多種地基處理形式聯合設計方法的應用研究

黃河，馮雁波，楊鵬，簡廷新，繆俊

（中建二局第一建筑工程有限公司，廣東深圳518000）

1 引言

工程建設階段，地基處理效果關系著整個建筑的質量安全、使用壽命長短。科學的地基處理施工一定要滿足上部結構對地基基礎提出的要求。近些年，我國建筑行業蓬勃發展，各種新工藝、新技術陸續被開發。地基處理是一門實踐性很強的技術，現實應用中應結合地層、承載力的差異，變形要求，施工場區條件等進行選擇。各種地基處理技術均有優有弊，在建設一些工程項目時，組合使用不同地基處理方法，能優化基礎建設效果，協助施工方節省工程成本，加速建設進程。

2 工程概況

本工程是以高層商業樓，建筑物地下、地上分別有1層、18層，建筑高49.5 m，選用了框架剪力墻結構，建設了筏板基礎，基底絕對標高56.90 m，地基承載力設計要求≥250 kPa。

施工場地地面標高52.62～56.93 m，基礎持力層范疇不均勻分布：①層人工堆積而成的黏質粉土填土、①1層房渣土、②層黏質粉土與砂質粉土、④層為碎石、⑤1層分布著侏羅系強風化-中風化火山角礫巖。

擬建建筑物各位置對地基變形的要求如下：地基最終沉降量≤30 mm，傾斜≤2°，條基和室內地坪板之間的差異沉降≤10 mm。

3 地基處理設計方案

3.1 方案概述

換填墊層、CFG樁、碎石樁復合地基及強夯法等均是當下施工方處理地基時的常用工法。碎石樁能促進地基土固結過程，但無法大幅度提高地基承載力；CFG樁能彌補碎石樁的不足，但不能對地基土起到較明顯的固結作用；換填墊層工法在荷載較小的建筑體、地坪、道路工程等的地基處理領域中有較廣泛的應用，處理成效較理想，能創造一定的經濟效益；強夯法能明顯提升軟弱地基的承載能力，在100～200 t/m夯實能量的作用下，通常能獲得3～6 m的有效夯實深度。

從經濟性、技術性2個方面對比不同地基處理工法的優缺點，本工程決定聯合使用CFG樁、碎石樁、換填墊層及強夯法處理地基，具體操作如下[1]：

1）停車樓、車間、辦公樓、餐廳處應用CFG樁復合地基處理，有助于增強地基承載力，管控建筑物的變形問題。

2）車間地坪板之下用擴孔碎石樁復合地基處理，增強地坪板范疇承載能力，減少車間各處不均勻變形。

3）基于不同載荷要求，應用配比有差異的灰土換填墊層、強夯法工法處理建筑不同位置基底之上及地坪板范疇，不僅能提升地基承載能力，還能精準地控制沉降差問題。

3.2 CFG樁復合地基設計

1）挖方：當基巖面標高＞55.00 m時，以55.00 m為標準控制挖方底標高；若基巖面標高≤55.00 m，基于基巖面控制挖方底標高。基礎范疇中填土①層、①1層，要整體挖除，直至見原狀土層。

2）CFG樁地基加固：針對部分基巖埋深偏深的位置，在土方挖掘工序結束后，加強對施工作業CFG樁的變形控制。樁徑400 mm，樁中心距1.4 m×1.4 m，作業樁長5.0～6.5 m。作業樁長進到⑤1層的強風化基巖或④層碎石的深度≥50㎝，確保有效樁長≥4.0 m。混凝土強度等級C15。布樁范疇是以30號鉆孔為限以東的區域，施工場區驗槽確定地基土層是②層粉質黏土的范疇。

3.3 碎石樁復合地基

為確保本工程車間基礎與地坪板的差異沉降量符合設計要求，應用柱錘夯擴碎石樁法處理車間地基。碎石樁的主要參數設計情況如下：樁身材料：粒徑20～50 mm碎石，樁徑540 mm，樁間距1.50 m×1.50 m，保護/有效樁長1.0 m/4.50 m，設計樁長5.4 m，樁頂相對標高-1.0 m，地坪板墊層底/施工作業面相對標高90.3/±0.000 m。

3.4 換填墊層設計

因為地坪板的不同位置的載荷要求存在著差異，為更好地滿足建筑體不同位置沉降差＜10 mm的設計要求，于獨立基礎上部、條形及周圍無基礎地坪板范疇中，按照荷載設計要求分別用1∶9或2∶8灰土換填墊層的方法處理地基，進而更好地控制建筑體差異沉降情況[2]。

