孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯工法在濕陷性黃土地區(qū)高層建筑地基處理中的應(yīng)用

摘" 要：為探討孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯（SDDC）工法在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用效果，采用SDDC工法的大直徑擠密樁作為某高層建筑地基處理方法，進(jìn)行復(fù)合地基承載力靜載荷試驗(yàn)、樁體壓實(shí)系數(shù)和樁間土擠密系數(shù)試驗(yàn)、樁身強(qiáng)度試驗(yàn)；依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)，按樁身強(qiáng)度和復(fù)合地基承載力特征值雙控的方法，確定復(fù)合地基承載力，并對建筑物在施工期間沉降和竣工后沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集對比。試驗(yàn)結(jié)果表明，SDDC工法在濕陷性黃土地區(qū)高層建筑地基處理中消除地基濕陷、提高地基承載力、減小基礎(chǔ)沉降、加快施工速度、提高施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等方面具有明顯優(yōu)勢，表明該方法在濕陷性黃土地區(qū)處理地基是有效可行的。

關(guān)鍵詞：大直徑擠密樁；孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯；高層建筑；地基處理；濕陷性黃土

中圖分類號：TU444" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00５５-0４

Abstract： In order to explore the application effect of super down-hole dynamic consolidation （SDDC） method in collapsible loess area， the large diameter compaction pile of SDDC method was used as the foundation treatment method of a high-rise building， and the static load test of bearing capacity of composite foundation， the compaction coefficient of pile and the compaction coefficient of soil between piles and the strength of pile were carried out. According to the index of test data， the bearing capacity of composite foundation is determined according to the double control method of pile strength and the characteristic value of bearing capacity of composite foundation， and the observation data of building settlement during construction and after completion are collected and compared. The test results show that the SDDC method has obvious advantages in eliminating collapsibility foundation of collapsible loess area in the high-rise building foundation treatment， increasing the subgrade bearing capacity， decreasing the foundation settlement ， speeding up the construction speed，and improving the construction quality and economic benefit， showing that the method in ground treatment of collapsible loess area is feasible and effective.

Keywords： large diameter compacted pile; super down-hole dynamic consolidation（SDDC）; high-rise building; collapsible loess area ground

濕陷性黃土是一類不良地質(zhì)條件，我國主要分布在西起祁連山，東至太行山，遍及甘肅、寧夏、陜西、山西的大部地區(qū)，其濕陷等級以Ⅱ級～Ⅳ級為主。濕陷性黃土遇水浸泡失去強(qiáng)度，同時(shí)過大的濕陷沉降變形導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生變形、裸露、懸空，甚至斷裂。因此，在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和施工尤其是高層建筑施工就對地基處理提出了更高的要求。由于濕陷性黃土的土質(zhì)特點(diǎn)，濕陷性黃土地區(qū)地基的破壞主要來自水力侵蝕和重力侵蝕[1-3]。近年來，國內(nèi)外專家從消除黃土濕陷性方法、增強(qiáng)地基承載力等方面進(jìn)行了相對完善的研究，劉松玉等[4]對振桿密實(shí)法處理濕陷性黃土地基進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明振桿密實(shí)法處理后的土層錐尖阻力、側(cè)壁阻力和標(biāo)貫擊數(shù)較處理前顯著提高。王鼎等[5]對內(nèi)外套管組合沉管成孔，再由重錘二次夯擴(kuò)擠密的方案進(jìn)行了討論研究，獲取了灰土擠密樁與水泥土擠密樁的樁長和比例關(guān)系。Shi Baozhen等[6]對濕陷性黃土地基的位移和應(yīng)力特性進(jìn)行了研究，對復(fù)合地基設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。從上述的研究現(xiàn)狀分析可以看出，雖然國內(nèi)外的專家學(xué)者對濕陷性黃土的變形機(jī)理及濕陷性黃土區(qū)地基變形特征等進(jìn)行了一定研究，但適用于濕陷性黃土區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的地基處理優(yōu)化方案、處理后地基承載效果評價(jià)指標(biāo)監(jiān)控的研究相對有限，特別是近年來逐步推廣使用的孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯法的應(yīng)用評價(jià)還需要進(jìn)一步研究。

孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯法[7]（Super Down Hole Dynamic Consolidation，SDDC）是在孔內(nèi)深層強(qiáng)夯工法（DDC）基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種復(fù)合地基處理技術(shù)，改進(jìn)的重點(diǎn)主要表現(xiàn)在成樁孔徑增大和沖擊成孔夯錘質(zhì)量加大。大量的實(shí)際工程表明，常用的400～550 mm樁徑的DDC工法可有效消除大厚度濕陷性黃土的濕陷性，較好地提升地基承載力，但尚有不足之處，如樁間距小、樁數(shù)多、樁的施工質(zhì)量難控制和承載力不能達(dá)到高層建筑的要求等問題，而采用大直徑孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯（SDDC）工法樁徑比常用的樁徑大2～3倍，樁間距大、單樁承載力高、樁數(shù)少，施工質(zhì)量能得到嚴(yán)格控制。

本文通過實(shí)際工程，探討成樁直徑在2 100 mm時(shí)，采用SDDC工法的擠密樁作為某高層建筑地基處理方法，通過復(fù)合地基承載力靜載荷試驗(yàn)、樁體壓實(shí)系數(shù)和樁間土擠密系數(shù)試驗(yàn)、樁身強(qiáng)度試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以樁身強(qiáng)度和復(fù)合地基承載力特征值雙控的方法，確定復(fù)合地基最終的承載力，同時(shí)監(jiān)測建筑物在施工期間和竣工后的沉降，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)探討SDDC工法在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用效果，以期為該法的可靠性提供參考依據(jù)。

1" 工程實(shí)例

1.1" 工程地質(zhì)概況

某工程位于陜西省銅川新區(qū)，設(shè)計(jì)要求處理后地基承載力特征值不小于450 kPa。場地屬黃土塬，濕陷性土層厚度自基底算達(dá)到19.500 m，主要為黃土和古土壤層，場地屬于Ⅲ級自重濕陷性黃土場地。

1.2" 地基處理方案

鑒于場地的地質(zhì)情況，天然地基的方案不滿足基礎(chǔ)承載力的要求，經(jīng)過安全可靠和經(jīng)濟(jì)性對比采用擠密樁復(fù)合地基，達(dá)到消除地基的濕陷性和提高承載力的效果，孔內(nèi)填料為水泥土，施工方法采用孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯（SDDC）工法，沖擊輔助旋挖鉆機(jī)成孔方式，10 t夯錘分層夯實(shí)填料，地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)如下：樁中心距2.8 m，樁水平排距2.4 m，成孔孔徑1.4 m，樁身材料為水泥土，樁長17.8 m。

1.3" SDDC工法及施工要點(diǎn)的控制

該工藝使用直徑1.4 m的重錘，成孔時(shí)重錘在原土上直接錘擊，夯擴(kuò)至2.1 m時(shí)成孔結(jié)束，在此過程中1.4～2.1 m之間的土體被擠向周邊土體，從而達(dá)到第一次擠密樁間土的作用。由于樁徑比較大，為確保樁的施工質(zhì)量，在施工中要特別注意填料的含水率、水泥和土比例的控制。填料的含水率一般是控制在最優(yōu)含水率±2%的范圍內(nèi)，水泥土配合比在本工程中采用1∶6（質(zhì)量比）的比例，水泥和土要求全部過篩處理。

2" 地基處理效果檢測

2.1" 復(fù)合地基承載力靜載荷試驗(yàn)

復(fù)合地基承載力特征值按照規(guī)范要求，采用靜載荷試驗(yàn)確定。鑒于本工程成樁后直徑大于1 500 mm，按照CECS 197：2006《孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法技術(shù)規(guī)程》和JGJ 340—2015《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》要求，對工程樁分別做樁身靜荷載試驗(yàn)和樁間土靜載荷試驗(yàn)，取3組試樁點(diǎn)，壓板直徑1 120 mm，加荷等級分為8級，最大加載壓力為1 570 kPa，取最不利一組靜荷載試驗(yàn)曲線如圖1所示。

圖1中（a）（b）為樁體試樣的靜載曲線，（c）（d）為樁間土體試樣的靜載曲線，由p-s曲線可以看出，曲線為2條相對平緩、光滑曲線，上部的曲線是壓實(shí)曲線，下部的曲線為回彈曲線，s值隨著p值的增加逐漸增大，在卸載以后s隨著卸載荷載的減小有所增加又逐漸減小，在卸載完成后到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值；同時(shí)加載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載值（785 kPa）的2倍時(shí)樁體曲線平滑，沒有發(fā)生突變，說明樁體沒有發(fā)生破壞。由s-lgt曲線可以看出，樁間土體曲線密集、相互平行、變化均勻，在各級荷載下相對穩(wěn)定。

