天津市某工程復(fù)合地基處理方案優(yōu)化分析

劉 彬，張建新，方福選

(1. 天津城市建設(shè)學院，天津 300384；2. 中國化學工程第一巖土工程有限公司，河北 滄州 061001)

天津濱海新區(qū)屬典型的軟土地基，在這樣的地基上修建建(構(gòu))筑物，經(jīng)常會因為天然軟弱地基的承載能力達不到設(shè)計要求而需要進行處理，以便大幅度提高地基承載力，減少地基沉降．近年來，軟土地基處理技術(shù)得到了快速發(fā)展[1-4]，不僅反映在設(shè)計理論、施工工藝、建筑材料、現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)等方面的不斷更新和進步，而且反映在多種軟土地基處理方法的綜合應(yīng)用方面．

筆者結(jié)合天津市某實際工程，并對該工程所擬選復(fù)合地基處理方案分別進行詳細的設(shè)計計算，并進行對比分析，選出了技術(shù)經(jīng)濟效益最佳方案，為該工程的方案選擇提供了理論計算依據(jù)．

1 工程概況

天津市某高速互通式立交橋，位于濱海新區(qū)，標準寬度為8.25 m，結(jié)構(gòu)采用20 m跨現(xiàn)澆混凝土箱梁，共 9跨．本工程采用滿堂支架施工工藝，支架延順橋向布置間距為 90 cm，橫橋向腹板處布置間距為60 cm，箱室及翼板處布置間距為 90 cm，總布置寬度為 10.5 m．該段橋下方全部為圍海吹填區(qū)域，該區(qū)域地表面有一層厚度一般為0.5 m左右的硬殼層，下面則為深灰、暗灰的淤泥，地質(zhì)情況不理想．根據(jù)建筑荷載情況(見表1)，要求工程的地基承載力不小于155 kPa，地基變形不大于5 mm．為確保施工過程中地基承載力和變形能滿足施工要求，需要對橋下不良軟土地基進行處理．

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔所揭露的地層(見表2)情況，該場地第①層土為雜填土，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)雜亂，工程性質(zhì)差，不宜作為滿堂支架基礎(chǔ)持力層．第②層土強度低，壓縮性較高，且其下第④層土為大厚度高壓縮土層，天然地基也無法滿足建筑荷載的要求．同時，根據(jù)滿堂支架施工工藝要求，在保證滿足地基承載力的同時，支架基礎(chǔ)的沉降量也要小于5 mm．綜合上述因素，需要對天然地基進行處理．

表1 荷載情況統(tǒng)計 kN/m2

3 地基處理方案比較分析

根據(jù)場地巖土工程情況和建筑物的荷載情況以及當?shù)氐墓こ探?jīng)驗，本工程擬選用水泥土攪拌樁復(fù)合地基、水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)復(fù)合地基及多樁型復(fù)合地基等處理方案．筆者通過初步設(shè)計計算確定不同方案的合理設(shè)計參數(shù)，并結(jié)合這三種方案的技術(shù)特點，對三種方案進行全面對比分析，以達到選取技術(shù)經(jīng)濟最佳方案的目的．

3.1 水泥土攪拌樁復(fù)合地基方案分析

水泥土攪拌樁復(fù)合地基加固軟土地基是利用水泥作為固化劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基深部就地將軟土和水泥漿強制拌合，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和足夠強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量．其適用于正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無地下水的飽和松散沙土等地基．根據(jù)本工程情況，該復(fù)合地基方案設(shè)計如下：

表2 工程地質(zhì)情況統(tǒng)計

(1)樁徑．樁徑取決于所選用的機械設(shè)備，根據(jù)當?shù)厥┕そ?jīng)驗，設(shè)計樁徑為600 mm；

(2)樁身強度．固化劑選用強度為 425的普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量由實驗確定，要求樁身強度等級為2.0 MPa以上；

(3)樁長．攪拌樁的長度應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對承載力和變形的要求確定，并且穿透軟弱土層到達承載力相對較高的土層．根據(jù)該場地的巖土工程特性和建筑物的荷載條件，并經(jīng)過對處理后的地基進行變形計算，初步確定合理樁長為6.7 m，樁端進入持力層2.0 m．

