北方深厚濕陷性黃土場地地基處理

安達

摘 要：針對傳統(tǒng)北方深厚濕陷性黃土場地地基處理方法成本高，施工周期長的問題，提出素土擠密樁與CFG樁復合地基處理方法進行濕陷性黃土場地地基處理。以張家口橋東區(qū)某小區(qū)地基處理工程為主要研究對象，對素土擠密樁與CFG樁復合地基處理方法進行深入研究。通過室內(nèi)土工試驗、現(xiàn)場原位測試對黃土單個物理指標與濕陷性關(guān)系進行分析。最后對7#地基部分樁基問題采取增加短樁進行補救，補救結(jié)果地基滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土;復合地基;素土擠密樁;CFG樁

中圖分類號：TP392 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0154-05

Found ation treatment of deep collapsible loesssite in North China

Abstract： In view of the high cost and long construction period of the traditional foundation treatment method for deep collapsible loess site in northern China， the composite foundation treatment method of plain soil compaction pile and CFG pile is proposed for the foundation treatment of collapsible loess site. Taking the foundation treatment project of a residential area in Qiaodong District of Zhangjiakou as the main research object， the treatment method of plain soil compaction pile and CFG pile composite foundation is deeply studied. The relationship between single physical index and collapsibility of loess is analyzed through indoor geotechnical test and in-situ test. Finally， the problem of pile foundation in 7# foundation is remedied by adding short piles. The remedial results show that the foundation treatment method proposed in this study can effectively remedy the problem foundation， and the foundation after remedy can meet the design requirements.

Key words： collapsible loess;composite foundation;compaction pile with plain soil;CFG pile

深厚濕陷性黃土在我國北方分布較廣，該土質(zhì)特點在于，一旦遇水侵濕，土體強度顯著下降。若在其上附加一定壓力，在附加壓力和自重壓力的共同作用下，土體會產(chǎn)生濕陷變形。因此在濕陷性黃土區(qū)進行工程建設(shè)時，需要提前進行地基處理，避免對建筑物產(chǎn)生嚴重影響。傳統(tǒng)濕陷性黃土地基處理方法為樁基礎(chǔ)，但樁基礎(chǔ)存在成本高，施工周期長的問題，使得工程施工受到一定制約。未尋找一種更適合處理濕陷性黃土地基的方法，我國很多專家做出了很多研究。如武小鵬[1]等人系統(tǒng)研究了馬蘭黃土濕陷系數(shù)與深度，含水率，干密度，孔隙比，塑性指數(shù)和壓縮系數(shù)之間的關(guān)系，并提出工程中用單個或多個物理指標評價黃土濕陷性的新方法，證實黃土濕陷系數(shù)與其物理力學指標之間具有較好的相關(guān)性;劉松玉[2]等人提出了氣動振桿密實法處理濕陷性黃土地基的施工工藝，并對處理效果進行了測試評價，證實經(jīng)處理后，土層各項物理力學性能指標均有明顯改善;黃雪峰[3]則研究了螺桿樁消除黃土地基濕陷性的效果，證實螺桿樁處理后的黃土復合地基，其樁與土之間有較好的擠密效果，黃土濕陷性明顯消除。以上專家的研究為濕陷性黃土地基處理作出了貢獻，但對濕陷性黃土地基處理還存在一定的制約。基于此，本文以素土擠密樁+CFG樁復合地基處理濕陷性黃土地基，增加濕陷性黃土地基的處理方式。

1 工程概況

以河北省張家口市橋東區(qū)某工程7#住宅樓的濕陷性黃土地基為主要研究對象。

1.1 工程地質(zhì)條件

1.1.1 擬建場區(qū)地層條件

通過對現(xiàn)場的勘察，確定該巖土工程勘探范圍為54 m，上部土體由人工填土、第四系坡積層、腐殖土構(gòu)成;下部土體主要是安山巖基巖風化帶。其中人工填土層主要由①1雜填土和①2素填土組成;腐殖土層主要成分為①3腐殖土;第四系坡積層主要包括②粉土、②1粉質(zhì)黏土、②2碎石、②3角礫、②4粉砂、②5黏土、③粉土、③1粉質(zhì)黏土、③2碎石、③3角礫、③4黏土、③5中砂;安山巖基巖風化帶主要由④全風化安山巖、⑤強風化安山巖、⑥中風化安山巖、⑦微風化安山巖構(gòu)成。主要土層物理力學參數(shù)如表1所示。

