復(fù)合地基加固處理原理及應(yīng)用

余輝云

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院,安徽 合肥 230023)

0 引 言

在天然地基加固改良處理中,通過(guò)部分置換使得土體強(qiáng)度、剛度提高,是復(fù)合地基的一種常用處理方法。經(jīng)加固處理之后,天然地基與加固后復(fù)合地基共同承擔(dān)荷載,從而間接提高了基礎(chǔ)承載力。CFG樁是復(fù)合地基的一種,主要由粉煤灰、碎石及水泥混合制成。CFG樁是一種低強(qiáng)度混凝土樁,CFG樁充分利用樁間土的承載力共同作用,將荷載傳遞到深層地基中去,具有較好的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。[1,2]

1 復(fù)合地基的工作性能[3,4]

1.1 工作原理

褥墊層是CFG 復(fù)合地基的關(guān)鍵。建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),通過(guò)褥墊層聯(lián)系樁與地基土,使得他們共同受力并共同承擔(dān)荷載。復(fù)合地基樁示意圖如圖1所示。

圖1 CFG樁復(fù)合地基示意

對(duì)于CFG 樁復(fù)合地基,褥墊層影響復(fù)合地基承載力及基礎(chǔ)的沉降量。荷載作用下,地基可以在褥墊層中發(fā)生運(yùn)動(dòng),可保證樁間土、樁體均能共同工作,而且承擔(dān)的荷載可以保持近似平衡,地基中的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了改變,從而可以提供承載力,改善變形能力。

1.2 地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算:

(1)

式中:fspk為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值;pk為CFG樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值;Ap為CFG樁單樁截面面積;λ為邊載修正系數(shù),可取為1.0～1.2;α為樁間土強(qiáng)度提高系數(shù);β為樁間土強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù),根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值,無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取為0.75～0.95;m為面積置換率;fk為天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為合肥市某住宅小區(qū)16#a、16#b樓,為一高層商住樓,16#a、16#b樓地上有32層,16#樓裙房1、2、3區(qū)為2層,地下1層,地上建筑面積為27 515 m2,地下建筑面積為1 832.5 m2,建筑高度為96.3 m,如圖2所示。設(shè)計(jì)參數(shù)按照國(guó)家規(guī)范取值。

圖2 底層建筑平面圖

3 CFG樁加固處理

3.1 地質(zhì)情況

層號(hào)巖土名稱層厚/m描述一雜填土0.34～3.7—二黏土0～1.5承載力特征值為220 kPa三黏土0.45～4.5承載力特征值為270 kPa四黏土23～27承載力特征值為280 kPa五強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖0.8～5承載力特征值為400 kPa

3.2 樁基設(shè)計(jì)

3.2.1 平面布置

16#a、16#b樓均為32層,為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)帶有2層裙房,且有一層地下室?；A(chǔ)形式為平板式筏板基礎(chǔ),具體結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算,地基承載力需求為500 kPa。因裙房層數(shù)較低,荷載較小,地基承載力需求為250 kPa。

圖3 基礎(chǔ)平面布置圖

3.2.2 技術(shù)方案

高層部分要求地基承載力為500 kPa,而根據(jù)勘探報(bào)告,第四層黏土承載力特征值為280 kPa,故不能滿足高層部分的地基承載力要求。如果按照常規(guī)設(shè)計(jì)方案來(lái)選擇基礎(chǔ),也可以實(shí)現(xiàn),但工程造價(jià)較高。如果對(duì)地基進(jìn)行處理,采用CFG樁,則可以有效降低造價(jià),CFG樁布置如圖4所示。樁的直徑為400 mm,持力層為四層土,樁長(zhǎng)為15 m。樁剖面圖如圖5所示。

圖4 CFG樁平面布置圖

圖5 CFG樁剖面圖

褥墊層的做法。本項(xiàng)目褥墊層使用的材料為硬質(zhì)巖破碎碎石,直徑為5～16 mm,整體褥墊層厚度為200 mm,且向基礎(chǔ)外側(cè)延伸,延伸的長(zhǎng)度不小于200 mm,具體做法如圖6所示。按照這個(gè)方案,計(jì)算分析結(jié)果顯示,地基承載力特征值為600 kPa,符合設(shè)計(jì)要求。[5]

圖6 坑井處褥墊層做法示意圖

本項(xiàng)目基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ),C40混凝土,墊層厚度100 mm,C20墊層混凝土。整體筏板由5個(gè)部分組成,分別為高層底部筏板1、2,裙房底部筏板3、4、5。其中,筏板1、2放在復(fù)合地基上,筏板3、4、5放于第三黏土層上。[6]根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,符合承載力要求。

3.3 CFG樁工程施工

(1) 施工定位。首先進(jìn)行放樣,定位樁機(jī),并調(diào)整好樁機(jī)高度。保證樁機(jī)的垂直度,控制好誤差。

(2) 成孔要求。要求盡量不間斷施工,鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度之后,開(kāi)始輸送混合料,同時(shí)緩慢向上提升鉆桿,控制好提升速度。

(3) 樁機(jī)移位。在兩根樁施工期間,由于可能會(huì)有多余的土,因此需要復(fù)核樁位,以保證定位不發(fā)生偏差。

4 CFG樁復(fù)合地基變形計(jì)算與檢測(cè)[7-9]

4.1 變形計(jì)算

計(jì)算公式如下:

(2)

式中:S為總沉降量;S1為加固區(qū)的變形;S2為下臥層的變形;P0為復(fù)合地基的壓力荷載值;l為樁長(zhǎng);n為土層數(shù);Esi為土的壓縮模量。根據(jù)計(jì)算,總沉降量為30.1 mm。

4.2 變形觀測(cè)

