多樁型復(fù)合地基在濕陷性黃土中的應(yīng)用

任連偉，趙文成，頓志林

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098)

復(fù)合地基能充分利用樁間土和樁體的共同作用且造價(jià)低廉，因此其在工程中得到廣泛的應(yīng)用，但多數(shù)工程傾向于采用單樁型的復(fù)合地基［1-2］。當(dāng)工程建設(shè)中的場地具有承載力低、壓縮性高以及其他特殊性時(shí)(如濕陷性黃土地基、砂土液化地基等)，單一樁型復(fù)合地基不能滿足要求，此時(shí)可以采用多樁型復(fù)合地基或長短組合樁復(fù)合地基［3-5］。閆明禮等［6］從工程實(shí)際出發(fā)，提出了多樁型復(fù)合地基承載力和變形的計(jì)算方法，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了多樁型復(fù)合地基具有良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。崔溦等［7］利用有限元方法對山區(qū)溝谷軟基中采用的CFG樁和水泥土夯實(shí)樁聯(lián)合加固的多樁型復(fù)合地基進(jìn)行分析，與單一樁型復(fù)合地基相比，其具有更好的完整性和承載性。王明山等［8］通過某工程現(xiàn)場試驗(yàn)對CFG樁及振動沉管灌注成樁組成的多樁型復(fù)合地基進(jìn)行研究，在消除砂層地基土液化及提高復(fù)合地基承載力方面進(jìn)行了有益的嘗試。馮玉芹等［9］對采用碎石樁和CFG樁多樁型復(fù)合地基處理可液化土方面進(jìn)行了機(jī)理及現(xiàn)場檢測分析。陳強(qiáng)等［10］采用數(shù)值分析手段初步分析了某工程中CFG樁和碎石樁聯(lián)合加固軟弱地基的機(jī)理，認(rèn)為多樁型復(fù)合地基具有單一樁型無可比擬的優(yōu)越性。王士杰等［11-12］對某大型油罐工程采用CFG樁和碎石樁多樁型復(fù)合地基進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，得出其能明顯提高地基承載力。在復(fù)合地基中，強(qiáng)度較高的稱為主樁或剛性樁，強(qiáng)度較低的稱為次樁或柔性樁，它們依據(jù)各自的特性相互結(jié)合形成復(fù)合地基。

土擠密樁與CFG樁組合形成的多樁型復(fù)合地基利用土擠密樁的振動、擠密作用解決地基土的濕陷性，并對淺層土層進(jìn)行初步加固;然后利用CFG樁來提高復(fù)合地基的承載力，使之滿足設(shè)計(jì)要求。目前，利用多樁型復(fù)合地基處理地基中存在的濕陷性黃土的研究較少，本文依托焦作市某高層建筑地基處理工程，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)成果，對CFG樁和土擠密樁組成的多樁型復(fù)合地基在濕陷性黃土地基中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期更好地服務(wù)于類似工程。

1 工程概況

以焦作市某高層建筑采用的土擠密樁與CFG樁形成的多樁型復(fù)合地基為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果對該類復(fù)合地基在高層建筑濕陷性黃土地基的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究。該工程地上27層，地下1層，上部為剪力墻結(jié)構(gòu)，采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深5.5 m，設(shè)計(jì)要求復(fù)合地基承載力特征值fa達(dá)到400 kPa。根據(jù)現(xiàn)場地巖土工程勘察報(bào)告，擬建工程場地平坦，無不良地質(zhì)作用，其土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地基主要土層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of main soil layers

根據(jù)場地取樣試驗(yàn)，場地內(nèi)第2，3層土為新近堆積的黃土狀粉質(zhì)黏土，為黃褐色、大孔隙結(jié)構(gòu)，具有濕陷性，為Ⅰ級非自重濕陷性黃土場地，其最大濕陷量為196.83 mm。因基礎(chǔ)埋深較大，處理范圍內(nèi)第2層土在基坑開挖過程中將被全部挖出，因此只考慮第3層土的濕陷性，其濕陷系數(shù)δs為0.038。

復(fù)合地基中土擠密樁用來消除黃土的濕陷性，CFG樁用來提高地基的承載力。其中土擠密樁較短，CFG樁較長，在復(fù)合地基中形成3個不同的工作區(qū)域，即加固區(qū)Ⅰ、加固區(qū)Ⅱ、加固區(qū)Ⅲ(圖1)。

加固區(qū)Ⅰ范圍內(nèi)存在剛性樁和柔性樁，樁體的置換率高，樁間土的擠密效果明顯，其主要作用是消除黃土的濕陷性并初步提高淺層地基土的承載力;加固區(qū)Ⅱ范圍內(nèi)僅有剛性樁，其作用方式不同于加固區(qū)Ⅰ，主要作用是提高復(fù)合地基土的承載力和減小沉降量;加固區(qū)Ⅲ是承受樁體荷載的持力土，3個加固區(qū)共同工作。