1.1.2 擬建場區(qū)濕陷性

依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[4]及相關(guān)資料可知，在本工程場地內(nèi)，②粉土、③1粉質(zhì)黏土層、②1粉質(zhì)黏土、③粉土皆不具備自重濕陷性。勘探點濕陷量小于750 mm。通過《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》將此地基濕陷等級評定為I～II級。且濕陷性隨深度的增加表現(xiàn)為減弱趨勢，直至地表下12.20 m。

1.2 黃土物理指標與濕陷性關(guān)系

選擇分布深度、含水率、干密度和孔隙比作為物理指標，探究其與黃土濕陷性之間的關(guān)系。坐標為單個物理指標與濕陷系數(shù)關(guān)系，同一取土試樣探井數(shù)據(jù)顏色相同。

1.2.1 黃土分布深度與濕陷性關(guān)系

圖1為黃土分布深度與濕陷系數(shù)關(guān)系散點圖。由圖1可知，黃土濕陷系數(shù)隨黃土深度的增加而增加。在2～6 m間分布有濕陷系數(shù)較大的濕陷性黃土，此時黃土最大濕陷系數(shù)為0.069。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于，該土層在較短時間形成，外界環(huán)境變化對其不產(chǎn)生影響。濕陷系數(shù)比0.015低，則認定該黃土不具備陷性。但本地區(qū)內(nèi)在可勘探范圍均分布有非濕陷性黃土，濕陷性黃土主要集中在1～12 m深度范圍內(nèi)。因此在地基處理過程中，只需要處理12 m深度內(nèi)濕陷性黃土就可消除黃土濕陷性。

1.2.2 黃土含水率與濕陷性關(guān)系

圖2為黃土含水率與濕陷系數(shù)關(guān)系散點圖。由圖2可知，本地區(qū)濕陷系數(shù)隨含水率的增加而緩慢增長。這是因為采集數(shù)據(jù)樣本少，結(jié)果不準確導致;同時，場地地質(zhì)條件相對比較復雜，探井不同，黃土性質(zhì)有差異較大。并且，圖2還顯示出本地區(qū)黃土含水率主要在5%～25%間，而黃土濕陷性主要在黃土含水率為18%～24%時較大。

1.2.3 黃土干密度與濕陷性關(guān)系

圖3為黃土干密度與濕陷性系數(shù)關(guān)系散點圖。由圖3可知，本地區(qū)黃土干密度主要在1.40～1.80 g·cm-3間，黃土濕陷系數(shù)隨黃土干密度的增加而減小。干密度比1.68 g·cm-3大，黃土基本不存在濕陷性。

1.2.4 黃土孔隙比與濕陷性關(guān)系

圖4為黃土空隙比與濕陷系數(shù)關(guān)系散點圖。由圖4可知，本地區(qū)黃土濕陷系數(shù)隨孔隙比的增加而逐漸增加。這就說明了孔隙比與黃土濕陷性表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。通過圖4發(fā)現(xiàn)，濕陷系數(shù)超過0.015濕陷性黃土僅存在在孔隙比大于0.58的黃土中。同時，除個別樣品孔隙比在0.52～0.84外，其余孔隙比比0.64高。

1.3 濕陷性黃土地基處理設(shè)計方案

1.3.1 設(shè)計原則與設(shè)計要求

結(jié)合工程要求對基礎(chǔ)地基方案進行選擇，使建筑物安全和使用都得到保障。同時，對地基的設(shè)計還需要滿足建筑物承載力、變形計算、穩(wěn)定性等要求。