3.5 強夯法

這種地基施工技術處理以石土、碎砂石、粉土及飽和度偏低的黏性土、素填土等為主。具體應用時，其配合應用起重機設備，把10～25 t大噸位夯錘提升到與地面相距10～25 m的高度，隨后使其自由下落，結合其自由落體過程中生成的強大夯擊能、沖擊波共同夯實建筑地基。通過反復采用以上操作，能明顯提高地基土質的密實度，增強其承載能力，使地基更加穩定。在具體強夯施工前，要指派工人探查現場地質狀況，針對存有砂卵石石夾層的標段要適度提升夯擊能量，遇到障礙物時要及時清除掉；對于錘重、落距、夯擊遍數等參數，強夯前要通過試夯、測試的方法設計；兩遍強夯操作要間隔一定時間，地質條件較好且沒有地下水的土層，時間間隔可以為1～2 d，如果是黏土或者沖擊土，通常設定為3 d。

4 建筑工程沉降量分析

4.1 測算工具箱中心點沉降量

具體是依照現行規范要求，利用分層總和法進行測算分析。本建筑工程結合現有規范標準[3]依次計算了建筑物地坪板、換填墊層、獨立及筏板基礎等位置的中心點沉降情況。具體測算結果被統計在表1內[4]。

表1 沉降量計算結果統計

4.2 MI DAS-GTSNX地基沉降數值分析

4.2.1 建模

1）模型范疇

本工程項目結合有關設計圖紙對建筑整個區域進行三維立體建模，場區地層、獨立及條形基礎、換填墊層、碎石樁、CFG樁等均是模型單元。

2）網格規劃

具體是應用四面體單元劃分了施工場區地層及基礎部分，而對碎石樁、CFG樁運用一維梁單元，樁、樁端單元分別進行網格劃分。

3）材料本構模型

為基礎單元配置了線彈性材料本構模型，且賦予了相對應的鋼筋混凝土強度等級參數；下方敷設的碎石樁、CFG樁統一應用了線彈性材料本構模型，并且參照樁體強度的差異性賦予相對應的參數[5]。摩爾-庫倫模型仿真模擬了原狀土層、換填土，嚴格依照工程建設前期形成的勘察報告與地基處置設計方案測算出各土層對應的參數。

4）邊界與荷載條件

約束模型周邊的有限土體X、Y向的位移情況；地面是鉸支座，為樁單元統一施加旋轉進行約束。關于荷載條件相關問題，將自體持有的重力施加給整個模型，基礎上施加了相對應的結構荷載，合理設計了地面超載的程度。

5）模擬工況

在本模型內共計布置了如下5個工況[6]：

工況Ⅰ：激活了開挖施工前的原狀土體，科學分析其初始應力，并且對形成的位移量進行清零；

工況Ⅱ：碎石樁與局部樁施工作業時，同步開挖處理施工場區南北兩部分；

工況Ⅲ：場地南北2部分與筏板基礎的CFG復合樁施工；工況Ⅳ：基礎施作以及換填操作；

工況Ⅴ：整體分析施用結構以及地坪荷載，并且還要考慮、重視后續工程結構與室內地坪各自的沉降值及差異性沉降情況。

4.2.2 分析結果

總結本次計算分析情況，利用有限元計算方法模擬了推行聯合地基處理方案后，不同建筑物基礎各自的沉降量以及室內地坪的沉降量。具體結果如下：

基礎底地基、地坪板的最后沉降量分別是5.22～15.8 mm、3.50～15.50 mm，辦公樓（C區）是出現最大沉降量的位置。

參照以上模擬計算所得結果，可以認定地基沉降量符合其處理后各位置地基沉降量≤30 mm，不同區域差異沉降量＜10 mm的設計要求。利用數據證實，應用多種地基處理技術聯合設計的方法具有較高的可行性，能較好地符合工程設計要求。

4.3 2種計算和實測值的比較分析

對比結果如圖1所示[7]。

圖1 建筑物沉降量的對比圖

觀察圖1不難發現，利用規范計算法、MIDAS-UTSNX 軟件計算所得的建筑物最大沉降量分別是16.79～29.73 mm、13.00～16.71 mm，而施工場區內實測到建筑物的最大沉降量是6.11～17.91 mm。圖1內停車樓、車間、餐廳位置應用規范計算法計算出的沉降量值最大，其次是數值分析計算值，實測值最小，只在辦公樓一處出現了實測值高于數值分析計算結果的情況。不管應用哪種計算方法，辦公樓（C區）均是建筑物最大沉降量位置[8]。

5 結語

當建筑地基形式多樣、對地基承載能力提出的要求有差異、差異沉降要求較為嚴格時，可以聯合使用CFG樁、換填墊層及強夯法等多種地基處理技術進行設計，不僅能較明顯地提升地基承載能力，還能較好地滿足變形控制的要求。采用規范計算法、數值分析法分別計算建筑同一位置的沉降量，并對比分析測算值與實測值，發現數值分析計算所得結果更貼近實測值，其更能清晰地呈現出不同節點沉降量信息，為工程設計提供科學的指導信息，在建筑行業內可以嘗試普及使用。