樁網(wǎng)復(fù)合地基在深厚軟土地基處理中的應(yīng)用

曾華健，李 軍，劉慧芬

（1、江蘇省巖土工程公司 南京210000；2、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院 廣東佛山528225）

0 引言

隨著物流行業(yè)的迅速發(fā)展，物流倉(cāng)庫(kù)也逐漸增多，對(duì)倉(cāng)庫(kù)地坪承載力和沉降的要求越來(lái)越高，部分傳統(tǒng)的地基加固［1-3］方式難以在技術(shù)和造價(jià)上同時(shí)兼顧滿足大面積物流倉(cāng)庫(kù)地基加固的要求。樁網(wǎng)復(fù)合地基是一種處理軟土地基的新思路，樁網(wǎng)復(fù)合地基最早應(yīng)用于減少鐵路和公路路堤堆填后的路基沉降［4-6］，該體系將作為豎直向增強(qiáng)體的樁體與作為水平向增強(qiáng)體的土工網(wǎng)共同配合，使得樁、網(wǎng)、土三者協(xié)同分擔(dān)地坪荷載。在滿足相同的復(fù)合地基承載力的條件下，通過(guò)配合使用局部清淤、強(qiáng)夯置換、真空固結(jié)排水等方法，樁網(wǎng)復(fù)合地基與水泥土攪拌樁相比可在天然地基上布置成疏樁，以此減少用樁數(shù)量，進(jìn)而可降低相當(dāng)幅度的建設(shè)成本。大面積地坪差異沉降對(duì)于部分現(xiàn)代化制造車間的正常使用造成了影響，而由于樁網(wǎng)復(fù)合地基可更好地將填土荷載于樁頂與樁間土之間分布，相對(duì)于傳統(tǒng)加固方法更有利于防止室內(nèi)地坪的差異沉降，減少地基工后沉降。

鑒于此，本文以浙江湖州某物流倉(cāng)庫(kù)地基處理工程為例，探討采用樁網(wǎng)復(fù)合地基處理大面積深厚軟土地基物流倉(cāng)庫(kù)的可行性，為類似工程提供一個(gè)參考。

1 樁網(wǎng)復(fù)合地基加固機(jī)理

樁網(wǎng)復(fù)合地基是由加固樁、樁帽組成的豎向增強(qiáng)體和由加筋墊層組成的水平向增強(qiáng)體三者所共同構(gòu)成，其中樁和加筋墊層是核心部分［7，8］。加固樁可采用CFG 樁、預(yù)制管樁等，與地基土共同構(gòu)成樁土復(fù)合地基；加筋墊層采用土工格柵、土工織物等各種土工合成材料，鋪設(shè)一層或多層于加固樁、樁帽之上的回填碎石或砂墊層之中，通過(guò)發(fā)揮筋材對(duì)于土的約束作用，從而能夠協(xié)調(diào)樁-土荷載分擔(dān)，提高樁-土應(yīng)力比。其主要加固機(jī)理如下：

⑴加筋加固作用。表層填料為散體材料，無(wú)法承擔(dān)拉應(yīng)力，也就無(wú)法約束表面地基土在上部傳來(lái)的荷載下產(chǎn)生的側(cè)向變形。由于土工合成材料有著較高的張拉力，地基土在加設(shè)土工材料后，筋材與土產(chǎn)生相互摩擦作用顯著約束表面地基土體的側(cè)向位移，相當(dāng)于增加了表層土體在豎向荷載作用下的圍壓，從而能夠承擔(dān)更大的豎向荷載。與此同時(shí)，樁網(wǎng)復(fù)合地基在上覆荷載作用下會(huì)產(chǎn)生拉膜效應(yīng)和土拱效應(yīng)（見(jiàn)圖1），筋材對(duì)墊層的兜提作用將樁間土承受的部分應(yīng)力傳遞到樁頂上來(lái)［10］。

圖1 樁網(wǎng)復(fù)合地基的膜效應(yīng)與拱效應(yīng)［9］Fig.1 The Film and Arch Effect of Pile Net Composite Foundation

