某覆蓋型巖溶地質(zhì)條件下多元復(fù)合地基處理

邱維衍

(1.福建省巖土與環(huán)境企業(yè)工程技術(shù)研究中心； 2.福建永強(qiáng)巖土股份有限公司 福建龍巖 364000)

某覆蓋型巖溶地質(zhì)條件下多元復(fù)合地基處理

邱維衍1，2

(1.福建省巖土與環(huán)境企業(yè)工程技術(shù)研究中心； 2.福建永強(qiáng)巖土股份有限公司 福建龍巖 364000)

結(jié)合工程實(shí)例，在分析其地質(zhì)基礎(chǔ)上，對(duì)同一建筑采用多元復(fù)合地基處理進(jìn)行數(shù)值分析和應(yīng)用，處理效果好。工程實(shí)踐表明：在覆蓋型巖溶地區(qū)，局部分布工程性質(zhì)較好覆蓋層(如卵石、碎石、砂層等)，溶洞有一定埋置深度，可充分利用覆蓋層的承載能力進(jìn)行地基處理而無(wú)需采用樁基礎(chǔ)穿過(guò)深埋溶洞、土洞，保證質(zhì)量、工期，節(jié)約造價(jià)。

覆蓋型巖溶；多元復(fù)合地基；PLAXIS；應(yīng)用

0 引言

在巖溶地區(qū)，基巖內(nèi)部廣泛分布大小、形狀、分布各異的各種溶洞，破壞了巖土體的連續(xù)性與均一性[1]。溶洞的分布常常導(dǎo)致巖溶地區(qū)地基力學(xué)性能在空間上不均勻，引起地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動(dòng)和塌陷等地基變形破壞[2]。覆蓋型巖溶是指被松散堆積物覆蓋的巖溶，但局部分布工程性質(zhì)較好覆蓋層(如卵石、礫石、碎石、砂層、含碎石和角礫粘性土層等)，溶洞有一定埋深地段，可充分利用覆蓋土層的承載能力進(jìn)行地基處理而無(wú)需采用樁基礎(chǔ)穿過(guò)溶洞，相比采用樁基礎(chǔ)更節(jié)約造價(jià)。但巖溶地區(qū)往往同一場(chǎng)地、同一建筑的土層性質(zhì)差異性大，基巖起伏較大，因此，可考慮采用多種樁型地基處理方式，充分發(fā)揮土層承載力優(yōu)勢(shì)。

本文結(jié)合典型的覆蓋型巖溶地區(qū)工程建立多元復(fù)合地基處理數(shù)值分析模型，為工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考，并進(jìn)行了施工后驗(yàn)證檢測(cè),為類(lèi)似地質(zhì)工程項(xiàng)目復(fù)合地基的選型和設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

龍巖某工程為混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，主樓23層，附樓16層，建筑面積3 8000m2。該工程場(chǎng)地為覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶上覆蓋層厚度約15m～20m，分布雜填土、耕植土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、圓礫、含卵石圓礫粉質(zhì)粘土、含碎石角礫粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化石灰?guī)r。其中，局部卵石、圓礫層、含碎石角礫粉質(zhì)粘土工程性質(zhì)較好，且有一定厚度，下臥中風(fēng)化石灰?guī)r溶洞發(fā)育，溶洞埋深達(dá)40m以上。

該項(xiàng)目如采用樁基礎(chǔ)需穿過(guò)深埋溶洞，樁較長(zhǎng)，造價(jià)高，施工難度大。考慮到覆蓋層分布工程性質(zhì)較好的土層，故考慮采用地基處理。初步設(shè)計(jì)采用樁徑400mm靜壓沉管CFG樁，計(jì)算樁間距1.3m×1.3m。

由于主樓局部中風(fēng)化石灰?guī)r巖面標(biāo)高較高，為避免CFG樁有效樁長(zhǎng)小于6m，導(dǎo)致復(fù)合地基承載力不足，故設(shè)計(jì)在4根CFG樁中心補(bǔ)1根樁徑500mm旋噴樁，進(jìn)入持力層中風(fēng)化石灰?guī)r1.6m。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15，設(shè)計(jì)單樁承載力特征值均為300kN，形成多元復(fù)合地基。要求主樓處理后復(fù)合地基承載力特征值達(dá)300kPa以上。本文則通過(guò)選取主樓進(jìn)行PLAXIS建模分析多元復(fù)合地基的承載力和荷載承擔(dān)比例情況。