工程在施工和交付使用后的2年時(shí)間,對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和沉降觀測(cè)。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告,并參考16#a、16#b樓CFG樁有關(guān)試驗(yàn)分析,可以得出以下結(jié)論:

(1) 等到樁體滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度之后,采用隨機(jī)的方法,任意抽取10根樁進(jìn)行靜載試驗(yàn),承載力特征值為615 kPa,滿足預(yù)期。

(2) 按照隨機(jī)方法,任意抽取50根樁,進(jìn)行檢測(cè),滿足質(zhì)量要求。

(3) 進(jìn)行沉降觀測(cè)[10]。對(duì)于本項(xiàng)目,觀測(cè)時(shí)間約2年,安排測(cè)點(diǎn)20個(gè),合計(jì)觀測(cè)20次。從所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)中,隨機(jī)抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別計(jì)算沉降量有關(guān)數(shù)據(jù),其相關(guān)曲線見(jiàn)圖7～圖9。

圖7 各觀測(cè)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間變化

圖8 平均沉降量隨時(shí)間變化

圖9 傾斜度隨時(shí)間變化

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析,累計(jì)最大、最小沉降量分別為28.9 mm、24 mm,符合要求。樁基沉降量隨時(shí)間變化曲線呈S形。計(jì)算沉降量與實(shí)際觀測(cè)沉降量比較,誤差較小,本項(xiàng)目整體沉降差很小,采用復(fù)合地基,取得了良好的效果。

5 CFG樁應(yīng)用常見(jiàn)問(wèn)題及處理

5.1 堵管

導(dǎo)致堵管問(wèn)題主要有以下幾種原因:

(1) 混合料配合比不合理。主要是要加強(qiáng)對(duì)粉煤灰摻量的控制,一般控制在 70～90 kg/m3為宜,盡量避免使用石粉,避免影響混凝土的可泵性而造成堵管。

(2) 混合料攪拌質(zhì)量有缺陷。 主要是要加強(qiáng)對(duì)混合拌料的坍落度進(jìn)行控制, 確?；旌狭显谳斔凸軆?nèi)的較好流動(dòng)性,施工時(shí)坍落度一般控制在16～20 cm 為宜,可適當(dāng)摻入泵送劑提高混合料可塑性。同時(shí)注意加強(qiáng)對(duì)大粒徑碎石或片石的過(guò)濾,避免出現(xiàn)管線堵塞。

(3) 設(shè)備缺陷。如沒(méi)有合理設(shè)置彎頭曲率半徑,導(dǎo)致彎頭與鉆桿之間發(fā)生堵管;或者是管接頭不牢固、墊圈破損,導(dǎo)致水泥砂漿流失而造成堵管;或者是冬季施工防凍措施不到位,導(dǎo)致發(fā)生結(jié)凍堵管;或者是施工操作不當(dāng),導(dǎo)致堵管等。對(duì)此需要結(jié)合具體的堵管位置、問(wèn)題進(jìn)行分析,并采取相應(yīng)的解決措施。

5.2 竄孔

竄孔現(xiàn)象主要發(fā)生在飽和細(xì)砂層、粉砂層中施工過(guò)程,土體受到擾動(dòng),從而發(fā)生液化現(xiàn)象。防止竄孔的方法主要有:

(1) 對(duì)有潛在竄孔問(wèn)題的地基采取大樁距設(shè)計(jì),降低新老樁體之間的干擾影響。

(2) 設(shè)備上對(duì)于鉆頭進(jìn)行改進(jìn),加大鉆孔速度;

(3) 縮減竄孔區(qū)打樁排數(shù),盡量快速離開(kāi)已打樁;

(4) 采用隔樁、隔排跳打設(shè)計(jì),及時(shí)清除成樁棄土,以免對(duì)施工進(jìn)度造成不良影響。

5.3 斷樁

斷樁的產(chǎn)生主要是在樁基施工過(guò)程中出現(xiàn)樁身裂縫,或者混合料攪拌時(shí)間不足,和易性較差而導(dǎo)致蜂窩麻面現(xiàn)象,抑或是土建施工機(jī)械挖基坑平整土方過(guò)程中被挖掘機(jī)和鏟車碰斷。對(duì)于淺部斷樁需在剔除上部斷樁之后采用和樁身相同混合料進(jìn)行補(bǔ)樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。對(duì)于出現(xiàn)的大范圍斷樁則應(yīng)與設(shè)計(jì)、監(jiān)理、建設(shè)等單位聯(lián)合制定解決方案,在檢驗(yàn)斷樁對(duì)比完整性樁的基礎(chǔ)上進(jìn)行接樁或者補(bǔ)樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

6 CFG 樁復(fù)合地基的優(yōu)越性

樁基礎(chǔ)的形式有很多種,與其他樁基礎(chǔ)相比較,CFG 樁復(fù)合地基除了工藝簡(jiǎn)單、污染較小,還有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 具有良好的適用性,而且能提高承載能力。CFG 樁能在多種地質(zhì)條件下使用,經(jīng)過(guò)地基處理之后,承載力可以提高5倍左右。

(2) 能夠很好地控制變形。經(jīng)過(guò)處理后的復(fù)合地基,其模量和剛度均有提高,因此能有效降低建筑物的沉降量。

(3) 能夠綜合性降低工程造價(jià)。CFG樁可以就地取材,縮短工程施工周期,而且無(wú)須配筋,所以能有效降低工程造價(jià)。

7 結(jié)束語(yǔ)

CFG樁在本項(xiàng)目中的使用,從檢測(cè)結(jié)果的分析數(shù)據(jù)可表明,能夠綜合提高效率,降低成本,達(dá)到預(yù)期效果。隨著我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)越來(lái)越多,這種樁基也會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。