⑵樁體作用。CFG 樁是由水泥、粉煤灰、碎石加水拌和，在地層中凝固而成，可以很好的充當(dāng)復(fù)合地基的增強(qiáng)體。散體材料樁主要由周圍被動(dòng)土壓力的側(cè)限作用維持樁體的形狀并傳遞豎向荷載；柔性樁和剛性樁在樁頂產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，并由樁側(cè)摩阻力和端承力承擔(dān)。在CFG 樁復(fù)合地基中，CFG 樁與樁間土、褥墊層共同作用，由于樁的模量遠(yuǎn)大于樁間土的模量，通過(guò)地表受荷后樁頭刺入褥墊層達(dá)到協(xié)調(diào)樁土應(yīng)力的效果。CFG 樁在樁網(wǎng)復(fù)合地基中，由于加筋體良好的受拉作用，在樁帽上的拱腳部分獲得足夠的水平力，土拱部分形成了類似鋼筋混凝土梁截面壓應(yīng)力分布。

⑶碎石墊層作用。褥墊層是CFG 樁網(wǎng)復(fù)合地基的一個(gè)組成部分，褥墊層的性質(zhì)、厚度等會(huì)對(duì)樁土應(yīng)力比產(chǎn)生影響。褥墊層越厚、粒徑越小，樁土應(yīng)力比越??；反之，樁土應(yīng)力比越大。對(duì)于剛度較大的CFG樁，可鋪設(shè)厚度較小的碎石墊層，以充分發(fā)揮樁體的豎向承載力。

2 工程概況及地質(zhì)條件

某項(xiàng)目場(chǎng)地位于浙江省湖州市某國(guó)際物流園區(qū)，由6個(gè)單體建筑組成，整個(gè)工程軟基處理面積超過(guò)8萬(wàn)m2，工程擬對(duì)庫(kù)房區(qū)域及道路區(qū)域進(jìn)行地基處理。

根據(jù)工程地質(zhì)初期勘察資料揭露，該場(chǎng)地地貌屬?zèng)_湖海積平原，場(chǎng)地地下水位埋深0.7～1.2 m 之間，根據(jù)地質(zhì)年代及巖性特征將場(chǎng)地土劃分為5 個(gè)地層組，共8 個(gè)子層，土層描述自上而下分別為：〈1〉素填土、〈2〉粉質(zhì)粘土、〈3〉淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、〈4-1〉粉質(zhì)粘土、〈4-2〉粉質(zhì)粘土。其中，雜填土以粘性土為主，平均層厚0.79 m，表層含大量植物塊莖，結(jié)構(gòu)松散，屬新近回填的粘性土；粉質(zhì)粘土呈軟塑狀，屬中偏高壓縮性土，平均層厚1.34 m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土呈流塑狀，局部揭露出淤泥，屬高壓縮性土，層厚0.8～12.0 m 不等；粉質(zhì)粘土呈硬塑狀，屬中壓縮性土，平均層厚15.54 m；下伏粉質(zhì)粘土呈軟塑狀，屬中偏高壓縮性土。

鉆孔深度范圍內(nèi)下伏基巖凝灰?guī)r按風(fēng)化程度自上而下分別劃分為〈6〉全風(fēng)化凝灰?guī)r、〈7〉強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、〈8〉中風(fēng)化凝灰?guī)r。其中全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層遇水浸泡后易軟化導(dǎo)致強(qiáng)度驟減。土層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。如上所述，場(chǎng)地上部雜填土層為新近回填的黏性土，且地下水位較高，力學(xué)性能較差，重型機(jī)械無(wú)法行走。下伏淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土平均層厚達(dá)8 m，且內(nèi)摩擦角低，具備高含水量、高孔隙比、高靈敏、高壓縮性等特性，易產(chǎn)生較大的工后沉降，是本場(chǎng)地內(nèi)的主要壓縮層之一，不宜作為樁端持力層。

