搅拌,制成具有一定强度的柱状桩体,以提高地基承载力、减小沉降和增加稳定性。为了进一步提高成桩质量和加大地基处理深度,基于原有浆喷桩研制出的双向水泥搅拌桩创新在于:将内、外两组搅拌叶片安装在同心钻杆上同时正反向旋转,使得水泥搅拌桩搅拌的均匀性显著提升。相关研究在双向搅拌桩的基础上,通过调整搅拌叶片的伸缩,形成截面积变化的搅拌桩,称为变截面双向搅拌桩。与常规双向搅拌桩相比,变截面双向搅拌桩由于其变截面结构与地基中应力传递规律相一致,使加固体的受力更为合理,地基处理效果更为适宜。加筋碎石桩是在传统碎石桩的基础上,在桩顶一定深度范围内或通常采用土工合成材料(土工织物或土工格栅)作为筋材包裹桩体而形成的一种新型柔性桩。相较于传统碎石桩侧向约束力不足的问题,加筋碎石桩由于土工合成材料筋材的包裹作用,能够有效限制碎石桩的侧向变形,增加桩体侧向约束,从而避免桩体发生鼓胀破坏,同时提高复合地基承载力,是一种安全经济可靠的新型软基处理方法。通过对比分析不同设计参数(套筒长度、筋箍长度及刚度等)及不同工作环境(冻融、循环荷载等)对加筋碎石桩复合地基力学变形的影响,探讨不同加筋方式下同一复合地基中碎石桩变形规律,均可验证筋材的加入有利于显著提升加筋碎石桩的复合地基承载力。布袋加筋注浆桩是通过低压力注浆的方式灌入在预先埋设于软土中的土工布袋内,并与加筋注浆管共同形成一种较为规则的新型柔性桩。由于布袋内的浆液压力大于布袋周围的被动土压力,布袋能有效约束浆液并减小对桩周土体的扰动影响,成桩质量可靠、施工设备较小,同时能够显著提高复合地基承载力,因此布袋加筋注浆桩适于场地狭窄受限的软基处理工程。通过模型试验、现场监测及质量检测等方法,对布袋加筋注浆桩的加固机理、承载力计算、施工工艺等方面进行研究表明:布袋注浆桩具有较好的沉降控制效果和较小的变形扰动影响,是一种对地基土扰动小、加固效果好的软基处理方法。三、多元复合地基
为了避免单一桩型的不利因素,近年来复合地基技术呈现由单一桩型向多元桩型结合使用的趋势,即组合式多元复合地基应运而生,以发挥各种单一桩型的优势。长短桩复合地基包括间隔布设的长桩和短桩,其中对于附加应力较大、压缩量较大的浅层软基,采用短桩(水泥土搅拌桩等半刚性桩)进行加固,以获得较大的置换率和减少一定的压缩变形,并增加长桩桩体摩阻力;对于附加应力较小、土质较好的深层软基,应采用长桩(素混凝土桩、预制预应力管桩等刚性桩)进行加固,其目的是将上部荷载通过桩身传递至深层地基,以减少压缩层变形和提高地基承载力,同时对短桩起到保护作用。劲性复合桩(简称SC桩)是一种通过高压旋喷、深层搅拌或钻孔注浆等工艺形成水泥土搅拌桩并在初凝前插入高强度混凝土桩的新型多元桩型,同时集合了刚性桩承载力高和柔性桩桩侧摩阻力大的优点,在软土地基工程中应用得越发广泛。近年来,不少学者已通过室内外试验、数值模拟和理论分析等方法,对SC桩的挤土效应、承载力作用机理、水平及竖向承载特性等方面进行了大量研究,并被证实为软基处理中加固效果好、经济效益高、施工方便的新型桩型。