某工程地基處理方案選型分析

王林國

(中機(jī)十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471003)

1 工程概況

某公司辦公樓位于洛陽市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，建筑物地上3層，高度16.2 m，建筑平面尺寸為60 m×24 m，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)?；A(chǔ)埋深1.2 m，基底絕對標(biāo)高為157.3 m。根據(jù)巖土工程勘察報告，地基土各層情況如下:雜填土:黃～黃褐色，分布于地表。土中夾雜有較多磚瓦塊及零星碎石，結(jié)構(gòu)疏松。層厚1.0 m～1.5 m。黃土狀粉質(zhì)粘土:黃褐～淺黃褐色，堅硬狀，局部硬塑狀，無搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，中壓縮性。該層層厚1.1 m～1.5 m。承載力特征值fak=110 kPa，樁周側(cè)阻力特征值為qsia=15 kPa。黃土狀粉質(zhì)粘土:黃褐色、褐色，硬塑～堅硬狀，局部可塑狀，無搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，中壓縮性。該層層厚2.9 m～3.5 m。承載力特征值fak=130 kPa，樁周側(cè)阻力特征值為qsia=20 kPa。黃土狀粉土:黃色～淺黃色，濕，稍密～中密。搖振反應(yīng)中等，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，中壓縮性。濕陷性程度輕微～中等。該層層厚 1.7 m～2.4 m。承載力特征值 fak=125 kPa，樁周側(cè)阻力特征值為qsia=15 kPa，樁端阻力特征值為qpa=350 kPa。卵石:雜色，主要成分以石英石、石英砂巖、安山巖、斜長斑巖及暗色巖石為主，一般粒徑2 cm～5 cm，最大8 cm，磨圓度較好，多呈亞圓形。分選一般，不良～良好級配，填充物主要以中細(xì)砂及礫石為主，上部填充物中含有少量泥質(zhì)成分。該層卵石不均勻，局部地帶夾圓礫和中砂微薄層。稍密，未揭穿，最大揭露厚度4.4 m。

場地地下水穩(wěn)定埋深在7.84 m～8.0 m之間。地下水類型屬孔隙潛水，主要受洛河水側(cè)向滲透和大氣降水補(bǔ)給。3年～5年最高水位為6.5 m～7.0 m。根據(jù)室內(nèi)試驗資料，地基土的濕陷性系數(shù)小于0.015，場地不具濕陷性，但地質(zhì)勘察單位根據(jù)地方經(jīng)驗，提出本建筑場地應(yīng)按非自重濕陷性場地對待，地基濕陷性為Ⅰ級(輕微)。

2 地基處理

本建筑場地為非自重濕陷性場地，地基濕陷性為Ⅰ級(輕微)。依據(jù)GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范，該建筑不宜采用天然地基淺基礎(chǔ)，且結(jié)構(gòu)設(shè)計要求地基承載力特征值不小于220 kPa，天然地基不能滿足要求，因此需對地基進(jìn)行處理，要求處理后的地基須既消除濕陷性又提高地基承載力。依據(jù)GB 50025-2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范和JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，濕陷性黃土地基常用的處理方法有強(qiáng)夯法、墊層法、擠密法、預(yù)浸水法等。結(jié)合本工程的建筑物類別和場地土實際情況，并考慮施工設(shè)備、施工進(jìn)度、材料來源、當(dāng)?shù)丨h(huán)境等因素影響[1]，本工程初步考慮采用換填墊層法或擠密法進(jìn)行地基處理，下面就此兩種處理方法做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以確定最優(yōu)的地基處理方案。

2.1 換填墊層法

換填墊層法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理[2]。換填墊層法包括土墊層和灰土墊層。當(dāng)僅要求消除基底下1 m～3 m濕陷性黃土的濕陷量時，宜采用局部(或整片)土墊層進(jìn)行處理，當(dāng)同時要求提高墊層土的承載力及增強(qiáng)水穩(wěn)性時，宜采用整片灰土墊層進(jìn)行處理。

2.1.1 換填墊層法設(shè)計

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件，采用三七灰土墊層換填對地基進(jìn)行處理。根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，墊層的厚度應(yīng)根據(jù)需置換軟弱土的深度或下臥層的承載力確定，并符合式(1)要求[3]:

其中，pz為相應(yīng)與荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時，墊層底面處的附加壓力值，kPa;pcz為墊層底面處土的自重壓力值，kPa;faz為墊層底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa。

基礎(chǔ)埋深1.2 m，根據(jù)地質(zhì)報告提供的各層地基土分析，需將第①層雜填土和第②層黃土狀粉質(zhì)粘土全部挖除，基礎(chǔ)下做不小于1.5 m厚的三七灰土墊層，三七灰土墊層坐于第③層黃土狀粉質(zhì)粘土上。第③層黃土狀粉質(zhì)粘土的承載力特征值fak=130 kPa，由GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，經(jīng)深度修正后，墊層底面處的承載力特征值按式(2)計算[3]:

