地基處理方案的優(yōu)化研究

強宇明 楊玲霞

（陜西工商職業(yè)學(xué)院， 陜西 西安 710119）

1 工程概況

1.1 場址概述

本工程場址位于新疆巴楚縣，地勢平坦。

1.2 主要建筑物設(shè)計情況

主要建筑為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的單層工業(yè)廠房。最大跨度 27m，廠房柱距為9m，吊車梁軌頂標高為25m，屋架下弦標高為28m。本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為8度。

1.3 地形地貌條件

場區(qū)地貌上屬湖相沉積平原，地勢較平坦、開闊，總的地勢呈北高南低、西高東低，坡降2‰左右，地面海拔高程在1115m～1116m。

1.4 地層巖性特征

區(qū)域內(nèi)主要分布的是第四紀沉積層，厚度較大，地表以下100m范圍內(nèi)主要為第四系晚期以來堆積的粉土和粉細砂層，地下水埋深在-0.5～-3.0m，易發(fā)生砂土液化，由于地處暖溫帶大陸型干旱氣候帶，土層鹽堿化嚴重，地表廣布灰白色鹽殼。

1.5 地基土的物理力學(xué)性質(zhì)

40m深度內(nèi)的場區(qū)主要地層分述如下：

①粉質(zhì)粘土：灰黃色，稍濕～很濕；硬～可塑～軟塑，有薄層粉砂夾層；刀切面光滑，稍有光澤，韌性及干強度中等。該層分布連續(xù)，層厚3～8m之間。該層現(xiàn)場標準貫入試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計個數(shù)85個，經(jīng)統(tǒng)計分析后，標貫修正擊數(shù)最大值為19.8擊，最小值為8擊，平均值為13擊。

②粉細砂：灰黃色，濕～飽和，松散～稍密；局部夾有薄層粉質(zhì)粘土，底部見有輕微膠結(jié)現(xiàn)象。層厚1.2～13.6m之間。該層現(xiàn)場標準貫入試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計個數(shù)153個，經(jīng)統(tǒng)計分析后，標貫修正擊數(shù)最大值為29.5擊，最小值為10.7擊，平均值為20.2擊。

③粉細砂：灰黃色、青灰色、灰綠色，飽和狀態(tài)，中密～密實狀態(tài)，主要成分為石英、云母、長石及少許云母碎片，局部夾有10-20cm薄層粉質(zhì)粘土，下部呈輕微膠結(jié)狀態(tài)，該層場區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定、連續(xù)。該層現(xiàn)場標準貫入試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計個數(shù)204個，經(jīng)統(tǒng)計分析后，標貫修正擊數(shù)最大值為39.2擊，最小值為18.8擊，平均值為27.5擊。

其主要巖土各層物理力學(xué)指標根據(jù)本次原位測試、室內(nèi)土工試驗、地區(qū)經(jīng)驗綜合確定建議值：

①粉質(zhì)粘土：fak＝130kPa，Ck=11kPa，φk＝28o，γ=18kN/m3Es=10.5MPa E0=9.5MPa

②粉細砂：fak＝150kPa，φk＝18o，γ=18kN/m3Es=10MPa

③粉細砂：fak＝220kPa，φk＝18o，γ=19kN/m3， Es=13MPa

1.6 地下水條件

場區(qū)內(nèi)地下水屬于地下潛水，水量較大，埋深在-2.5～-3.0m之間，相應(yīng)高程在地下水梯度與地面坡度基本一致。水位受季節(jié)影響具有一定變化，年變幅為0.5～1.0m。

1.7 不良地質(zhì)作用

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查了解及已掌握的有關(guān)勘測資料，場區(qū)存在的不良地質(zhì)作用主要為場地土的濕陷性和場地土的地震液化。

1.8 場區(qū)水、土腐蝕性

1）根據(jù)本次現(xiàn)場踏勘及勘探結(jié)果，場區(qū)內(nèi)地下水埋深在-2.5～-3.0之間，根據(jù)本區(qū)的工程經(jīng)驗，該地區(qū)地下水年變幅在0.5～1m之間，年最高水位在-1.5m左右，根據(jù)本工程可研階段水質(zhì)分析結(jié)果：水對混凝土結(jié)構(gòu)有強腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有強腐蝕性。

2）根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001 2009年版）判定場地鹽漬土類型以中等硫酸、中等亞硫酸鹽漬土為主；場區(qū)環(huán)境類別為Ⅰ類，地基土對混凝土結(jié)構(gòu)有強腐蝕性；對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有強腐蝕性；對鋼結(jié)構(gòu)有強腐蝕性。