1.3.2 7#住宅樓地基處理

根據(jù)對7#住宅樓研究發(fā)現(xiàn)，7#樓一共31層，分別為地上28層，地下3層。主要是剪力墻結(jié)構(gòu)與筏板基礎(chǔ)結(jié)合。建筑總高80 m左右，有部分檢測點位出現(xiàn)檢測不合格情況，因此用素土擠密樁結(jié)合長短CFG樁對地基進行加固。具體方案為：

（1）用素土擠密樁處理，用CFG樁加固?；讟烁邽?77 m，加固處理后，復合地基承載力特征值超過460 kPa，壓縮模量超過22 MPa方可;

（2）土方深度為絕對標高777.5 m，對素土擠密樁進行施工，提前留下0.5 m松動層，按照正三角布置平面。素土擠密樁樁徑、樁間距和樁長分別為600 mm、1 700 mm×1 700 mm、6 m。完成素土擠密樁施工后，繼續(xù)進行CFG樁施工，處理方案與素土擠密樁相似，施工標高和保護土層及樁間距與素土擠密樁一致。CFG樁樁徑為420 mm，施工樁長為17.5 m;

（3）檢測CFG樁后地基后發(fā)現(xiàn)，部分點位無法承擔相應(yīng)承載力，開始單樁靜載試驗時，個別樁頭被破壞。這可能是在該土層中，土質(zhì)分布不規(guī)律引起的。同時在施工時發(fā)現(xiàn)該批混凝土強度達不到設(shè)計強度，因此需要在原設(shè)計中增加部分CFG樁，增加CFG樁其余條件不變，施工樁長變?yōu)?4.5 m，在原設(shè)計CFG樁三角形的中心布置樁中心，最終地基得處理平面布置圖如圖5所示;

（4）原設(shè)計長樁單樁承載力特征值為420 kN，短樁為280 kN，加固單樁靜載試驗樁樁頭。

2 試驗檢測要求

2.1 素土擠密樁試驗檢測

在處理影響的深度范圍內(nèi)，孔內(nèi)夯填土和樁間土擠密效果用勘探鉆機分層取樣進行評價。

2.2 CFG樁試驗檢測

（1）CFG樁采用C25商品混凝土施工，增加較短樁采用C30混凝土施工;

（2）在成樁時，澆筑50 m3混凝土和每臺機械每臺各需留下3塊試件;

（3）按照《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收標準》 [5]（GB 50202—2018）和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》 [6]（JGJ 79—2012）對CFG樁進行驗收。并進行施工質(zhì)量檢驗;

（4）CFG樁復合地基驗收用載荷試驗對承載力進行檢驗。當樁身強度達到要求，載荷試驗占總樁數(shù)0.5%[7]。載荷試驗數(shù)量皆為3點。對高于樁總數(shù)10%的樁進行低應(yīng)變動力檢測，用于評價樁身完整性[8]。

3 施工要求

（1）需在CFG樁樁頂鋪設(shè)碎石褥墊層[9]。褥墊層條件參數(shù)如表2所示。

（2）CFG樁施工工藝為長螺旋成孔中心壓灌，樁身為C25混凝土;增加短樁樁身為C30混凝土。以泵砼→提鉆工序施工。施工前，提前對場地降水、排水，避免因為坑底積水使得坑底土層出現(xiàn)擾動和軟化現(xiàn)象。

（3）用柱錘進行夯實，出現(xiàn)成孔擠密過于隆起時間隔跳打，成孔后，夯填樁孔。

（4）達到設(shè)計深度后，掌握提拔鉆桿時間。遇見軟弱土層、粉土層以及飽和沙土，需要適當降低拔管速度。淤泥、粉細砂、淤泥質(zhì)土、松散飽和粉土等土質(zhì)樁徑較小時，用隔樁跳打以防止串孔。在施工時，施工樁應(yīng)比設(shè)計樁高0.5 m。