其中，fak為地基承載力特征值，kPa;ηd為基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力修正系數(shù)，kPa;γm為墊層底面下土的加權(quán)平均重度，kN/m3;d為基礎(chǔ)埋深，m。

由式(2)計算可知，faz取值 161.4 kPa。

灰土體積比采用3∶7，壓實系數(shù)不小于0.95時，灰土墊層承載力特征值fak可取220 kPa[2]。則根據(jù)PKPM軟件的 JCCAD模塊計算得出，基礎(chǔ)底面尺寸為3.3 m×3.3 m。相應(yīng)于荷載標(biāo)準(zhǔn)組合時，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的最大豎向力Fk=2 500 kN?；A(chǔ)底面壓力按式(3)[3]計算:

其中，pk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值，kPa;Fk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值，kN;Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重，kN。

由式(3)計算可知，pk取值253.6 kPa。墊層底面處的附加壓力值按式(4)計算[2]:

由式(4)計算可知，pz取值104.6 kPa。

墊層底面處土的自重壓力值 pcz=19.6 ×(1.2+0.1+1.5)=54.9 kPa。

則墊層底面軟弱層驗算結(jié)果為:faz=161.4≥pz+pcz=104.6+54.9=159.5，滿足規(guī)范要求。

2.1.2 換填墊層法施工及質(zhì)量檢驗

墊層施工應(yīng)根據(jù)不同的換填材料選擇施工機(jī)械。粉質(zhì)粘土、灰土宜采用平碾、振動碾或羊足碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯[2]。要求土的粒徑不大于15 mm，選用不含松軟雜質(zhì)的粘性土，灰料應(yīng)選用達(dá)到國家三等石灰標(biāo)準(zhǔn)的消石灰，粒徑不應(yīng)大于15 mm，灰土應(yīng)拌合均勻。土料的施工含水量宜控制在最優(yōu)含水量15%±2%的范圍內(nèi)。基坑開挖時應(yīng)避免坑底土層受擾動，可保留200 mm厚的土層暫不挖去，待鋪填墊層前再挖至設(shè)計標(biāo)高?；彝翂|層的壓實系數(shù)應(yīng)不小于0.97。

灰土的施工質(zhì)量檢驗可采用環(huán)刀法、貫入法、靜力觸探、輕型動力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢驗。并均勻通過現(xiàn)場試驗以設(shè)計壓實系數(shù)所對應(yīng)的貫入度為標(biāo)準(zhǔn)檢驗墊層的施工質(zhì)量。墊層的施工質(zhì)量檢驗必須分層進(jìn)行。應(yīng)在每層的壓實系數(shù)符合設(shè)計要求后鋪填上層土?？⒐を炇詹捎幂d荷試驗檢驗墊層承載力時，每個單體工程不宜少于3點[2]。

2.2 擠密法

用擠密法處理濕陷性黃土地基時，孔內(nèi)宜用素土或灰土，必要時可用強(qiáng)度高的填料如水泥土等。當(dāng)防(隔)水時，宜填素土;當(dāng)提高承載力或減小處理寬度時，宜填灰土、水泥土等[1]。結(jié)合本工程實際情況，需在處理地基土的濕陷性同時提高地基承載力，所以選擇孔內(nèi)夯填水泥土料，即夯實水泥土樁法進(jìn)行地基處理。

2.2.1 夯實水泥土樁法設(shè)計

夯實水泥土樁法利用機(jī)械成孔或人工挖孔，然后將水泥和土按設(shè)計的比例拌合均勻，在孔內(nèi)夯實至設(shè)計要求的密實度而形成的加固體和樁間土組成復(fù)合地基的地基處理方法[4]。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告分析，夯實水泥土樁持力層選擇第④層黃土狀粉土，樁長4.5 m，樁徑400 mm，樁間距1.0 m，等邊三角形布樁。根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，夯實水泥土樁單樁豎向承載力特征值可按式(5)計算:

其中，up為樁的周長，m;n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);qsi，qp分別為樁周第i層土的側(cè)阻力、樁端端阻力特征值，kPa;li為第i層土的厚度，m。

由式(5)計算可知，Ra取值150 kN。復(fù)合地基的面積置換率m可按規(guī)范計算為0.145。根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范，夯實水泥土樁復(fù)合地基承載力特征值可按式(6)計算:

其中，fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa;m為面積置換率;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN;Ap為樁的截面積，m2;β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.9;fsk為處理后樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值110 kPa。