表1 場(chǎng)地土層物理參數(shù)Tab.1 Physical Parameters of Soil Layer

3 復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案

3.1 地基處理要求

⑴庫(kù)房區(qū)域處理后復(fù)合人工地基承載力應(yīng)大于墊層和地坪使用荷載，地基承載力特征fspk≥80 kPa，變形模量E0≥7 MPa。

⑵ 按建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定沉降差控制在3/1 000 內(nèi)，同時(shí)降低主要由〈3〉淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土引起的沉降變形影響。

⑶標(biāo)高控制：庫(kù)內(nèi)地面交工標(biāo)高控制在設(shè)計(jì)標(biāo)高4.2 m內(nèi)，室外地面交工標(biāo)高控制在在設(shè)計(jì)標(biāo)高2.9 m內(nèi)；即庫(kù)內(nèi)比庫(kù)外高出1.3 m，庫(kù)區(qū)須回填土。

3.2 設(shè)計(jì)方案

地基處理的方法主要有置換、振密擠密、排水固結(jié)、灌入固化物、加筋等等，考慮到壓縮層厚度較大，且加固范圍較廣，若采用排水固結(jié)法需時(shí)較長(zhǎng)，因此項(xiàng)目擬采用強(qiáng)夯法聯(lián)合人工復(fù)合地基的形式分別對(duì)表層及次淺層土體進(jìn)行加固處理。擬采用的復(fù)合地基方案對(duì)比如表2所示。

根據(jù)表2 對(duì)比分析，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)與效果，最終選擇CFG 樁網(wǎng)復(fù)合地基方案，即CFG 樁、樁帽、褥墊層、土工格柵。具體方案如下：

⑴CFG 樁作為豎向增強(qiáng)體，直徑為400 mm，樁間距2 400 mm×2 400 mm，樁端需穿透〈3〉淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，進(jìn)入〈4-1〉粉質(zhì)粘土不少于2 m，其中倉(cāng)庫(kù)中心處不少于3 m，頂部通過(guò)與樁帽連接，處理深部軟弱的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（見(jiàn)圖2）。

⑵樁頂設(shè)計(jì)樁帽，尺寸為1 200 mm×1 200 mm×350 mm，預(yù)制或現(xiàn)澆均可，能夠提高樁體和加筋墊層的整體性，使豎向荷載通過(guò)土拱效應(yīng)模型更能集中傳遞到豎向承載體。

表2 地基處理方案比較Tab.2 Comparison of Ground Treatment

圖2 典型加固地層剖面Fig.2 Typical Reinforced Stratigraphic Profile

⑶樁帽上方鋪設(shè)400 mm 厚的級(jí)配碎石墊層，墊層和樁帽中間鋪兩層雙向抗拉同強(qiáng)的土工格柵組成水平增強(qiáng)體，以此減少樁間土應(yīng)力，部分轉(zhuǎn)由豎向承載體承擔(dān)。

⑷墊層至地坪結(jié)構(gòu)層至少回填800 mm 厚粘性土，保證樁帽以上土拱高度不小于1 200 mm。

3.3 CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基施工（見(jiàn)圖3）

樁網(wǎng)復(fù)合地基主要的施工順序?yàn)椋浩秸麍?chǎng)地?測(cè)量放線?CFG樁施工?樁帽施工?土工格柵、級(jí)配碎石回填碾壓?回填整平、分層碾壓。主要施工工法如下：

⑴平整場(chǎng)地。

⑵測(cè)量放線。

⑶CFG 樁施工。長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)就位，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后停止下鉆，并開(kāi)始往樁底泵送混合料，當(dāng)鉆桿芯管充滿混合料后開(kāi)始均勻提拔至樁頂，并循環(huán)進(jìn)行下一根CFG樁施工。

⑷樁帽施工。成樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后清除樁間土，切割樁頂標(biāo)高以上樁頭，成樁28 d 后進(jìn)行低應(yīng)變力樁身完整性檢測(cè)及單樁載荷試驗(yàn)。樁帽施工采用預(yù)制構(gòu)件便于運(yùn)輸安裝，節(jié)約工期。

