多樁型復合地基在高層建筑中的應(yīng)用及分析

彭 輝

(山西五建集團有限公司，山西 太原 030013)

多樁型復合地基在高層建筑中的應(yīng)用及分析

彭 輝

(山西五建集團有限公司，山西 太原 030013)

分析了CFG樁+碎石樁組合型復合地基的作用機理，結(jié)合工程實例介紹了初步設(shè)計估算方法，論述了組合型復合地基的施工工藝和控制措施，指出這種地基處理方法提高了承載力，消除了液化作用。

復合地基，加固機理，CFG樁，碎石樁

近年來，太原地區(qū)建筑市場飛速發(fā)展，特別是汾河兩岸黃金地段的房地產(chǎn)地位愈發(fā)凸顯。隨著該區(qū)域工程地質(zhì)資料的逐步積累，標示出該區(qū)域地質(zhì)土層多為飽和土，其中存在著大量的可液化砂土及粉土層，成為地基基礎(chǔ)設(shè)計中需重點處理的地質(zhì)問題。同時由于土地作為稀缺資源，使得能充分利用立體空間的高層建筑得以廣泛應(yīng)用，對地基承載力也提出了較高要求。如何在有效處理液化土層和提高地基承載力兩方面取得最佳組合效應(yīng)成為了主要的研究發(fā)展方向。

碎石樁在工程領(lǐng)域處理液化土層的有效性已被廣泛證實，在太原地區(qū)是市場上主要的液化土層處理工藝。然而經(jīng)碎石樁處理的地基土雖可有效消除地基液化和提高地基承載力(工程實踐表明一般可提高15 kPa～35 kPa)，但處理后的地基土以散體材料樁為主，如果設(shè)計要求的地基承載力較高時，僅采用此項工藝對地基土的承載力提高幅度有限。為了有效增加地基承載力，采用增加另一樁型，與碎石樁組成多樁型復合地基以提供設(shè)計要求的較高程度的地基承載力成為了地基設(shè)計的主要處理方式。當前，CFG樁法——工程上稱為水泥粉煤灰碎石樁法，作為有粘結(jié)性的樁體材料，多采用商品混凝土的原料制備工藝，可顯著提高樁體承載力。并且CFG樁具有工序簡易、機械化程度高、樁土共同作用效應(yīng)明確等諸多優(yōu)勢，在高層建筑中采用CFG樁作為增型樁。充分結(jié)合上述兩種樁型的技術(shù)特點，組合使用構(gòu)成多樁型復合地基以使地基承載力有效提高并消除液化成為了該類地基處理設(shè)計中可行的應(yīng)用方法。

1 加固機理

1.1 碎石樁

太原地區(qū)采用碎石樁法作為處理可液化砂土，粉土地基加固方法。常采用振動沉管工藝進行施工，通過專業(yè)樁機設(shè)備在軟弱地基成孔后，將碎石填入已成孔中，形成散體材料為主的密實樁體。通過樁機設(shè)備的振動錘產(chǎn)生的激振力，對土體形成振密作用，同時通過成孔過程中樁管對土體的擠壓作用起到擠密效果，從而提高地基承載力，減小土體變形和消除土體液化。其作用體現(xiàn)在下列幾個方面：

1)對土體的擠密作用，振動沉管法在成孔過程中不進行土層置換，而是通過樁管將周邊土體擠開成孔，同時通過樁錘振動協(xié)同樁管對土體起到擠壓作用，使得樁間土受到擾動，土粒重新排列，減小砂土層孔隙比，提高土體密實度。其有效擠密范圍可達3倍～4倍樁直徑。

2)改善土體排水情況。對于可液化的砂土及粉土來說，液化機理已經(jīng)明確，采用碎石樁振動成樁工藝，通過對土層的振動擾動和填充碎石材料，對液化土層進行一定程度的重構(gòu)，同時利用土體中加入的填充碎石材料，形成反濾性、滲透性良好的人工排水滲透通道，可顯著消除土體中的孔隙和促使原土當中的孔隙水排出，使得原土孔隙水壓力快速消散，避免地震時孔隙水壓力增高，有效應(yīng)力降低造成砂土液化。后期還可以起到加快地基排水固結(jié)的作用。

3)改善土體抗震性能。對于液化土層，經(jīng)碎石樁進行地基加固后，地震波產(chǎn)生的剪應(yīng)力由碎石樁和樁間土共同承擔。由于樁體相對于樁間土的剪切模量要大，樁體的抗剪剛度要大于樁間土，會促使地震應(yīng)力向樁體集中，由剛度較大的樁體承擔較多的應(yīng)力，減小樁間土分配的應(yīng)力，改善土體抗震性能。

