靜壓預制樁復合地基在濕陷性黃土地區的嘗試

馬 亮

在我國陜西省、山西省、甘肅省等地區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,隨著現代城市建設的迅速發展,高層建筑愈來愈多,采用常規的墊層法、灰(素)土擠密樁或類似的方法已不能滿足設計要求,強夯法受環境影響無法實施,預浸水法受施工條件和經濟指標的限制又不適用,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,地上30層,地下2層,總高度90.9 m。結構形式為剪力墻結構,基礎形式為筏板基礎。根據巖土勘察報告,場地自上而下各主要土層的工程地質特征如下：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層粉質黏土+粉土;第⑥層粉質黏土;第⑦層粉質黏土+粉土;第⑧層粉土;第⑨層粉質黏土+粉土;第⑩層粉質黏土;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。

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

2 地基處理方案的確定

擬建建筑物按GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范分類為甲類建筑,按規范6.1.1條甲類建筑應消除地基的全部濕陷量或采用樁基礎穿透全部濕陷性土層,或將基礎設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)、強夯法(可處理的濕陷性黃土層厚度為3 m～12 m,受環境限制無法實施)、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)、預浸水法(受施工條件的限制無法實施)等,都已經無法滿足本工程的設計要求,需要另覓處理方法。現根據場地條件及建筑物的性質,有以下幾種方案,一一列出進行比較,以確定出最合理的方案。

方案一：樁基礎。

樁基礎分為鉆孔、挖孔、擠土成孔灌注樁或靜壓、打入的預制鋼筋混凝土樁。不管哪種樁基礎,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計參數的確定,其余不再贅述。

假設樁身直徑取800 mm,滿堂梅花形布置,樁筏基礎,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(樁端進入持力層的深度對于黏性土、粉土不小于2.0d)。依據GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范第5.7.5條的規定,在自重濕陷性黃土場地,除不計濕陷性黃土內的樁長按飽和狀態下的正阻力外,尚應扣除樁側的負摩擦力。樁側負摩擦力根據GB 50025-2004表5.7.5中自重濕陷量計算值大于200 mm時平均負摩擦力特征值按15 kPa考慮,樁側20 m厚的濕陷性黃土,負摩擦力為15×20=300 kPa。

根據JGJ 94-2008建筑樁基技術規范式5.3.6,即單樁豎向承載力特征值Ra估算：Ra=qpkAp+u∑qsikLi-負摩擦力=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阻力特征值)。灌注樁采用C35混凝土,樁體強度控制承載力按GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范式 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。

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

采用樁基礎的優點是：處理深度大,施工成孔容易,可操作性強,適用范圍廣。缺點是：由于不計濕陷性黃土內的樁長按飽和狀態下的正阻力外,尚應扣除樁側的負摩擦力,導致樁長很長,經濟性差。

方案二：靜壓預制樁復合地基。

復合地基和樁基礎其工作機理是有很大區別的,復合地基是部分土體被加強為增強體,由增強體和周圍地基土共同承擔荷載的地基,黃土地區因地基土有濕陷性,所以必須處理其濕陷性;而樁基礎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生濕陷,都是由于孔隙比大,干密度小所致,所以復合地基加固土的目的就是增大干密度,減小孔隙比,同時提高復合地基的承載力。

山西地區一般當土的干密度大于1.6 g/cm3時,土的濕陷性就消除了,假設一根樁承擔的加固面積為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的預制方樁,置換率m=1-1.392/1.60=0.13,假設采用樁距 1.2 m,正三角形布樁,實際置換率m=0.128,預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,樁側阻力特征值取30 kPa,樁端阻力特征值取1 000 kPa,則根據JGJ 94-2008式5.3.6 Ra=qpkAp+u∑qsikLi=1 000×π×0.22+π×0.4×30×20.5=898 kPa。預制樁采用C30混凝土,樁體強度控制承載力按GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范式 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。復合地基承載力特征值按JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范式 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,經驗算,承載力滿足設計要求,方案可行。

考慮本方案為復合地基,充分發揮樁土的共同作用,樁頂需設置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向滲入土中對地基產生不利影響,基礎邊緣外圍均設置三排護樁,護樁可采用灰(素)土擠密樁,直徑取400 mm,間距1.2 m,梅花形布置,樁長可適當減短,不必穿透全部濕陷性土層。

采用靜壓預制樁復合地基的優點是：處理深度較大,濕陷性消除徹底,適用范圍廣,經濟效益可觀。缺點是：樁入土深度范圍內局部有堅硬土層時,壓樁較困難,如確有困難可采用預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樁復合地基。

采用灰(素)土擠密樁是黃土地區行之有效的一種方法,但是用于高層建筑時,復合地基承載力特征值一般無法滿足強度要求,所以必須再結合另外的措施來提高復合地基承載力,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樁組合型復合地基其設計原理和靜壓預制樁復合地基設計原理基本一致,只是在按JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范式9.2.5初估復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小標分別為灰(素)土擠密樁、CFG樁相應的各項參數。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濕陷性黃土地區建筑規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樁處理地基的優點是：施工工藝簡單,經濟效益可觀。缺點是：處理深度不大,濕陷性消除不夠徹底,需兩次施工工序。

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

3 結語

采用靜壓預制樁在濕陷性黃土地區,且作為復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量好,施工無噪聲,施工進度快,與其他地基處理方法相比有一定的優勢。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基處理技術規范[S].

[2] GB 50025-2004,濕陷性黃土地區建筑規范[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.