1.9 場址地震構(gòu)造及穩(wěn)定性評價

在地質(zhì)構(gòu)造單元上，近場區(qū)主要包括了柯坪推覆構(gòu)造的南緣和巴楚斷隆兩個構(gòu)造單元，兩者之間大致以柯坪斷層為界。

擬選場址地貌上處位于天山南麓及塔里木盆地西北緣的喀什噶爾河和葉爾羌河沖洪積平原上，地形開闊平坦。場地土層等效剪切波速231～238m/s，覆蓋層厚度約為93m，屬中軟土，場地類別為Ⅲ類。場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有活動斷層通過，不存在地震斷層對地表造成構(gòu)造錯位的可能性。由鉆探揭示，覆蓋層厚度范圍內(nèi)存在可液化的砂土。

2 本工程地基方案的擬定

根據(jù)勘察結(jié)果，在勘探深度40m范圍內(nèi)的巖土地層中對地基方案有影響的主要為粉質(zhì)粘土、粉細砂，地層多屬中等壓縮性土，不宜作為主要建筑物的天然持力層，從場區(qū)地基土的強度、抗變形能力和分布規(guī)律來分析，本項目主要建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計為甲級，它們對地基承載力、沉降及不均勻沉降均有較高的要求，因此天然地基土在不滿足其要求的情況下，必須采用人工地基方案。

結(jié)合項目結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)設(shè)計的要求，以及所在地類似工程經(jīng)驗和地基處理材料來源情況，振沖碎石樁基礎(chǔ)、換填法和CFG粉煤灰碎石樁基礎(chǔ)對于本工程都具有可行性。

2.1 地基處理方案技術(shù)論述

1）換填法

換填法對淺層地基處理效果明顯，對深層的地基處理能力有限，一般換填處理深度控制在 3米以內(nèi)較為經(jīng)濟合理。另外，基坑開挖較深，需考慮降水費用和坑壁放坡對周邊的影響。

2）振沖碎石樁復(fù)合地基

根據(jù)場址的地層巖土特點和當(dāng)?shù)厣奥训[石儲量比較豐富、運距又較近的情況，和其它地基處理方案相比，此方案還有造價低，施工方便，具有明顯的經(jīng)濟效益。

本工程進行了振沖碎石樁試驗：實驗結(jié)果為樁體密實，樁間土性能有所提高， 2.0m樁間距復(fù)合地基承載力265kPa，2.8m樁間距承載力220kPa。并部分消除了樁間土液化作用。

另外，振沖碎石樁樁體材料為碎石、卵石、礦渣或其他性能穩(wěn)定的硬質(zhì)材料，可以降低整個地基處理工程的造價，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

3）水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）

CFG樁樁身強度高，可保證樁長較大時，全樁長發(fā)揮作用，充分利用土對樁的側(cè)阻力、端阻力，不會像柔性樁、低強度樁一樣受“有效樁長”的限制。因此CFG樁復(fù)合地基設(shè)計時，可以根據(jù)需要，靈活調(diào)整樁距和樁長，由此形成的復(fù)合地基承載力的提高幅度可達2～3倍或更高，就土性而言，該種樁型，適應(yīng)于處理粘性土、砂土、人工填土、淤泥質(zhì)土地基。既可用于擠密效果好的土，又可用于擠密效果差的土。

CFG樁常采用振動沉管法施工，樁徑一般設(shè)計為350～600mm，樁距應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求的復(fù)合地基承載力、巖土性質(zhì)、施工工藝等確定，一般為3～5倍的樁徑。CFG樁布置時可只在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布樁，大面積滿堂處理時，宜采用等邊三角形布置，樁距可適當(dāng)放大，對單獨基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)，宜用正方形、矩形或等腰三角形布置，樁距應(yīng)小些。

實際工程中，CFG樁絕對沉降量在復(fù)合地基中是最小的幾種形式之一。此外由于有褥墊層的變形協(xié)調(diào)作用，基礎(chǔ)的局部傾斜、相鄰柱基的沉降差也得以減小。因此其沉降量和差異沉降量控制效果較好。

4）碎石振沖樁復(fù)合地基上加碎石碾壓墊層方案

結(jié)合本工程的實際情況，需要復(fù)合地基的承載力特征值達到 300kPa，所以建議采用碎石振沖樁復(fù)合地基上加碎石碾壓墊層的方案，設(shè)計褥墊層厚度為2-3米，將碎石振沖樁作為碎石碾壓墊層的下臥層考慮。

