成曉萍

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

1 夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)理念及作用機(jī)理

設(shè)計(jì)理念:夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基在濕陷性黃土地區(qū)對(duì)地基進(jìn)行加固時(shí)，主要是利用它在機(jī)械成孔時(shí)，對(duì)夯實(shí)水泥土樁的夯實(shí)、擠密、置換作用，來(lái)消除地基以下各土層的全部濕陷或是其下部的剩余濕陷量以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

作用機(jī)理:將相對(duì)單一的土質(zhì)材料與水泥按一定的配合比充分拌合均勻形成水泥土，然后分層向孔內(nèi)夯填，擠密而制成水泥土樁，并與樁間土及其上部鋪填的褥墊層形成復(fù)合地基。由于成樁過(guò)程中樁間土受到擠密、置換，使得樁間土的強(qiáng)度得到了一定的提高，同時(shí)土與水泥在拌合過(guò)程中產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)，使得水泥土樁體本身的強(qiáng)度得到提高。即復(fù)合地基的強(qiáng)度及抵抗變形的能力也顯著提高。

2 夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)方法

夯實(shí)水泥土樁是具有一定壓縮性的一種柔性樁。一般情況下，荷載大部分由樁承擔(dān)，通過(guò)與土的側(cè)阻力與端阻力傳至深層土中。同時(shí)，在樁、土的共同受荷作用下，土的高壓力區(qū)增大，提高了地基承載力，減少了地基的沉降變形。根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中第十章夯實(shí)水泥土樁法的要求，夯實(shí)水泥土樁可只在基礎(chǔ)邊線范圍內(nèi)布置，便可滿(mǎn)足上部荷載對(duì)復(fù)合地基的要求。而在濕陷性黃土地區(qū)，除了滿(mǎn)足建筑物下承載力、變形、濕陷系數(shù)等的要求，還應(yīng)考慮到建筑物側(cè)向防水、止水等問(wèn)題，所以，在基礎(chǔ)外邊緣不小于2 m的范圍內(nèi)也應(yīng)布置一定范圍的灰土擠密樁(2排～3排)，以形成止水帷幕。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某高層住宅18層(帶地下1層)，純剪力墻結(jié)構(gòu)，7度設(shè)防，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí);根據(jù)GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范，該建筑物為乙類(lèi)。剪力墻的抗震等級(jí)為三級(jí)，基礎(chǔ)為剪力墻下筏板基礎(chǔ)。該住宅的平面呈矩形，長(zhǎng)67 m，寬17 m，建筑總高度為:60 m?；A(chǔ)寬度:68 m×18 m，基底反力320 kPa，基礎(chǔ)埋深5.0 m，基底位于第二層濕陷性粉土。

3.2 地質(zhì)概況

①雜填土(Q4ml):灰褐色，黃褐色，稍密，稍濕，主要由粉土組成，含磚塊、石塊、煤屑等，局部為素填土。該層厚度及層底埋深0.3 m ～3.4 m。

②濕陷性粉土(Q3al+pl):褐黃色，稍密，稍濕，無(wú)光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低，該層厚度6.1 m ～9.2 m，層底埋深9.5 m ～10.5 m，天然地基承載力特征值為fak=180 kPa，樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值50 kPa。

③粉土(Q3al+pl):褐黃色，灰綠色，稍密，稍濕，干強(qiáng)度低，韌性低，變?yōu)榉圪|(zhì)粘土。該層厚度10.5 m～11.5 m，層底埋深20.0 m～22.0 m，天然地基承載力特征值為fak=190 kPa，樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值55 kPa，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值1 400 kPa。

④粉質(zhì)粘土(Q3al+pl):黃褐色，灰褐色，可塑，干強(qiáng)度中等，韌性中等。

該層未揭穿，揭露最大厚度15.0 m。天然地基承載力特征值為fak=230 kPa，樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值55 kPa，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值1 300 kPa。

3.3 夯實(shí)水泥土樁的設(shè)計(jì)與施工

根據(jù)本工程的地質(zhì)勘察報(bào)告，本工程基礎(chǔ)持力層位于第二層，該土層為非自重濕陷性粉土，濕陷深度最深達(dá)9 m左右，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí);該層天然地基承載力特征值為180 kPa，而基底反力為320 kPa，顯然天然地基承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需對(duì)地基進(jìn)行處理?？紤]到場(chǎng)地要持力層范圍為濕陷性黃土，且考慮到周邊環(huán)境條件及工程特性，擬采用夯實(shí)水泥土樁+外圍2排～3排灰土擠密樁(止水帷幕)這種復(fù)合地基進(jìn)行加固處理。

