靜壓預(yù)制樁復(fù)合地基在濕陷性黃土地區(qū)的嘗試

馬 亮

在我國陜西省、山西省、甘肅省等地區(qū)的階地上分布著厚度較大的黃土地層,一般都具有自重濕陷性,濕陷等級多為Ⅱ級～Ⅲ級,隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的迅速發(fā)展,高層建筑愈來愈多,采用常規(guī)的墊層法、灰(素)土擠密樁或類似的方法已不能滿足設(shè)計要求,強(qiáng)夯法受環(huán)境影響無法實(shí)施,預(yù)浸水法受施工條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的限制又不適用,究竟怎樣處理這種場地值得我們深思。

1 工程概況

某擬建高層建筑物地處太原市東山地區(qū),地上30層,地下2層,總高度90.9 m。結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。根據(jù)巖土勘察報告,場地自上而下各主要土層的工程地質(zhì)特征如下：第①層雜填土;第②層濕陷性粉土;第③層濕陷性粉土;第④層濕陷性粉土;第⑤層粉質(zhì)黏土+粉土;第⑥層粉質(zhì)黏土;第⑦層粉質(zhì)黏土+粉土;第⑧層粉土;第⑨層粉質(zhì)黏土+粉土;第⑩層粉質(zhì)黏土;第○11層粗礫砂。

場地為自重濕陷性黃土場地,地基濕陷等級為Ⅱ(中等)級。

基礎(chǔ)持力層位于第②層,天然地基承載力特征值為140 kPa,經(jīng)修正后地基承載力不滿足設(shè)計要求,另基底下還有約20 m厚的濕陷性黃土,需進(jìn)行地基處理。

2 地基處理方案的確定

擬建建筑物按GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范分類為甲類建筑,按規(guī)范6.1.1條甲類建筑應(yīng)消除地基的全部濕陷量或采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性土層,或?qū)⒒A(chǔ)設(shè)置在非濕陷性黃土層上。

濕陷性黃土地基常用的處理方法：墊層法(可處理的濕陷性黃土層厚度為1 m～3 m)、強(qiáng)夯法(可處理的濕陷性黃土層厚度為3 m～12 m,受環(huán)境限制無法實(shí)施)、擠密法(如灰(素)土擠密樁等一般可處理的濕陷性黃土層厚度為5 m～15 m)、預(yù)浸水法(受施工條件的限制無法實(shí)施)等,都已經(jīng)無法滿足本工程的設(shè)計要求,需要另覓處理方法?，F(xiàn)根據(jù)場地條件及建筑物的性質(zhì),有以下幾種方案,一一列出進(jìn)行比較,以確定出最合理的方案。

方案一：樁基礎(chǔ)。

樁基礎(chǔ)分為鉆孔、挖孔、擠土成孔灌注樁或靜壓、打入的預(yù)制鋼筋混凝土樁。不管哪種樁基礎(chǔ),其工作原理都是樁穿透全部濕陷性土層,把上部荷載傳遞到深層土中,計算方法基本一致,在此僅以鉆孔灌注樁為例介紹樁基設(shè)計參數(shù)的確定,其余不再贅述。

假設(shè)樁身直徑取800 mm,滿堂梅花形布置,樁筏基礎(chǔ),間距2.4 m,以第⑧層粉土作為樁端持力層,樁入土深度52.0 m(樁端進(jìn)入持力層的深度對于黏性土、粉土不小于2.0d)。依據(jù)GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范第5.7.5條的規(guī)定,在自重濕陷性黃土場地,除不計濕陷性黃土內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正阻力外,尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩擦力。樁側(cè)負(fù)摩擦力根據(jù)GB 50025-2004表5.7.5中自重濕陷量計算值大于200 mm時平均負(fù)摩擦力特征值按15 kPa考慮,樁側(cè)20 m厚的濕陷性黃土,負(fù)摩擦力為15×20=300 kPa。

根據(jù)JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范式5.3.6,即單樁豎向承載力特征值Ra估算：Ra=qpkAp+u∑qsikLi-負(fù)摩擦力=1200×π×0.42+π×0.8×30×(52-20)-300=2 716 kPa(其中,1 200為樁端阻力特征值;30為濕陷性黃土下部土層的樁側(cè)阻力特征值)。灌注樁采用C35混凝土,樁體強(qiáng)度控制承載力按GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范式 8.5.9 Q＜Apfcψc=0.42×π×16.7×0.60=5 036 kN,滿足 Q＞Ra,取單樁豎向承載力特征值Ra=2 700 kPa。

經(jīng)電算,單樁豎向承載力特征值取2 700 kPa,滿足設(shè)計要求,方案可行。由于考慮地溝和管道等漏水仍可自其側(cè)向滲入土中對地基產(chǎn)生不利影響,基礎(chǔ)邊緣外圍均設(shè)置三排護(hù)樁,護(hù)樁可采用灰(素)土擠密樁,直徑取400 mm,間距1.2 m,梅花形布置,樁長可適當(dāng)減短,不必穿透全部濕陷性土層。

采用樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是：處理深度大,施工成孔容易,可操作性強(qiáng),適用范圍廣。缺點(diǎn)是：由于不計濕陷性黃土內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正阻力外,尚應(yīng)扣除樁側(cè)的負(fù)摩擦力,導(dǎo)致樁長很長,經(jīng)濟(jì)性差。