(4)樁距．取決于設(shè)計要求的復(fù)合地基承載力及變形．

初步設(shè)計時復(fù)合地基承載力[5]可按(1)式計算

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁身斷面面積，m2；β為樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗取值，本計算取0.8；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，本計算取天然地基承載力．

按(2)、(3)式估算單樁豎向承載力特征值Ra按樁周土計算，其公式為

按樁身強度計算，其公式為

二者計算取小值．

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；up為樁的周長，m；n為樁身范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；li為第i層土的厚度，m；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.4～0.6，承載力高時取低值，本計算取0.5；qp為樁端土未經(jīng)修正的地基承載力特征值，kPa；Ap為樁身斷面面積，m2；fcu為樁身立方體抗壓強度標準值，kPa；η為樁身強度折減系數(shù)，本計算取0.3．

復(fù)合地基變形的計算公式為

式中：Pz為攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值，kPa；Pzl為攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值，kPa；Esp為攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量，MPa；Es為樁間土的壓縮模量，MPa；Ep為攪拌樁的壓縮模量，取120 fcu．

本工程擬采用正方形布樁．樁間距暫取0.9，1.0，1.1，1.2 m，分別按上述公式進行計算，計算結(jié)果見表3．

表3 水泥攪拌樁復(fù)合地基計算結(jié)果

從表3的計算結(jié)果中可以看出，本工程采用水泥攪拌樁進行地基處理時，合理的樁間距為 1 000 mm，經(jīng)處理后復(fù)合地基承載力為 215.6 kPa，變形為4.83 mm，均滿足設(shè)計要求，共需2 172根水泥攪拌樁．

3.2 水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基方案分析

水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)是在碎石樁的基礎(chǔ)上加進一些石屑或砂、粉煤灰和少量水泥，加水拌合制成的一種具有一定黏結(jié)強度的樁．CFG樁復(fù)合地基適用范圍廣，可用于雜填土、飽和及不飽和黏性土等地基中．

根據(jù)文獻[5]的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合當?shù)毓こ淌┕そ?jīng)驗，確定水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基的初步設(shè)計參數(shù)為：CFG樁的樁徑為400 mm；樁間距擬取為0.9，1.0，1.05，1.2 m；樁長取16 m；樁身強度等級為C20．正方形布樁．

根據(jù)初步確定的設(shè)計參數(shù)進行計算，復(fù)合地基承載力按文獻[4]的相關(guān)公式計算，復(fù)合地基變形的計算公式為

式中：S為地基最終沉降量，mm；S′為按分層總和法計算出的地基沉降量，mm；sΨ為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2002)[6]表5.3.5采用；n為地基沉降計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；P0為對應(yīng)于荷載效應(yīng)準永久組合時的基礎(chǔ)底面附加壓力，kPa；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa；Zi、Zi-1為基礎(chǔ)底面至第 i層土、第 i-1層土底面的距離，m；ai、ai-1為基礎(chǔ)底面計算點至第 i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)．

CFG樁復(fù)合地基計算結(jié)果見表4．

表4 CFG樁復(fù)合地基計算結(jié)果

從表4的計算結(jié)果可以看出，本工程采用水泥粉煤灰碎石樁進行地基處理時，合理的樁間距為1 100 mm，經(jīng)處理后復(fù)合地基承載力為 612.5 kPa，變形為4.9 mm，均滿足設(shè)計要求，共需1 991根CFG樁．

3.3 多樁型復(fù)合地基方案分析

多樁型復(fù)合地基[2-3]是相對于單一樁型復(fù)合地基而言的，由兩種及兩種以上樁型組成的復(fù)合地基，并且將復(fù)合地基中分擔荷載比較高的樁型定義為主控樁，其余樁型為輔樁．主控樁一般選用剛性樁、半剛性樁，如預(yù)應(yīng)力管樁、鋼筋混凝土灌注樁、混凝土樁、CFG樁等，其長度一般不小于8 m，樁端坐落在較深的持力層中，其作用不僅是提高地基承載力，且可通過樁身將荷載向地基深處傳送，減少壓縮層變形，即起到減沉和控制地基變形的作用．短樁可選用石灰樁、灰土樁、水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、碎石樁等半剛性樁或柔性樁，其長度一般3～10 m，樁端坐落在較淺的持力層中，主要用來加固樁間土，提高地基承載力，增加長樁樁體摩阻力等．對于地基土要求較高或工況比較復(fù)雜的工程，多樁型復(fù)合地基更能充分發(fā)揮各樁型自身的特點，取得地基處理指標技術(shù)性和經(jīng)濟效益合理性的平衡．同時，考慮到施工難易程度、工程周期及綜合造價等因素，實際工程中一般多采用兩種樁型相結(jié)合的復(fù)合地基．