2.2" 樁身和樁間土質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

處理后復(fù)合地基需對樁體壓實(shí)系數(shù)、樁間土擠密系數(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，采取現(xiàn)場取樣和人工探井取樣的方法，對6組樁體做試驗(yàn)，每根樁體取3組土樣，土樣在同一含水量、不同錘擊數(shù)的情況下做土工物理試驗(yàn)，檢測得到的數(shù)據(jù)見表1。

由表1可以看出，在相同含水率的條件下，錘擊數(shù)越多樁體的壓實(shí)系數(shù)和樁間土的擠密系數(shù)平均值均有所增加。根據(jù)GB 50025—2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中樁體填料的平均壓實(shí)系數(shù)λc不應(yīng)低于0.97、樁間土平均擠密系數(shù)ηc不宜小于0.93，由表1可以看出，二者均滿足規(guī)范要求。

2.3" 樁體抗壓強(qiáng)度

通過3根樁的18組樁體試塊抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，樁身抗壓強(qiáng)度隨取樣深度的變化數(shù)據(jù)見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，樁體的抗壓強(qiáng)度隨樁身的深度而變化，受到施工及不同土層土質(zhì)的影響，強(qiáng)度的變化并無呈現(xiàn)出穩(wěn)定的規(guī)律，由于樁體材料介于散體和凝結(jié)體之間的狀態(tài)，作為建筑物的地基，要保證樁體不能出現(xiàn)強(qiáng)度的破壞，所以選用了試塊最小值作為樁體強(qiáng)度，根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（7.1.6-1），由現(xiàn)場試驗(yàn)得單樁抗壓強(qiáng)度

式中：Ap=0.785×2.12=3.461 9 m2為成樁面積；Ra為單樁豎向承載力特征值；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；fcu為樁體試塊抗壓強(qiáng)度平均值（此處取最小值）。

而理論計(jì)算單樁抗壓強(qiáng)度由JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（7.1.5-3）公式

式中：Up=3.14×2.1=6.594 m為成樁周長；qsi為樁側(cè)阻力特征值（10 m范圍取-15，7 m范圍取15）；ap為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，取1.0；qp為樁端阻力特征值，取715 kPa；lpi為樁長范圍第i層土的厚度。

由此得出：現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的單樁承載力特征值為3 981 kN，而理論計(jì)算得到的單樁承載力特征值為2 178.5 kN。由此可以看出，試驗(yàn)得到的單樁承載力特征值遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值，復(fù)合地基增強(qiáng)體單樁樁身強(qiáng)度和復(fù)合地基承載力特征值同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4" 地基處理后沉降觀測結(jié)果

根據(jù)高層沉降觀測要求，在主樓四周布設(shè)30個(gè)沉降觀測點(diǎn)，經(jīng)3次間隔3個(gè)月的觀測，最大沉降為19.6 mm，同時(shí)主樓在主體施工階段和竣工以后的沉降均比較穩(wěn)定，即便是最大的沉降點(diǎn)也能滿足規(guī)范“體型簡單的高層建筑基礎(chǔ)的平均沉降量允許值不大于150 mm”的要求。

3" 結(jié)論

1）SDDC工法在大直徑擠密樁處理濕陷性黃土地區(qū)高層建筑地基方案中，可以消除地基土層的濕陷性、提高地基承載力、減小建筑物的沉降，同一場地，樁徑大樁數(shù)少，施工速度快，具有明顯經(jīng)濟(jì)效益。

2）對于濕陷性土層較厚的地區(qū)，采用的樁體材料可以選用1∶6（質(zhì)量比）的水泥土填料，經(jīng)工程實(shí)例對比可以得到此方案造價(jià)低，施工簡單，質(zhì)量可靠。

3）SDDC工法處理后的地基，是由擠密后的原土和具有低黏結(jié)、有一定強(qiáng)度樁體組成的復(fù)合地基，整個(gè)場地仍為不均勻地基，所以建議高層建筑的基礎(chǔ)采用整體性好的平板式伐基或梁伐基礎(chǔ)。

4）建議SDDC工法取以下范圍，為最經(jīng)濟(jì)合理：成孔直徑取1.4～1.8 m，成樁直徑取1.8～2.4 m，樁間距取成孔直徑的2～2.5倍。

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