2 分析模型建立與參數(shù)選擇

2.1幾何模型

本次數(shù)值分析模型范圍限制在邊長(zhǎng)為12m的矩形內(nèi)，各個(gè)樁的布置為居中布置于模型中央，加載寬度為3.6m×3.6m。樁位布置圖如圖1所示。

根據(jù)所提供的地勘報(bào)告選取典型土層：圓礫(0.6m)、含碎石角礫粉質(zhì)黏土(5.2m)、中風(fēng)化花崗巖(5.0m)為例建模。土層采用PLAXIS中HS模型， HS模型適合于多種土類(lèi)(軟土和較硬土層)的破壞和變形行為的描述[3]，并且適合于巖土工程中的多種應(yīng)用，如堤壩填筑、地基承載力、邊坡穩(wěn)定分析及基坑開(kāi)挖等[4]。

圖1 樁位布置圖

該工程主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件：CFG樁、旋噴樁和筏板，其中CFG樁和旋噴樁使用PLAXIS特有的Embedded樁單元進(jìn)行模擬，筏板基礎(chǔ)使用板單元進(jìn)行模擬。根據(jù)勘察報(bào)告提供的物理力學(xué)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)取值，提出土體本構(gòu)關(guān)系所需參數(shù)，土層考慮排水條件，不考慮超孔隙水壓力的作用，如表1所示。兩種樁型和筏板的參數(shù)如表2～表3所示。

表1 各土層模型參數(shù)

表2 樁模型參數(shù)

表3 筏板基礎(chǔ)模型參數(shù)

2.2網(wǎng)格劃分

本次模型整體網(wǎng)格疏密度設(shè)定為中等密度，在整體疏密度的基礎(chǔ)上，將對(duì)樁體、褥墊層及其周?chē)馏w進(jìn)行加密，樁體及其周?chē)馏w的加密系數(shù)取為0.25，褥墊層加密系數(shù)取為0.5，不同加密系數(shù)對(duì)應(yīng)的單元將顯示不同顏色予以區(qū)分，最終的網(wǎng)格劃分如圖2～圖3所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖 圖3 網(wǎng)格劃分圖(樁側(cè)土體隱藏)

3 承載力計(jì)算結(jié)果分析

(1)復(fù)合地基荷載沉降關(guān)系

通過(guò)對(duì)模型按0～800kPa施加分級(jí)均布荷載，可以得到復(fù)合樁基的-曲線(xiàn)，其中沉降為筏板的平均沉降。

圖4 復(fù)合地基沉降Q-S曲線(xiàn)圖

從圖4Q-S曲線(xiàn)中可以看出，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)B.0.10[5]，取s/b=0.008對(duì)應(yīng)荷載為地基承載力特征值，b取值2.0m，則其承載力特征值為fak=305kPa～320kPa，能滿(mǎn)足處理后達(dá)到300kPa的設(shè)計(jì)要求。

(2)樁土荷載分擔(dān)分析

為了分析兩種樁型的對(duì)復(fù)合地基承載力的貢獻(xiàn)，提取CFG樁與旋噴樁的樁頂荷載數(shù)據(jù)。圖5表明，兩種樁頂荷載的變化規(guī)律一致，隨著荷載的增大而增大，但增大幅度減小。但由于CFG樁剛度較大，故CFG樁所承擔(dān)荷載較大。從圖6中可以看出，旋噴樁荷載分擔(dān)比例穩(wěn)定在15%～20%左右，CFG樁荷載分擔(dān)比例穩(wěn)定在40%～48%左右，土體的荷載分擔(dān)比例為35%～40%，能夠較好地發(fā)揮各自承載能力。隨著總荷載的增大，旋噴樁的荷載分擔(dān)比例呈現(xiàn)緩慢上升，土體分擔(dān)比例也隨之增加，這兩個(gè)因素導(dǎo)致CFG樁的荷載分擔(dān)比例有所減小，使CFG樁能克服有效樁長(zhǎng)較短的缺陷，有利于提高復(fù)合地基整體承載能力。

圖5 樁頂荷載對(duì)比圖

圖6 樁土荷載分擔(dān)分析圖

4 多元復(fù)合地基應(yīng)用

4.1復(fù)合地基設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目先對(duì)場(chǎng)地淺層溶洞進(jìn)行低壓注復(fù)合漿液充填處理，配合比為水泥∶粉煤灰∶重鈣粉=1∶1∶1，水灰比為0.45。地基處理設(shè)計(jì)樁徑400mmCFG樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15，單樁承載力特征值300kN，平均有效樁長(zhǎng)約9m。同時(shí)對(duì)灰?guī)r面較淺區(qū)域，補(bǔ)充樁徑500mm的高壓旋噴樁，旋噴樁單樁承載力特征值300kN，持力層為中風(fēng)化石灰?guī)r，施工時(shí)采用XY-100工程勘察鉆機(jī)進(jìn)行引孔施工，平均有效樁長(zhǎng)約16m。主樓要求處理后復(fù)合地基承載力特征值為300kPa，設(shè)計(jì)樁間距1.3m×1.3m。