夯實(shí)水泥土樁設(shè)計(jì)前必須先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行配比實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)建筑物所在場(chǎng)地的地基土特性，水泥選用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，土料為場(chǎng)地現(xiàn)有的粉土及粉質(zhì)粘土，土料中的有機(jī)物質(zhì)含量不得超過(guò)5%，不得含有凍土或膨脹土，使用時(shí)應(yīng)過(guò)10 mm～20 mm的篩。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在混合料最優(yōu)含水量ωop=17%，即此時(shí)配合比為:水泥∶土∶水 =1∶5∶0.74的情況下，達(dá)到設(shè)計(jì)要求提供的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=4.5 MPa，夯實(shí)水泥土樁體強(qiáng)度取28 d齡期試塊的立方體抗壓強(qiáng)度平均值。

初步設(shè)計(jì)時(shí)，夯實(shí)水泥土樁徑選用400 mm，樁距1.1 m，根據(jù)勘察報(bào)告，處理深度暫定樁長(zhǎng)8.5 m(根據(jù)施工時(shí)成樁工藝選用沖擊擠密成孔，預(yù)留松動(dòng)層厚度為1 m)，有效樁長(zhǎng)7.50 m。此時(shí)，樁端持力層進(jìn)入第3層粉土約1 m，且其下部無(wú)軟弱下臥層。在基礎(chǔ)范圍內(nèi)呈正三角形布樁;又考慮到場(chǎng)地土的濕陷性，在基礎(chǔ)范圍外擴(kuò)3排布灰土擠密樁，其布置也為正三角形布置，目的是止水帷幕及護(hù)樁作用。

施工工藝采用擠土成孔，選用沉管、沖擊的方法。成孔擠密時(shí)，選用間隔成批進(jìn)行跳打，成孔后對(duì)夯孔進(jìn)行及時(shí)夯填。夯實(shí)機(jī)的夯錘質(zhì)量為2 t。夯錘每次的提升高度為不低于1 m。夯實(shí)填料時(shí)，每級(jí)夯填料不應(yīng)過(guò)多，否則，影響樁體的密實(shí)性及均勻性。嚴(yán)禁超厚度及突擊填料。一般控制每級(jí)送料厚度為50 mm～80 mm。夯填混合料前應(yīng)將孔底土夯實(shí)，有利于發(fā)揮樁端阻力，以提高復(fù)合地基承載力。夯填樁孔時(shí)，選用了機(jī)械夯實(shí)。樁頂夯填高度應(yīng)大于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高200 mm～300 mm，墊層施工時(shí)應(yīng)將多余樁體鑿除，樁頂面應(yīng)水平。雨期或冬期施工時(shí)，應(yīng)采取防雨、防凍措施，防止土料和水泥受雨水淋濕或凍結(jié)。分段夯填時(shí)，夯錘的落距及填料厚度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定，混合料的壓實(shí)系數(shù)λc不應(yīng)小于0.93。在施工過(guò)程中，局部孔底的土層含水量較高。

在進(jìn)行地基處理的大面積施工前，在現(xiàn)場(chǎng)選擇了有代表性的地段進(jìn)行試驗(yàn)或試驗(yàn)性施工。試驗(yàn)結(jié)果，試樁的所有參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。

3.3.1 夯實(shí)水泥土單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=4.5 MPa。根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，當(dāng)無(wú)單樁載荷試驗(yàn)資料時(shí)，可按式(9.2.6)及式(9.2.7)估算，并取較小值:

根據(jù)公式(9.2.7)Ra=(Ap× fcu)/3=(0.125 6 ×4 500)/3=188.4 kN。

根據(jù)公式(9.2.6)∑qsi× Li+qap×Ap=0.4×3.14×(15×6.5+25 ×1)+0.125 6 ×1 300=153.86+163.28=317.14 kN。

取二者中的較小值:Ra=188.4 kN，作為夯實(shí)水泥土樁的單樁承載力特征值。

3.3.2 面積置換率的確定

根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，面積置換率m=d2/=d2/(1.05s)2=0.42/(1.05 ×1.1)2=0.119 9。