根據(jù)本工程所在地區(qū)各種樁基的使用情況、施工經(jīng)驗和綜合造價等因素，結(jié)合上述對單一樁型復(fù)合地基方案的計算分析，確定采用水泥土攪拌樁作為輔樁，用以改善上部軟土的豎向剛度，提高天然地基土的承載力，降低地基土的壓縮變形；采用水泥粉煤灰樁作為主控樁，與輔樁共同組成復(fù)合地基，提高天然地基土的承載力，同時起到對輔樁的保護作用．

通過估算，確定主控樁和輔樁設(shè)計參數(shù)，見表5．

表5 主控樁和輔樁設(shè)計參數(shù)

此方案同樣采取正方形滿堂布樁，主控樁和輔樁樁位布置方式見圖1．

圖1 樁位布置示意

雙樁型復(fù)合地基承載力及沉降[3]可按下述方法進行計算：

(1)由天然地基和輔控樁復(fù)合形成復(fù)合地基，視為一種新的等效天然地基，并把這種等效天然地基視為主控樁復(fù)合地基的“樁間土”；

(2)將等效天然地基和主控樁復(fù)合形成復(fù)合地基，按(1)、(6)式求得復(fù)合地基承載力和沉降即兩種樁型復(fù)合地基承載力和沉降．

經(jīng)計算雙樁型復(fù)合地基承載力為156.6 kPa，地基沉降量為4.28 mm，均滿足設(shè)計要求．共需主控樁410根，輔樁324根．

3.4 各復(fù)合地基方案造價對比分析

通過上述計算，結(jié)合天津市建設(shè)工程預(yù)算基價，估算出三種方案的綜合造價，如表6所示．

通過比較可以看出，在達到同樣地基處理效果的前提下，采用雙樁型復(fù)合地基方案要比僅采用單一樁型復(fù)合地基方案造價節(jié)約近25萬元．

表6 方案綜合造價

4 結(jié) 語

(1)通過初步設(shè)計計算可以看出，從技術(shù)角度出發(fā)，采用單一樁型復(fù)合地基時，為滿足設(shè)計要求，布樁間距較小，施工難度加大，施工周期較長，而雙樁型復(fù)合地基克服了以上缺點，大大縮短了施工周期；從經(jīng)濟角度出發(fā)，雙樁型復(fù)合地基方案要比僅采用單一樁型復(fù)合地基方案造價節(jié)約近 25萬元，可有效地控制成本．

(2)通過上述幾種方案的設(shè)計計算結(jié)果可以看出，雙樁型復(fù)合地基與常規(guī)方案(單一樁型)相比，更能減少建筑物沉降量，適合于以沉降為主要控制目標的建筑物地基處理，且雙樁型復(fù)合地基能夠最大限度地發(fā)揮各自樁型的優(yōu)點，使得常規(guī)地基處理方法得到優(yōu)化，具有工程推廣應(yīng)用的價值．

［1］ 龔曉南. 復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ 李富森，楊成祥. 組合樁復(fù)合地基在工程中的應(yīng)用[J].河北建筑工程學院學報，2009，27(1)：15-17．

［3］ 閆明禮，王明山，閆雪峰，等. 多樁型復(fù)合地基設(shè)計計算方法探討[J]. 巖土工程學報，2003，25(3)：352-354．

［4］ 朱常志，王士杰，周瑞林，等. 多樁型復(fù)合地基承載力計算方法研究[J]. 工程勘察，2006(10)：22-23．

［5］ JGJ97—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

［6］ GB5007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].