4.2復(fù)合地基承載力檢測(cè)

完工后分別對(duì)CFG樁和旋噴樁的復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)溶洞注漿進(jìn)行鉆芯檢測(cè)。同時(shí)，竣工后對(duì)建筑物進(jìn)行了沉降觀(guān)測(cè)，處理后地基承載力特征值達(dá)到315kPa，溶洞充填注漿飽滿(mǎn)，注漿固結(jié)體標(biāo)貫滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。其竣工后沉降差僅為5.7mm，沉降差異小，處理效果好。具體數(shù)值如表4所示。

表4 復(fù)合地基靜載試驗(yàn)及竣工后沉降觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)針對(duì)該項(xiàng)目主樓場(chǎng)地基巖埋深較淺，上部覆蓋層較薄地段，為避免CFG樁有效樁長(zhǎng)過(guò)小(小于6m)，影響復(fù)合地基承載力，補(bǔ)充高壓旋噴樁，確保復(fù)合地基承載力能滿(mǎn)足要求。該工程項(xiàng)目成功實(shí)施表明，在覆蓋型巖溶地區(qū)，覆蓋層分布工程性質(zhì)較好土層，巖溶埋置較深區(qū)域，可考慮采用地基處理方法。如單一地基處理難保障處理效果時(shí),可采用多元復(fù)合地基處理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用有限元方法建立多元復(fù)合地基加載模型，最大限度地發(fā)揮各樁型及地基土承載力的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約工程造價(jià)、縮短工期的目的。

(2)本文僅是針對(duì)特定工程項(xiàng)目的地質(zhì)情況進(jìn)行數(shù)值分析，可作為多元復(fù)合地基處理方案的一種分析方法的選擇，對(duì)類(lèi)似工程基礎(chǔ)選型、設(shè)計(jì)可作為一個(gè)參考選項(xiàng)。同時(shí)，由于巖溶地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜多變，地基穩(wěn)定性往往受到眾多因素影響，如覆蓋層厚度變化、巖溶分布情況、溶洞大小及埋深、地下水分布、基巖面產(chǎn)狀等。因此，在工程實(shí)踐中，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘察和調(diào)查工作，充分考慮工程項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和實(shí)施，以確保工程質(zhì)量和安全。

[1] 羅愛(ài)忠.貴州巖溶地區(qū)基礎(chǔ)類(lèi)型選擇的探討[J].山西建筑，2010(36)：75-76.

[2] 黃俊光，方引晴，袁尚紅，等.巖溶地區(qū)地基基礎(chǔ)處理的幾個(gè)問(wèn)題分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(05):74-77.

[3] BRINKGREVE R B J.Selection of soil models and parameters for geotechnical engineering application.In: Soil Constitutive Models[C]/Proceedings of the Sessions of the Geo-Frontiers 2005 Congress,ASCE,Austin,Texas:[s.n.],2005:69-98.

[4] 徐中華，王衛(wèi)東.敏感環(huán)境下基坑數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型的選擇[J].巖土力學(xué),2010(31)：258-264，326.

[5] JGJ79-2012 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

Themulti-elementcompositefoundationtreatmentinacoveredkarstarea

QIUWeiyan1,2

(1.Geotechnical and Environmental Enterprise Engineering Technology Research Center of Fujian province;2.Fujian Yongqiang Geotechnical Co.,Ltd,Longyan 3264000)

In this paper, the numerical analysis and application of the multi-element composite foundation for the same building are carried out based on the analysis of its geological basis,,and the treatment effect is good. The engineering practice shows that : in covered karst area, it can make full use of the bearing capacity of the foundation layer without the use of pile foundation through deep buried cave, soil cave, where the good engineering properties covering layers(such as pebbles, gravel, sand, etc.) are distributed ,and the cave has certain depth, to ensure quality, duration, cost savings.

Covered karst; Multi-element composite foundation; PLAXIS; Application

TU47

A

1004-6135(2017)10-0057-04

邱維衍(1972.10- )，男。

E-mail:yqytqwy@163.com

2017-06-30