其中，de(等效直徑)=1.05s，s為正三角形布置時(shí)樁距。

3.3.3 復(fù)合地基承載力特征值的確定

根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，復(fù)合地基承載力特征值的估算值為:fspk=m×Ra/Ap+β(1－m)fak=0.119 9×188.4/0.125 6+1.0 × (1 －0.119 9)×190=346.85 kPa。

因?yàn)槭┕すに嚥捎脭D土成孔，此處樁間土的承載力折減系數(shù)B 取1.0。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)合地基承載力特征值為396 kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;且所要求測(cè)定的全部深度范圍內(nèi)樁間土擠密系數(shù)均不小于0.93;樁間土的濕陷系數(shù)小于0.015，也滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

3.3.4 止水帷幕——灰土擠密樁的設(shè)計(jì)

灰土擠密樁布置在基礎(chǔ)范圍以外2排～3排，其主要作用是止水帷幕及護(hù)樁。樁徑也取400 mm，樁距1 000 mm，也為正三角形布置。所選材料為3∶7灰土，有效樁長(zhǎng)同夯實(shí)水泥土樁?；彝翑D密樁孔內(nèi)填料也應(yīng)且要求測(cè)定全部深度范圍內(nèi)樁體及樁間土的干密度、壓實(shí)系數(shù)、擠密系數(shù)、樁間土的濕陷系數(shù)(應(yīng)小于0.015)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，取得了較滿(mǎn)意的結(jié)果。

3.3.5 褥墊層的設(shè)計(jì)

設(shè)置褥墊層，主要是為了調(diào)整基底壓力分布，使荷載通過(guò)墊層傳到樁和樁間土上，以保證樁間土承載力的有效發(fā)揮。

樁基完成并截樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再鋪300 mm厚碎石褥墊層，墊層材料中不得含有植物殘?bào)w、垃圾等雜物，所選用的碎石最大粒徑不大于20 mm，且鋪設(shè)厚度應(yīng)均勻，褥墊層的外擴(kuò)寬度為300 mm，墊層鋪設(shè)宜分層進(jìn)行，且每層鋪設(shè)應(yīng)均勻。墊層鋪平后應(yīng)振實(shí)或夯實(shí)，其夯填度不得大于0.90。

3.3.6 地基處理后的變形計(jì)算

夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的沉降由復(fù)合土層壓縮變形與加固區(qū)下臥土層壓縮變形量?jī)刹糠纸M成。計(jì)算沉降時(shí)仍然采用分層總和法。

根據(jù)GB 50007建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，計(jì)算深度取30 m，又根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ=fspk/fak，經(jīng)分層總和法算得，建筑物的最大沉降量為76 mm，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

本工程不存在軟弱下臥層。

3.3.7 夯實(shí)水泥土樁的質(zhì)量檢驗(yàn)

根據(jù)夯實(shí)水泥土樁的成樁以及樁體硬化特點(diǎn)，樁的夯實(shí)質(zhì)量的檢驗(yàn)在成樁的2 h內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)抽取檢查。檢查數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況，一般取總樁數(shù)的2%，且不少于6根。檢驗(yàn)方法有:取土測(cè)定法檢測(cè)樁體材料的干密度，也可用輕型原錐動(dòng)力觸探法來(lái)檢測(cè)樁體材料的N10擊數(shù)。本工程是采用的環(huán)刀取樣法來(lái)檢測(cè)樁體材料的干密度，檢測(cè)結(jié)果，干密度達(dá)到了1.60 g/cm3。

成樁后的復(fù)合地基工程驗(yàn)收時(shí)，采用了單樁與多樁復(fù)合地基豎向載荷試驗(yàn)，分別各取3組進(jìn)行，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

采用夯實(shí)水泥土樁(+灰土擠密樁)對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行地基處理是一種非常好的方法，它與單一采用灰土擠密樁、灰土墊層法及浸水法等相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。

1)處理濕陷性土的效果好:在擠密過(guò)程中，通過(guò)與土的摩擦、擠壓作用，使得樁與天然土層共同工作，大大提高了地基土的承載力與抵抗變形的能力;同時(shí)，在擠密與加大置換率的同時(shí)，消除或減少了土的濕陷量及建筑物的總沉降量。

2)它的施工方法簡(jiǎn)單、易于操作且樁的質(zhì)量容易控制，同時(shí)，采用機(jī)械成孔具有施工效率高、標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化、施工工期快的特點(diǎn)，且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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