一種實用且經(jīng)濟(jì)的處理大面積軟土地基方法

鄭建偉

(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院有限公司石家莊設(shè)計院，河北石家莊 050021)

0 引言

近幾年來，參加了許多坐落在沿江及沿海等大面積軟弱土地基上的冶金工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些工程的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，其地表除一層雜填土或耕植土外，下部均有較厚的軟土地層，深淺不一。堅實的持力層，比如砂層、礫石層、巖層、風(fēng)化巖層埋藏較深。原料堆場要求地基承載力較高，一般天然地基很難滿足承載力要求，必須對較軟弱土層進(jìn)行地基處理，才能有效地作為上部結(jié)構(gòu)的地基持力層。地基加固處理的方法有很多種，大能級強夯置換法相比砂石樁置換法、真空降水+強夯擠密法、CFG樁法等，具有很多優(yōu)勢，該方法因地制宜，就地取材，經(jīng)濟(jì)合理，綜合造價低，地基處理效果明顯，現(xiàn)結(jié)合具體工程詳述如下。

1 工程概況

擬建某鋼鐵公司位于長江流域，原料堆場部分要求地基承載力特征值不小于250 kPa，根據(jù)巖土工程勘察報告，原料堆場區(qū)域的持力層地基承載力特征值為80 kPa～120 kPa左右，場地必須進(jìn)行地基處理，才能滿足上部結(jié)構(gòu)的受力要求，并且處理后地基不能發(fā)生大面積滑動失穩(wěn)，并適當(dāng)控制沉降量，原料堆場的處理面積約為22萬m2。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探原位測試及土工試驗成果綜合分析，擬建場地土地層其土體結(jié)構(gòu)與特征自上而下描述如下:

第①層雜填土:雜～灰黃色，稍濕，呈松散～中密狀態(tài)。含少量磚塊、碎石及粘性土。層厚0.40 m～1.90 m，松散狀態(tài)，土質(zhì)不均勻，無建筑意義。

第②層粉質(zhì)粘土:灰、灰黃色，濕，可塑狀態(tài)。層厚0.50 m～3.60 m，土層壓縮模量為4.77 MPa，屬高壓縮性土，承載力特征值為100 kPa，可作為一般建筑物天然地基持力層。

第③層粉土:黃、黃灰色，濕，中密狀態(tài)。層厚0.60 m ～4.60 m。土層壓縮模量為5.25 MPa，屬高壓縮性土，承載力特征值為120 kPa。

第④層粉砂:灰色，很濕，松散狀態(tài)。層厚2.90 m～16.90 m，承載力特征值為120 kPa。

第⑤層粉砂:灰色，很濕，稍密狀態(tài)。最大揭露層厚12.70 m，最低揭露層底標(biāo)高－19.50 m，承載力特征值為150 kPa。

第⑥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:灰色，很濕～飽和，流～軟塑狀態(tài)。最大揭露層厚19.10 m，最低揭露層底標(biāo)高－30.83 m。承載力特征值為80 kPa。壓縮模量為3.43 MPa。屬高壓縮性土，承載能力低。

第⑦層粉質(zhì)粘土:灰、灰黃色，稍濕，硬塑狀態(tài)。最大揭露層厚4.70 m，最低揭露層底標(biāo)高 －33.66 m，承載力特征值為160 kPa。壓縮模量為5.15 MPa。屬低壓縮性土，具有較高承載能力。

第⑧層含圓礫中砂:青灰～淺黃色，飽和，中密～密實狀態(tài)。最大揭露層厚9.40 m，最低揭露層底標(biāo)高－42.17 m，具有較高承載能力，承載力特征值為220 kPa，壓縮模量為8.66 MPa。

擬建場地地下水為孔隙潛水。地下水位受大氣降水、周邊地表水和長江及青山河水位影響，勘察期間穩(wěn)定水位埋藏深度在－2.0 m 左右。

3 地基處理方案

3.1 方案比較

原料礦石堆場屬散料堆場，散料堆場由它自身的生產(chǎn)工藝決定堆場荷載為大面積堆載，在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力傳遞深度大、收斂慢，在軟土地基中建設(shè)該類堆場，不僅地基沉降大，而且地基的深層滑動穩(wěn)定性差，一般均需作深層的地基加固處理，以滿足堆場的使用要求。

地基加固方案一般有強夯置換法、砂石樁置換法、真空降水+強夯擠密法、CFG樁法等。

砂石樁置換法由于采用沉管成樁等施工工藝，其加固深度可滿足深層加固的要求，該法不僅有置換作用提高地基極限承載力，而且還有排水固結(jié)效應(yīng)，可使樁間土強度提高，從而顯著提高地基加固效果，但是，該加固方法綜合造價較高，施工速度較慢。

真空降水+強夯擠密法是利用強夯的沖擊能量對土層進(jìn)行擠密，對于加固地下水位高、滲透系數(shù)大于10－5以上的粉土層或砂層有很好的效果。根據(jù)本工程提供的鉆孔資料可以看出，本區(qū)域第②層粉質(zhì)粘土的滲透系數(shù)為2.5×10－7，采用真空降水+強夯擠密法施工，不適合本工程使用。