由式(6)計算可知，復(fù)合地基承載力特征值fspk=258 kPa，滿足設(shè)計要求。根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范要求，夯實水泥土樁可只在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布樁，但考慮場地土的濕陷性，實際布樁范圍為基礎(chǔ)外擴(kuò)1排～2排，總樁數(shù)796根。為保證樁土共同承擔(dān)荷載，減少基礎(chǔ)底面應(yīng)力集中，同時調(diào)整豎向和水平向樁土荷載分擔(dān)比例，在樁頂鋪設(shè)200 mm厚褥墊層。褥墊層采用粒徑不大于20 mm的碎石。

2.2.2 夯實水泥土樁法施工及質(zhì)量檢驗

夯實水泥土樁成孔工藝有擠土成孔(沉管、沖擊)和非擠土成孔(洛陽鏟、螺旋鉆)等方法。考慮到本工程地基土具有輕微濕陷性，采用沖擊成孔工藝。

樁體材料采用塑性指數(shù)大于10的粘性土(土料應(yīng)過10 mm～20 mm篩)與水泥(32.5級普通硅酸鹽水泥)，土中的有機(jī)質(zhì)含量不得超過5%，不得含有凍土或膨脹土。二者的配比根據(jù)實驗室配合比試驗確定為不小于1∶6(體積比)，混合料應(yīng)拌合均勻，其含水量應(yīng)為最優(yōu)含水量15%±2%，樁體強(qiáng)度應(yīng)滿足式(7)的要求:

即樁體強(qiáng)度fcu≥3 600 kPa。

夯填樁孔時應(yīng)采用機(jī)械夯實機(jī)具，要求錘重不小于1.5 t。錘的落距、錘擊次數(shù)和填料厚度根據(jù)現(xiàn)場試驗確定，混合料的壓實系數(shù)不小于0.97。

成孔施工時要求樁孔中心偏差不超過100 mm，樁孔垂直度偏差不大于1.5%，樁孔直徑和樁孔深度不得小于設(shè)計值。

施工過程中，對夯實水泥土樁的成樁質(zhì)量，應(yīng)及時進(jìn)行抽樣檢驗。抽檢數(shù)量不小于總樁數(shù)的2%。可采用輕便觸探要求成樁2 h內(nèi)錘擊數(shù)M10≥40擊/30 cm。

夯實水泥土樁復(fù)合地基竣工驗收時，承載力檢驗應(yīng)采用單樁復(fù)合地基載荷試驗。地基檢驗數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%～1%，且不小于3點。

3 地基選型對比分析

對換填墊層法，本工程土方開挖量經(jīng)計算約5 600 m3，石灰用量約600 m3，但其現(xiàn)場場地狹小，場地土無法現(xiàn)場堆放，需外運(yùn)至1 km外的外場存放，混合料拌合也在外場拌合并運(yùn)回。其直接費(fèi)用經(jīng)估算需80萬元左右，且在北方秋冬季節(jié)，多風(fēng)沙天氣，采用現(xiàn)場大面積土方開挖進(jìn)行換填墊層法施工，揚(yáng)塵較大，對周圍環(huán)境產(chǎn)生很不利影響，而該公司對廠區(qū)內(nèi)的環(huán)境衛(wèi)生要求很高，采用此法施工，不利于廠區(qū)環(huán)境衛(wèi)生維護(hù)。

對夯實水泥土樁法，其現(xiàn)場土方開挖量經(jīng)計算約為800 m3，開挖量遠(yuǎn)小于換填墊層法，現(xiàn)場可以堆放，水泥用量約為75 m3，混合料可在現(xiàn)場拌合。其直接費(fèi)用經(jīng)估算在50萬元左右。采用此法施工，可避免大面積土方開挖和揚(yáng)塵，對周邊環(huán)境友好，采用大型機(jī)械施工，更能保證施工進(jìn)度和質(zhì)量。

經(jīng)過對比分析可以看出，夯實水泥土樁法在技術(shù)經(jīng)濟(jì)各項指標(biāo)均優(yōu)于換填墊層法。所以，本工程最終采用夯實水泥土樁法進(jìn)行地基處理。

4 結(jié)語

結(jié)合本工程的建筑物類別和場地土實際情況，并考慮施工設(shè)備、施工進(jìn)度、材料來源、當(dāng)?shù)丨h(huán)境等因素影響，通過對換填墊層法和夯實水泥土樁進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，本工程最終確定采用夯實水泥土樁法進(jìn)行地基處理，達(dá)到了既處理地基濕陷性又提高地基承載力的目的，并且因其施工簡便易行、質(zhì)量容易保證、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)境友好，也受到建設(shè)方的肯定。

[1] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[2] JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 崔春桂，張 輝，唐文選，等.夯實水泥土樁處理濕陷性黃土地基的應(yīng)用研究[J].城市建設(shè)理論研究(電子版)，2012(13):9-11.