圖1 復(fù)合地基示意圖Fig.1 Sketch map of composite foundation

2 多樁型復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案

根據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定以及施工機(jī)械的特征，土擠密樁樁徑取500 mm，采用正三角形布樁方式，樁間距由試樁試驗(yàn)確定，即采取3種不同的樁間距l(xiāng)(1.0 m，1.2 m，1.3 m)處理地基土后所獲得的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對比來確定，其結(jié)果見圖2。

由圖2可知:(a)對于δs，當(dāng)l設(shè)為1.2 m時(shí)能夠完全消除黃土的濕陷性，滿足設(shè)計(jì)要求;當(dāng)l為1.0 m或1.3 m時(shí)不能完全消除黃土的濕陷性，不滿足設(shè)計(jì)要求。(b)對于壓實(shí)系數(shù)ηc，當(dāng)l設(shè)為1.2 m時(shí)ηc均在0.930以上，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求;當(dāng)l設(shè)為1.0 m或1.3 m時(shí)部分地基土的ηc小于0.850，不符合規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求。

綜上所述，當(dāng)l設(shè)為1.2m時(shí)，能滿足工程設(shè)計(jì)的δs和ηc的要求。因此，本工程中土擠密樁的l設(shè)為1.2m。

根據(jù)JGJ79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定及施工機(jī)械的具體情況，CFG樁樁徑取500 mm，l設(shè)為1.2 m，有效樁長取15m，樁端落于第5層粉質(zhì)黏土上，正三角形布樁，總樁數(shù)為194根，樁身混合料強(qiáng)度為C20，褥墊層的厚度為250 mm。

施工過程中，先用沉管法進(jìn)行土擠密樁施工，以消除黃土的濕陷性;然后用長螺旋鉆孔法在土擠密樁之間插打CFG樁，提高地基的承載力。

圖2 試樁試驗(yàn)參數(shù)對比Fig.2 Contrast of test parameters

3 復(fù)合地基檢測分析

3.1 土擠密樁檢測

土擠密樁檢測包括:樁身質(zhì)量檢測、樁間土擠密效果和濕陷性檢測。

a.樁身質(zhì)量檢測。樁體夯填質(zhì)量的檢驗(yàn)按不少于2%進(jìn)行，在施工過程中，從設(shè)計(jì)樁頂起每隔1.0 m進(jìn)行試驗(yàn)(輕型圓錐動力觸探)，測試其ηc，樁身ηc不宜小于0.97;經(jīng)室內(nèi)土工試驗(yàn)測定其他指標(biāo)，見表2。

表2 室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Laboratory soil test results

表2所示的結(jié)果表明，處理后樁體土的平均ρd均大于1.80 g/cm3，ηc均大于0.970，滿足設(shè)計(jì)要求。

b.樁間土擠密效果和濕陷性檢測。在地基處理范圍內(nèi)布置6個探井(部分探井位置見圖3)進(jìn)行取樣，做常規(guī)的土工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。探井開挖深度5.0 m，每間隔1.0 m取1件原狀樁間土樣。

表3表明:(a)土擠密樁樁間土的ηc最小值為0.938;擠密后ρd的最小值為1.78，δs均小于0.015，全部消除了黃土濕陷性，滿足工程規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。(b)ηc與δs呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2 CFG樁檢測

CFG樁的檢測包括:(a)3根單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)及3組單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)的加載試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖4;(b)樁身完整性檢測。

圖3 樁間土取樣位置Fig.3 Sampling sites of pile soil

表3 對比試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Comparative soil test results

表4 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Static loading test results

圖4 靜載荷試驗(yàn)曲線Fig.4 Static loading test curves

由圖4(a)分析得知，3根樁的樁頂施加荷載Q與樁頂施加荷載穩(wěn)定后的沉降量s之間的關(guān)系曲線上均無判斷極限承載力的拐點(diǎn)，其終止試驗(yàn)的條件均為最大加載值已加至設(shè)計(jì)承載力特征值的2倍。當(dāng)荷載加至設(shè)計(jì)承載力特征值的2倍時(shí)，3根樁中的最小沉降量為11.42 mm，最大沉降量為37.48 mm。按照J(rèn)GJ 106—2003《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，判定工程場地58號、113號、175號試驗(yàn)樁的單樁豎向極限承載力為1700 kN，判定該工程場地的單樁豎向抗壓承載力特征值為850 kN，滿足工程要求。

由圖4(b)分析得知，3個測點(diǎn)的復(fù)合地基所施加的荷載P與s的關(guān)系曲線上均無判斷比例界限荷載及極限荷載的拐點(diǎn)，其終止試驗(yàn)的條件均為最大加載壓力已加至大于設(shè)計(jì)承載力特征值的2倍。當(dāng)荷載加至大于設(shè)計(jì)承載力特征值的2倍時(shí)，3個測點(diǎn)中的最小沉降量為9.51 mm，最大沉降量為14.86 mm。按照J(rèn)GJ79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，確定該工程場地的單樁復(fù)合地基承載力特征值為400kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

樁身完整性檢測采用低應(yīng)變測試方法進(jìn)行，依據(jù)JGJ106—2003《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定本工程測試中Ⅰ類樁占所測樁數(shù)的99.48%，Ⅱ類樁占所測樁數(shù)的0.52%，Ⅲ類、Ⅳ類樁未發(fā)現(xiàn)。因此，CFG樁完整性均為完整，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，CFG樁的單樁、復(fù)合地基承載力和樁身質(zhì)量均符合要求。