⑸褥墊層施工。分兩次進(jìn)行樁間土回填，每層使用打夯機(jī)夯實(shí)。樁帽頂部為400 mm 厚的級(jí)配碎石墊層，碎石墊層中間鋪兩層雙向抗拉同強(qiáng)的土工格柵，雙向抗拉力60 kN。碎石墊層采用靜力壓實(shí)法碾壓密實(shí)，碎石頂部到交工面為厚度800 mm 分三層碾壓密實(shí)的填土墊層。

圖3 樁網(wǎng)復(fù)合地基剖面Fig.3 Profile of Pile Net Composite Foundation

3.4 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.4.1 樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；μp為樁周長(zhǎng)，取值1.256 m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa）；li為樁周范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；α為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，與樁長(zhǎng)、土層相關(guān)；qp為樁端端阻力特征值（m）；Ap為樁的截面積，取值0.125 6 m2；fcu為樁體試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，取值20 MPa。代入數(shù)值可計(jì)算出單樁豎向承載力特征值為184.3 kN。

3.4.3 剛性樁樁網(wǎng)間距計(jì)算采用正方形布樁的單樁荷載分擔(dān)面積為：

式中：q為樁頂上墊層土自重及使用荷載，取值30 kPa。代入數(shù)值可計(jì)算出單樁分擔(dān)的面積A應(yīng)不大于6.14 m2，因此取樁間距為2.4 m×2.4 m。

3.4.4 復(fù)合地基承載力計(jì)算式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；β為樁間土承載力折減系數(shù)，宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，如無(wú)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0.65～0.95，取值0.9；m為復(fù)合地基面積置換率，取值0.021 8；fsk為樁間土承載力特征值，取值60 kPa。代入數(shù)值可計(jì)算出復(fù)合地基承載力為85.0 kPa。

4 地基處理效果分析

根據(jù)文獻(xiàn)［8］要求，選取4根具有代表性的樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)中，4 根CFG 樁都分別加載至極限破壞階段，整理得到如圖4所示4根單樁的荷載-沉降曲線。從圖4 中可以看出，試驗(yàn)加載過(guò)程中，4 根CFG樁的Q-s曲線均未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，表現(xiàn)為緩變形。加載初期，樁側(cè)摩阻力先發(fā)揮作用，樁頂荷載先由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)，樁端受力較小，因而Q-s曲線前期變化相對(duì)平緩。繼續(xù)加載，待樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮后，轉(zhuǎn)由樁端開(kāi)始承受荷載，直至最終樁端發(fā)生刺入破壞。

平板靜載試驗(yàn)的沉降曲線平穩(wěn)，說(shuō)明加載過(guò)程中未出現(xiàn)地層剪切破壞或樁的大尺寸滑動(dòng)。從圖4可以看出，極限承載力Qu大于921 kN，試驗(yàn)復(fù)合地基極限承載力fspk大于80 kPa，沉降變形也較小，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 CFG樁荷載-沉降（Q-s）曲線Fig.4 CFG Pile Load-settlement（Q-s）Curve

5 結(jié)語(yǔ)

⑴樁網(wǎng)復(fù)合地基相較CFG 樁與水泥土攪拌樁復(fù)合地基，更能充分發(fā)揮樁、網(wǎng)、土在承擔(dān)荷載的過(guò)程中三者的協(xié)同作用，既符合加固、沉降、位移等要求，也節(jié)約造價(jià)，減少材料消耗，具有良好而獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

⑵物流倉(cāng)庫(kù)地坪一般須比庫(kù)外高出1 300 mm，后期填土較多，有效保證CFG 樁網(wǎng)復(fù)合地基上部回填土厚度，將上部荷載集中至樁基上部。

⑶樁網(wǎng)復(fù)合地基用于處理物流倉(cāng)庫(kù)地坪，遇較厚淤泥層，有較大優(yōu)勢(shì)，處理效果顯著，有效解決大面積物流倉(cāng)庫(kù)地坪沉降、不均勻沉降問(wèn)題。