CFG樁法雖然加固深度也較大，加固效果也較顯著，但由于其加固機理主要是采用樁體作用，無排水固結(jié)效應(yīng)，不能使樁間土強度增長，在大面積、大荷載堆場地基加固中往往要采用很高的置換率，且其采用的加固材料單價較高，因此綜合造價很高，方案沒有明顯的優(yōu)越性。

強夯置換塊石墩系利用專用設(shè)備，反復(fù)將重錘提升到一定高度，并使其自由落下地基，以強大的沖擊和振動能量將塊石或碎石等粗料夯入軟弱地基中，直至到達(dá)下部良好的持力層，使土體顆粒重新排列，達(dá)到更加密實的結(jié)構(gòu)，從而提高地基的強度，降低其壓縮性，改善地基承載性能，在被加固地層中形成強夯置換墩復(fù)合地基結(jié)構(gòu)，以提高軟土地基的承載力。

強夯置換塊石墩地基處理方法，在冶金工業(yè)廠房軟土地基處理中被廣泛使用，具備處理效果明顯，施工方便，使用范圍廣泛，經(jīng)濟(jì)易行，就地取材，綜合造價較低等優(yōu)點。

3.2 大能級強夯置換塊石墩加固方案設(shè)計

本工程大能級強夯置換塊石墩，是利用特重錘巨大的夯擊能量，將滿鋪于地面的鋼渣、石料或建筑垃圾以點夯的方式夯入土中。在夯擊過程中夯坑中多次填入鋼渣或石料，重復(fù)夯擊和填鋼渣或石料，直至鋼渣或石料穿過軟土層抵達(dá)下部持力層，形成密實的鋼渣或石料墩，它可以起到置換和排水井的作用，加速土體的固結(jié)，形成置換鋼渣或石料墩與固結(jié)后軟粘土的復(fù)合地基。同時在鋼渣或石料墩頂部設(shè)置了一定厚度的經(jīng)過強夯夯實的鋼渣、石料、建筑垃圾等墊層，可以使上部結(jié)構(gòu)巨大的荷載經(jīng)過基礎(chǔ)能更均勻的通過鋼渣或石料墩傳遞到持力層上。從而由墊層、鋼渣或石料墩、樁土復(fù)合地基和下部持力層組成一座空間的框架復(fù)合傳力系統(tǒng)，以承受上部的荷載。

1)鋼渣或石料墩直徑:樁徑為1.6 m，截面積為2 m2，樁長為4 m～5 m。由于本工程場地地質(zhì)條件復(fù)雜，基底淤泥厚度不均。

2)鋼渣或石料墩間距:墩點按正三角形布置，間距為5 m。

3)復(fù)合地基的承載力:根據(jù)現(xiàn)場載荷板和現(xiàn)場取土進(jìn)行室內(nèi)實驗，確定塊石墩單樁和樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值。其計算公式為:

其中，m=d2/d2e。

等邊三角形布置:de=1.05s。

正方形布置:de=1.13s。

矩形布置:de=1.13√s1·s2。

其中，fsp，k為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值;fp，k為樁體單位截面積承載力標(biāo)準(zhǔn)值;fs，k為樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值;m為面積置換率;d為樁的直徑;de為等效影響圓的直徑;s，s1，s2分別為樁的間距、縱向間距和橫向間距。

4)復(fù)合地基的壓縮模量:按下式計算:

其中，Esp為復(fù)合土層的壓縮模量;Es為樁間土的壓縮模量;m為面積置換率;n為樁土應(yīng)力比，對粘性土可取2～4，對粉土可取1.5～3，原土強度低時取大值，反之取小值。

5)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 強夯施工參數(shù)表

6)施工設(shè)備:強夯塊石墩采用起重量為50 t的履帶式吊機作為夯擊機械，其最大起吊高度為25 m;強夯置換夯錘采用直徑為1.2 m，高度為2.27 m，錘重20 t～25 t的鑄鋼錘，最大單擊夯擊能為 600 t·m。

7)單樁停夯標(biāo)準(zhǔn):a.單樁累計夯沉量大于設(shè)計樁長的1.5倍;b.單樁累計回填料大于設(shè)計樁長乘以設(shè)計樁徑的1.3倍;c.按設(shè)計的夯擊能打滿要求的擊數(shù)，最后兩擊的夯沉量小于10 cm。

8)表面塊石墊層采用直徑為2.4 m的夯錘，以150 t·m的夯擊能量普夯一遍。

4 結(jié)語

冶金工程中的原料礦石堆場為大面積堆載，要求地基承載力較高，采用大能級強夯置換塊石墩地基處理方法，充分利用冶金工程生產(chǎn)構(gòu)成中產(chǎn)生的廢料，粗料可以采用冶煉過程中的殘留的鋼渣，以及破碎中的一些碎石料等，具有就地取材，方便實用，簡單易行，處理效果明顯等優(yōu)點，在參加設(shè)計的幾個沿海地區(qū)工程中被廣泛使用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］ JGJ 79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］ GB 50202-2002，建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.