4 結(jié) 論

a.通過土擠密樁和CFG樁的檢測，樁基各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，證實(shí)在本文工程中土擠密樁和CFG樁的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)值均合理。

b.CFG樁的后續(xù)施工對樁間土進(jìn)行二次擠密，在一定程度上使土體更加密實(shí)，同時(shí)使樁間土的擠密系數(shù)和濕陷系數(shù)有所改變。在兩樁聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，CFG樁不僅可以提高承載力，還有擠密土體的作用。

c.對地基采取整片處理時(shí)，多樁型復(fù)合地基應(yīng)優(yōu)先選用，這樣不但減少了土擠密樁的樁長和施工難度，而且通過設(shè)置CFG樁可使地基土的承載力和變形符合要求。

［1］高明軍，左威龍，李凈一，等.素混凝土樁復(fù)合地基在深厚軟土地基處理中的應(yīng)用［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，36(1):67-70.(GAO Mingjun，ZUO Weilong，LI Jingyi，et al.Application of plain concrete piles to treatment of deep and thicKsoft soil foundation［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2008，36(1):67-70.(in Chinese))

［2］高炳鑫，王清.大型儲罐振沖碎石樁復(fù)合地基充水預(yù)壓過程監(jiān)測分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，38(5):580-584.(GAO Bingxin，WANG Qing.Monitoring analysis of pre-compressed water filling of composite foundation with vibroflotation crushed stone piles for large scale storage tanks［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2010，38(5):580-584.(in Chinese))

［3］代國忠，李文虎，林道富.長短樁組合多元復(fù)合樁基技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.巖土力學(xué)，2007，29(增刊):640-644.(DAI Guozhong，LI Wenhu，LIN Daofu.Research on application of technology of composite pile foundation with short and long piles［J］.RocKand Soil Mechanics，2007，29(Sup):640-644.(in Chinese))

［4］張子新，郭志強(qiáng)，李昀.組合型復(fù)合地基的理論分析與試驗(yàn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(5):725-727.(ZHANGZixin，GUOZhiqiang，LIYun.Theoretical analysis and experimental research on combined composite foundation［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1(5):725-727.(in Chinese))

［5］丁繼輝，袁滿，王建國.多樁型組合樁復(fù)合地基承載力的可靠度分析［J］.工程力學(xué)，2008，25(增刊2):168-172.(DING Jihui，YUAN Man，WANG Jianguo.Reliability analysis on the bearing capability of composite foundation with multitype compound piles［J］.Engineering Mechanics，2008，25(Sup2):168-172.(in Chinese))

［6］閆明禮，王明山，閆雪峰，等.多樁型復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(3):352-355.(YAN Mingli，WANG Mingshan，YAN Xuefeng，et al.Study on the calculation method of multi-type-pile composite foundation［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(3):352-355.(in Chinese))

［7］崔溦，閆澍旺，周宏杰.多樁型復(fù)合地基的荷載傳遞機(jī)理研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26(2):290-294.(CUI Wei，YAN Shuwang，ZHOU Hongjie.Load transfer behavior of multi-type-pile composite foundation［J］.RocKand Soil Mechanics，2005，26(2):290-294.(in Chinese))

［8］王明山，王廣馳，嚴(yán)雪峰，等.多樁型復(fù)合地基承載性狀研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(10):1142-1146.(WANG Mingshan，Wang Guangchi，YAN Xuefeng，et al.In-situ tests on bearing behavior of multi-type-pile composite subgrade［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(10):1142-1146.(in Chinese))

［9］馮玉芹，王英浩.多樁型復(fù)合地基抗液化分析［J］.建筑科學(xué)，2010，26(11):80-82.(FENG Yuqin，WANG Yinghao.The anti-liquefaction analysis of multi-pile composite foundation［J］.Building Science，2010，26(11):80-82.(in Chinese))

［10］陳強(qiáng)，黃志義，左人宇，等.組合樁復(fù)合地基的特性及其FEM模擬研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2001，34(1):50-55.(CHEN Qiang，HUANG Zhiyi，ZUO Renyu，et al.Behavior of combined composite ground and simulation study by FEM［J］.China Civil Engineering Journal，2001，34(1):50-55.(in Chinese))

［11］王士杰，何滿潮，李鳳琴，等.多樁型復(fù)合地基承載特性的試驗(yàn)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，3(5):64-69.(WANG Shijie，HE Manchao，LI Fengqin，et al.Testing study on bearing characteristics of multi-type-pile composite foundation［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2006，3(5):64-69.(in Chinese))

［12］王士杰，何滿潮，周瑞林，等.多樁型復(fù)合地基試驗(yàn)研究［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(5):118-122.(WANG Shijie，HE Manchao，ZHOU Ruilin，et al.Field test of multi-type-pile composite foundation［J］.Journal of Agricultural University of Hebei，2006，29(5):118-122.(in Chinese))