4 素土擠密樁+CFG樁復合地基的設(shè)計計算

4.1 單樁豎向承載力特征值計算

4.1.1 長樁

參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》 [10]（JGJ 79—2012），根據(jù)勘察報告和設(shè)計參數(shù)對長樁進行計算。計算參數(shù)如表3所示。

CFG長樁單樁承載特征值Ra1表達式為：

式中：up為樁周長;qsi為第i層圖側(cè)阻力特征值;lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度;Ra為CFG長樁單樁承載特征值;ap為端阻力發(fā)揮系數(shù);qp為樁端端阻力特征值。

樁體試塊抗壓強度表達式為：

式中：fcu表示試塊標養(yǎng)28 d的立方體抗壓強度平均值。

由式（1）、式（2）可得，Ra1=945 kN，fcu=25 MPa;通過現(xiàn)場勘察，部分點位承載力達不到響應(yīng)要求，個別單樁樁頭破碎，因此需增加短樁，以此進行補樁。故在設(shè)計時單樁承載特征值按照420 kN計算。采用C25混凝土，樁體試塊的抗壓強度滿足要求，有混凝土強度達不到標準，因此就算齡期滿足，仍有個別樁頭出現(xiàn)破碎情況。

4.1.2 短樁

短樁樁長為14.5 m，考慮地層復雜，且長樁靜載試驗存在部分點位不合格現(xiàn)象，取l1=14.5 m，qs1=30 kPa，其余條件不變。由式（1）、式（2）進行計算可得，Ra2=677 kN，fcu=30 MPa。結(jié)合現(xiàn)場試驗結(jié)果，設(shè)計時按照Ra2=280 kN計算。采用得C30混凝土時，樁體試塊抗壓強度滿足設(shè)計要求。

4.2 復合地基承載力特征值計算

已知m1=m2=0.055，長樁和短樁的單樁承載特征值分別取值420 kN和280 kN。經(jīng)過擠密樁對天然地基處理后，取天然地基承載力1.4倍，可得fsk=1.4fa=238 kPa，取λ=0.9，β=1。

承載力特征值表達式為：

式中：Ap1為長樁單樁截面積;Ap2為短樁單樁截面積;Ra1為長樁單樁承載特征值;Ra2為短樁的單樁承載特征值;βp1為長樁豎向抗抗壓承載力修正系數(shù);m2為短樁面積置換率;βs為樁間土地基承載力修正系數(shù);m1為長樁面積置換率;fsk為樁間土地基承載力特征值;βp2為短樁豎向抗抗壓承載力修正系數(shù)。

承載力特征值計算結(jié)果為467 kPa，大于460 kPa，滿足設(shè)計要求。

4.3 壓縮模量計算

基地在③層土層中，壓縮模量為6 MPa;承載力為150 kPa。通過素土擠密樁和CFG復合地基處理后，壓縮模量提高至23.38 MPa，大于22 MPa。符合要求。

5 結(jié)語

本文通過張家口橋東區(qū)某小區(qū)7#樓地基處理工程項目，結(jié)合現(xiàn)場地基檢測試驗對北方深厚濕陷性黃土場地地基進行處理。通過對黃土單個物理指標與濕陷性關(guān)系進行分析可知，黃土濕陷性隨黃土深度的和干密度的增加而減小;隨含水量和孔隙比的增加而減小。通過考察，本工程濕陷性黃土主要分布在1～12 m間;含水率為18%～24%;黃土濕陷性在黃土干密度大于1.68 g·cm-3時基本消失;濕陷性較強黃土主要在孔隙比高于0.64區(qū)域。對7#樓地基進行分析和采取補救措施，確定本文提出的設(shè)計方案可以滿足濕陷性黃土地基的相關(guān)設(shè)計要求。

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收稿日期：2021-07-21;修回日期：2022-04-11

作者簡介：安 達（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：地基基礎(chǔ)處理、基坑支護、邊坡防護、地質(zhì)災(zāi)害治理。