此方案將兩種地基處理方案進行組合，是地基處理中常見的一種思路。此方案技術(shù)安全可靠，工程量雖然略有增加，但由于項目所在地地基處理材料來源方便，經(jīng)濟性明顯優(yōu)于其它方案，可以認為是振沖碎石樁方案的一種延伸。

2.2 地基處理方案技術(shù)經(jīng)濟比選

由于本地區(qū)地震烈度為 8度，建筑場地類別為Ⅲ類，場地土為軟弱土，主廠房、煙囪等乙類建（構(gòu)）筑物的抗液化措施是按照全部消除液化沉陷或部分消除液化沉陷且對基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理。

本工程曾考慮過若采用混凝土灌注樁的方案，并將混凝土灌注樁、振沖碎石樁復(fù)合地基、CFG樁的方案做過經(jīng)濟比較。

若采用樁徑800mm的混凝土灌注樁，樁端持力層采用③粉細砂，單樁承載力估算可達2000-3000KN，預(yù)估樁長22～25米。共需樁數(shù)約1750根，單價按照 1200元/米3計價，主場房樁基工程造價約 2800萬。同時考慮防腐措施，造價還要大幅提高。

振沖碎石樁復(fù)合地基：振沖碎石樁設(shè)計樁長為12m，樁徑1.0m，樁間距2.0m，三角形布樁，基底的碎石墊層厚度為 0.5m，處理后的地基承載力估算約為300kPa。單價按照260元/米3計價，主場房碎石樁復(fù)合地基工程造價約1788萬。

CFG樁的技術(shù)性能和造價均介于二者之間，設(shè)計參數(shù)同振沖碎石樁，按照單價600元/米3計價, 主場房復(fù)合地基工程造價約2713萬。

表1 主場房地基處理費用估算表

注：以上CFG樁和灌注樁未計列抗硫酸鹽水泥的市場價格波動，暫按普通水泥計列。

綜合考慮技術(shù)性和經(jīng)濟性的因素，碎石振沖樁性能最好。當(dāng)考慮到本場地存在對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性，混凝土灌注樁、CFG樁造價偏高，工期長，性價比較振沖碎石樁偏低。振沖碎石樁取材方便，施工簡單，對于主要建（構(gòu)）筑物，通過與碎石碾壓墊層進行方案組合作為振沖碎石樁方案的延伸，完全可以滿足基礎(chǔ)設(shè)計要求。

2.3 地基處理推薦方案

由以上討論可知，振沖碎石樁、CFG樁、均能滿足本工程主要建筑物對地基承載力的要求，但是振沖碎石樁施工簡便，經(jīng)濟性最好，而且更適合于液化土地基，單與CFG樁方案相比，節(jié)約投資約900多萬，如果考慮強腐蝕土地區(qū)地下均采用抗硫酸鹽水泥，那節(jié)約的費用應(yīng)該在千萬元以上，所以根據(jù)本工程的場地特點，主廠房等主要建筑物的地基處理方案推薦采用振沖碎石樁處理方案。

3 結(jié)論和建議

在地基處理方案擬定前，應(yīng)做好以下工作：

1）對于軟弱土地基處理方案，必須依據(jù)工程巖土勘察報告，認真分析建（構(gòu)）筑物范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)及其均勻性，了解各巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)以及土的工程特性指標。

2）必須掌握地下水埋藏情況、類型和水位變化幅度及規(guī)律，以及對建筑材料的抗腐蝕性能；了解抗震設(shè)防區(qū)應(yīng)劃分場地土類型和場地類別，飽和砂土及粉土的液化判別結(jié)論。

3）應(yīng)了解是否存在不良地質(zhì)條件如軟弱土、濕陷性黃土、鹽漬土、膨脹土、腐蝕性土、溶洞與土洞、凍土、液化土、較厚的雜填土及吹填土等。

4）根據(jù)不同建(構(gòu))筑物的重要性、荷載的大小、基礎(chǔ)的埋置深度以及沉降要求的不同，考慮采用不同的地基處理方案。

在了解工程地質(zhì)條件的相關(guān)要素后，還要了解本地區(qū)及鄰近區(qū)域建筑物地基處理的成功經(jīng)驗；了解可用于地基處理的材料供應(yīng)能力及價格。然后對擬選方案通過理論計算和原體試驗檢測。通過經(jīng)濟技術(shù)比較，必要時組織審查會，聽取專家意見。