方案二：靜壓預(yù)制樁復(fù)合地基。

復(fù)合地基和樁基礎(chǔ)其工作機(jī)理是有很大區(qū)別的,復(fù)合地基是部分土體被加強(qiáng)為增強(qiáng)體,由增強(qiáng)體和周圍地基土共同承擔(dān)荷載的地基,黃土地區(qū)因地基土有濕陷性,所以必須處理其濕陷性;而樁基礎(chǔ)是樁把上部荷載傳遞到深層土中,不考慮樁周圍地基土的作用。濕陷性黃土之所以會產(chǎn)生濕陷,都是由于孔隙比大,干密度小所致,所以復(fù)合地基加固土的目的就是增大干密度,減小孔隙比,同時提高復(fù)合地基的承載力。

山西地區(qū)一般當(dāng)土的干密度大于1.6 g/cm3時,土的濕陷性就消除了,假設(shè)一根樁承擔(dān)的加固面積為1,置換率為 m,則加固前土的干密度=(1-m)×加固后土的干密度,可得：

m=1-加固前土的干密度/加固后土的干密度。

從地質(zhì)報告中可看出基底下濕陷性黃土的干密度最小值為1.392 g/cm3,若采用邊長400 mm的預(yù)制方樁,置換率m=1-1.392/1.60=0.13,假設(shè)采用樁距 1.2 m,正三角形布樁,實(shí)際置換率m=0.128,預(yù)制方樁長度伸入非濕陷性土層0.5 m即可,取20.5 m。

樁間土擠密消除濕陷后,樁側(cè)阻力特征值取30 kPa,樁端阻力特征值取1 000 kPa,則根據(jù)JGJ 94-2008式5.3.6 Ra=qpkAp+u∑qsikLi=1 000×π×0.22+π×0.4×30×20.5=898 kPa。預(yù)制樁采用C30混凝土,樁體強(qiáng)度控制承載力按GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范式 8.5.9 Q＜Apfcψc=0.22×π×14.3×0.75=1 348 kN,滿足 Q＞Ra,取單樁豎向承載力特征值Ra=898 kPa。復(fù)合地基承載力特征值按JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范式 9.2.5,取 β=0.75,Ra=898,Ap=898,fsk=140,m=0.128,f=m×Ra/Ap+β×(1-m)fsk=1 000 kPa,經(jīng)驗算,承載力滿足設(shè)計要求,方案可行。

考慮本方案為復(fù)合地基,充分發(fā)揮樁土的共同作用,樁頂需設(shè)置150～300厚3∶7灰土褥墊層。同樣考慮地溝和管道等漏水仍可自其側(cè)向滲入土中對地基產(chǎn)生不利影響,基礎(chǔ)邊緣外圍均設(shè)置三排護(hù)樁,護(hù)樁可采用灰(素)土擠密樁,直徑取400 mm,間距1.2 m,梅花形布置,樁長可適當(dāng)減短,不必穿透全部濕陷性土層。

采用靜壓預(yù)制樁復(fù)合地基的優(yōu)點(diǎn)是：處理深度較大,濕陷性消除徹底,適用范圍廣,經(jīng)濟(jì)效益可觀。缺點(diǎn)是：樁入土深度范圍內(nèi)局部有堅硬土層時,壓樁較困難,如確有困難可采用預(yù)鉆孔鉆透堅硬夾層回填素土后再壓樁。

方案三：灰(素)土擠密樁+CFG樁復(fù)合地基。

采用灰(素)土擠密樁是黃土地區(qū)行之有效的一種方法,但是用于高層建筑時,復(fù)合地基承載力特征值一般無法滿足強(qiáng)度要求,所以必須再結(jié)合另外的措施來提高復(fù)合地基承載力,而灰(素)土擠密樁主要用來消除濕陷性。灰(素)土擠密樁+CFG樁復(fù)合地基就是充分利用了兩種樁的特性衍生而來。

灰(素)土擠密樁+CFG樁組合型復(fù)合地基其設(shè)計原理和靜壓預(yù)制樁復(fù)合地基設(shè)計原理基本一致,只是在按JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范式9.2.5初估復(fù)合地基承載力特征值時,公式改為 f=m1×Ra1/Ap1+m2×Ra2/Ap2+β×(1-m1-m2)×fsk,公式中字母下的1和 2小標(biāo)分別為灰(素)土擠密樁、CFG樁相應(yīng)的各項參數(shù)。中間步驟不再贅述。

灰(素)土擠密樁可處理的地基深度一般不大于15 m,對于本工程來說不能徹底消除濕陷性,還將殘留有一定的剩余濕陷量,不滿足GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范對甲類建筑的要求,所以該方案不可行。

采用灰(素)土擠密樁+CFG樁處理地基的優(yōu)點(diǎn)是：施工工藝簡單,經(jīng)濟(jì)效益可觀。缺點(diǎn)是：處理深度不大,濕陷性消除不夠徹底,需兩次施工工序。

經(jīng)上述幾種方案對比后,確定采用方案二(靜壓預(yù)制樁復(fù)合地基)。按此方案施工后,經(jīng)檢測,其靜壓預(yù)制樁樁間土擠密效果、濕陷性消除情況以及復(fù)合地基承載力特征值均達(dá)到了設(shè)計要求。

3 結(jié)語

采用靜壓預(yù)制樁在濕陷性黃土地區(qū),且作為復(fù)合地基是一個新課題,采用此法處理地基,既可消除濕陷又可提高承載力,可謂一舉兩得,再加上靜壓樁樁身質(zhì)量好,施工無噪聲,施工進(jìn)度快,與其他地基處理方法相比有一定的優(yōu)勢。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB 50025-2004,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[3] 高明巧.濕陷性黃土地基的幾種處理方法[J].山西建筑,2008,34(9)：132-133.