碎石樁作為散體材料樁雖能提高地基承載力，但在垂直荷載較大時，樁頂易發(fā)生壓脹變形，不易達到承載力要求。因此在對地基承載力要求較高的高層建筑中無法單獨使用。

1.2 CFG樁

CFG樁樁體材料采用碎石、水泥、粉煤灰、中砂(石屑)和水按一定配合比攪拌配制而成(現(xiàn)多采用商品混凝土制備方法)，通過特定施工工藝制成一種剛度介于碎石樁和素混凝土樁之間的半剛性樁。在樁體受力未超過材料強度破壞前，樁身受力等同于剛性樁，承載能力由樁周摩阻力和樁端支承力決定，在復合地基中發(fā)揮樁的作用。由于其壓縮性較樁間土低，在基礎(chǔ)傳遞的附加壓力下，隨地層變形，應(yīng)力逐漸集中于樁身，樁間土應(yīng)力相應(yīng)減小，樁與樁間土的樁土應(yīng)力比較碎石樁法顯著增加。CFG樁法提高地基承載力的途徑是發(fā)揮樁的樁體作用，通過樁體承載力提升地基承載能力。

1.3 共同作用機理

鑒于以上兩種樁的受力特點，將兩種方法結(jié)合處理地基，可最大限度地發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，既可提升復合地基承載力，又可降低和控制地基變形并消除地基土層液化。碎石樁作為散體材料樁工作時，由于其散體特性，僅靠周邊土體對樁的約束作用承受上部荷載，樁體易在水平向發(fā)生鼓脹，同時在豎直方向由于荷載原因壓密。CFG樁的插入使土體的側(cè)向約束作用得到增強，從而減少樁頂部分的水平鼓脹。避免碎石樁產(chǎn)生鼓脹破壞的可能。土體通過碎石樁處理提升了地基承載力，增加了地基深層抗滑和固結(jié)排水能力。同時擠密碎石樁有效提高土體抗剪強度，并兼有改善地基排水條件作用。通過提升土沿著樁身的極限抗剪強度來增強樁周表面摩擦力，從而增強CFG樁的極限承載力。

2 實例分析

2.1 工程地質(zhì)條件

太原某商品房工程，建設(shè)場地地貌單元為汾河西岸一級階地，場地類別為Ⅲ類，土層分布見表1。本工程地質(zhì)為中等液化場地，地下水埋深2.7 m～3.6 m，各層地基土承載力特征值，見表1。

表1 各層地基土承載力標準值

2.2 工程概況及地基設(shè)計

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計為剪力墻結(jié)構(gòu)，地上16層，地下1層，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸為14.7 m×73.5 m，基礎(chǔ)埋深4.5 m。經(jīng)設(shè)計計算，要求提供的地基承載力約340 kPa。根據(jù)勘察報告：本工程地基持力層范圍內(nèi)粉土的承載力較低，且為中等液化場地，主要液化土層為第③層細砂，須作地基處理。本工程地基處理采用碎石樁和CFG樁多樁型組合復合地基，碎石樁伸至第④層粗砂層。設(shè)計樁徑、樁長為：D=400 mm，L=10.5 m(有效樁長10 m)，樁距：1 200 m，正方形布置；CFG樁：設(shè)計樁徑、樁長：D=400 mm，L=10.5 m(有效樁長10 m)，正方形布樁，樁距：1 200 m，CFG樁混凝土標號C20，褥墊層厚400 mm。

2.3 復合地基承載力估算

根據(jù)規(guī)范要求，多樁型復合地基承載力特征值，應(yīng)采用多樁復合地基靜載荷試驗確定，初步設(shè)計時，根據(jù)本案例復合地基兩種樁型特點，可采用具有粘結(jié)強度的樁與散體材料樁組合形成的復合地基承載力特征值公式，計算依據(jù)為《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》7．9．6-2公式：

其中，β為僅由散體材料樁加固處理形成的復合地基承載力發(fā)揮系數(shù)；n為僅由散體材料樁加固處理形成的復合地基的樁土應(yīng)力比；fsk為僅由散體材料樁加固處理后樁間土承載力特征值，kPa；Ra1為樁1的單樁承載力特征值，kN；Ap1，Ap2分別為樁1、樁2的截面面積，m2；S1，S2分別為樁1、樁2的縱橫向樁間距，m；λ1為樁1的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)。

本工程按照正方形布樁，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，采用矩形布樁時：

根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗取λ1=0.8,β=0.85，n=3，取fsk=fak=110 kPa(第②層粉土)。

其中單樁豎向承載力(CFG樁)計算：計算依據(jù)為《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》公式7．1．5-3：

其中，up為工程樁的周長；n為工程樁長范圍內(nèi)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；li為第i層土的厚度；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取0.96。

計算單樁豎向承載力為：

最終根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》公式7．1．5-1計算得出的多樁型復合地基承載力特征值為：

滿足設(shè)計要求。

驗算樁身強度：

4λRa/Ap=4×0.8×484.89/0.125 6=12 353.89 kN/m2=12.35 N/mm2

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，經(jīng)處理后的地基，對地基承載力特征值進行基礎(chǔ)埋深和寬度修正時，基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)應(yīng)取1.0，基礎(chǔ)寬的地基承載力修正系數(shù)應(yīng)取0。

fspa=fspk+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=370.19+8×(4.5-0.5)=402.19 kPa>340 kPa。

滿足承載力要求。

其中，γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，kN/m2，地下水位以下取浮重度；ηb，ηd分別為基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)；b為基礎(chǔ)底面寬度，m；d為基礎(chǔ)埋置深度，m。

進行基礎(chǔ)埋深深度修正樁身強度：

2.4 復合地基變形計算

復合地基承載力特征值為370.19kPa，復合地基加固區(qū)土層壓縮模量提高系數(shù)采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》式7．9．8-4計算，由于本工程兩種樁型樁長一致，復合地基處理范圍內(nèi)提高系數(shù)取計算值ζ1，其他取1。

復合地基沉降計算深度按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》方法確定，本工程計算深度取自然地面以下31m，計算參數(shù)見表2。

表2 計算參數(shù)表

采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》變形計算方法：

取地區(qū)經(jīng)驗系數(shù)ψs=0.2計算，預測得出地基最終沉降量：

s=ψsΔs=33.2 mm。

本文計算中未考慮樁間土密實度增大而引起CFG樁側(cè)摩阻力增加帶來的良性影響。

3 施工工藝控制

碎石樁和CFG樁的成樁工藝控制要點已有許多研究人員進行詳細總結(jié)，這里不再贅述。但需結(jié)合加固機理談一下組合型復合地基施工時應(yīng)著重注意的一些問題。

通常該類地基處理方法施工時按先碎石樁后CFG樁的施工順序進行，這樣可以避免振動成樁對CFG樁體的剪切破壞。由于目前碎石樁主要采用振動沉管工藝進行施工，對天然土體有強烈的擾動功效，較強的激振力使得土體顆粒、水分子間形成的平衡體系受到破壞。土層滲透性較差時，飽和土地基在樁周圍一定范圍內(nèi)的孔隙水壓力初期會上升，經(jīng)過一段時間后，壓力通過樁體形成的豎向排水通道逐步消散，由于土體有效應(yīng)力增長較慢，施工初期表現(xiàn)為土體強度降低，壓縮性增大，擾動后的土體需重新固結(jié)以恢復承載力，這就需要有一定的固結(jié)沉伏期，同時由于樁頂上覆土層壓力較小，振動沉管工藝中樁管反復插入土體填料，使得土層上部土體擾動更為強烈，因而對樁體的約束力較小，形成一個松散層，沉伏期相應(yīng)延長。砂土由于孔隙水壓力消散較快，沉伏期較短。

對飽和土而言，此時若過早進行CFG樁施工，對尚未固結(jié)的土體進行二次擾動，不僅會造成土體的側(cè)向約束力下降(特別是樁體上部1 m～3 m范圍內(nèi)的松散層)，使得CFG樁施工時極易發(fā)生竄孔、縮徑、斷樁現(xiàn)象。而且CFG樁施工時常采用隔行跳打的方式，每排樁施工完畢后需裝載機搬運棄土并平整場地，樁工機械以及運輸機械在未固結(jié)的上部松散層土體上往復移動和施工極易引起上部軟塑狀的土層側(cè)向擠壓從而對剛施工完畢的CFG樁體產(chǎn)生水平向剪力，同樣會引起斷樁現(xiàn)象。結(jié)合以往積累的工程經(jīng)驗，對滲透性相對較好的細砂層固結(jié)沉伏期宜為7 d以上；對飽和的粉質(zhì)黏土層，因滲透性較差，沉伏期宜為28 d以上。

4 結(jié)語

通過分析多樁型復合地基的加固機理并結(jié)合工程實例及設(shè)計計算可以看出，該種地基處理方法能起到良好的提高承載力和消除液化作用。同時在施工過程中應(yīng)重視成樁過程對天然土體的擾動現(xiàn)象，給予擾動土體充分的固結(jié)沉伏期，避免搶工期帶來不必要的質(zhì)量隱患。

[1] 趙明華.土力學與基礎(chǔ)工程.武漢：武漢工業(yè)大學出版社，2002.

[2] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范.

[3] 龔曉南.地基處理技術(shù)發(fā)展展望.地基處理，2000(3):3-8.

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

Application and analysis of multi-type-pile composite foundation in high-rise building

Peng Hui

(Shanxi5thConstructionGroupCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

The paper analyzes the action mechanism of CFG pile+crushed-stone-pile composite foundation. Combining with engineering examples, it introduces preliminary estimation methods, discusses construction technologies and control measures of combined composite foundation, and finally points out: the above-mentioned foundation treatment both improves the bearing capacity and eliminates liquefaction.

composite foundation, reinforcement mechanism, CFG pile, crushed-stone-pile

2015-09-20

彭 輝(1980- )，男，工程師，一級建造師

1009-6825(2015)33-0070-04

TU470

A