削山填谷區(qū)域變剛度復(fù)合地基處理技術(shù)

劉佑祥， 王發(fā)玲， 劉忠富， 郭 運， 龍曉東， 陳 凱

(中南勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

削山填谷的山區(qū)新填土區(qū)域，由于山地的起伏變化，導(dǎo)致填土厚度變化大，且大部分填土為削山碎石土，粒徑變化大，回填方式多為隨意拋填，未進(jìn)行分層碾壓夯實。此類回填土一是回填時間短，未能完成自重作用下的固結(jié)沉降；二是密實度差異大，均勻性差。若不進(jìn)行合理的地基處理，極容易導(dǎo)致地基上方的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生大的整體沉降和差異沉降。根據(jù)這類回填土地基的特性，可采用變剛度[1]復(fù)合地基進(jìn)行加固處理。

大量的試驗和工程實例研究表明，采用變剛度復(fù)合地基處理方法，既能滿足荷載與抗力的整體平衡，又能兼顧荷載與抗力的局部平衡，減小差異變形。陳龍珠等[2]根據(jù)基底反力的分布特征，利用有限元對變剛度復(fù)合地基進(jìn)行分析，提出地基變剛度調(diào)平處理的優(yōu)化設(shè)計原則。喬京生等[3]通過模型和模擬試驗研究了群樁復(fù)合地基產(chǎn)生差異沉降的原因，認(rèn)為改變樁長是實現(xiàn)變剛度的最佳選擇。李衛(wèi)民等[4]針對新填土地基提出采用低能級強(qiáng)夯+CFG樁的地基加固處理方案。張武等[5]通過模型試驗方法研究了變剛度復(fù)合地基的承載特征、沉降分布、變形影響范圍、樁土荷載分擔(dān)比及基樁荷載傳遞特性。吳旭君等[6]針對新建城區(qū)大面積填土地基提出采用CFG樁加固處理的方案。江立群[7]針對山區(qū)新填土地基提出采用強(qiáng)夯聯(lián)合注漿的加固處理方案。李繼才等[8]根據(jù)大型儲罐CFG樁復(fù)合地基的應(yīng)力分布特征，提出大型儲罐復(fù)合地基空間變剛度調(diào)平設(shè)計方法。安明[9]對超大粒徑塊石拋填地基采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固處理。

本文以十堰基地遷建項目為依托，對削山填谷區(qū)域的地基處理方法進(jìn)行了深入的研究，提出采用不同能級強(qiáng)夯+注漿+潛孔沖擊高壓旋噴樁(以下簡稱DJP樁)的變剛度復(fù)合地基處理方案，以達(dá)到提高地基承載力、減小整體沉降和差異沉降的目的，為山區(qū)建設(shè)中削山填谷區(qū)域地基處理提供了新的思路和經(jīng)驗。

1 變剛度復(fù)合地基處理設(shè)計方法

圖1 場區(qū)典型地質(zhì)剖面

十堰基地遷建項目原始地貌為丘陵溝谷相間分布，經(jīng)開山填谷造地，逐步整平形成。該項目規(guī)劃用地總面積1.497 km2，總投資210 807萬元。場區(qū)典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示。填土主要為開山片巖塊石、碎石，粒徑變化大，最大填土厚度約50 m，回填方式多為隨意拋填，未進(jìn)行分層碾壓夯實。

根據(jù)地質(zhì)條件和上部建(構(gòu))筑物的使用要求，設(shè)計應(yīng)在保證地基承載力滿足要求的前提下，以變形控制為主要設(shè)計目標(biāo)。為此提出采用不同能級強(qiáng)夯+注漿+DJP樁的變剛度復(fù)合地基設(shè)計理念。通過強(qiáng)夯在上部形成硬殼層，解決表層土體的結(jié)構(gòu)架空問題；對強(qiáng)夯影響深度范圍以下的土體，采用注漿法，增強(qiáng)土顆粒間的聯(lián)結(jié)，提高土體強(qiáng)度；對于變形要求嚴(yán)格的區(qū)域，需同時設(shè)置DJP樁來減小沉降變形。

具體設(shè)計方法如下：

(1)由于填土松散，填土厚度差異大，且處理后要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)不同，因此采用不同能級的強(qiáng)夯進(jìn)行加固處理[10-11]，不同強(qiáng)夯能級選取的原則：填土厚度大的強(qiáng)夯能級高，填土厚度小的強(qiáng)夯能級低。

(2)根據(jù)研究[12]，12 000 kN·m能級的強(qiáng)夯對碎石土的有效加固深度約為11.0 m，影響加固深度約15 m。因此，對強(qiáng)夯影響深度以下的土層，即對埋深超過15 m的填土，進(jìn)行注漿加固，以減小填土的顆粒孔隙，提高土體密實度。

(3)對變形比較敏感的建(構(gòu))筑物區(qū)域，根據(jù)填土深度設(shè)置不同樁數(shù)、直徑和樁長的DJP樁進(jìn)行加固處理，以達(dá)到控制整體沉降和不均勻沉降的目的。

以總裝車間為例，采用變剛度地基處理的示意圖如圖2～圖4所示。

圖2 總裝車間分級強(qiáng)夯平面布置圖

圖3 部分總裝車間DJP樁平面布置圖

圖4 總裝車間注漿平面布置圖

2 不同能級強(qiáng)夯處理

2.1 不同能級強(qiáng)夯的設(shè)計

根據(jù)填土厚度不同，分別選取2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 kN·m能級進(jìn)行強(qiáng)夯。4 000、6 000 kN·m能級為第一類夯點，采用4遍成夯，第1、2遍為主夯，第3、4遍為滿夯；8 000、10 000、12 000 kN·m能級為第二類夯點，采用5遍成夯，第1、2遍為主夯，第3遍為加密夯，第4、5遍為滿夯。強(qiáng)夯施工參數(shù)詳見表1。

圖5 10 000 kN·m 能級平板載荷試驗曲線圖

表1 強(qiáng)夯能級分區(qū)設(shè)計參數(shù)表

2.2 強(qiáng)夯檢測及效果評價

圖6 10 000 kN·m能級動力觸探測試對比圖

(1)在施工完成后7～14 d內(nèi)采用平板載荷試驗進(jìn)行地基承載力檢測。試驗加載過程中承壓板四周未出現(xiàn)側(cè)向擠出現(xiàn)象，未出現(xiàn)沉降驟然增大現(xiàn)象， 加載至400 kPa后卸載，直至試驗結(jié)束。其中以10 000 kN·m能級為例，其P-s曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，強(qiáng)夯后的地基承載力大于200 kP，滿足設(shè)計要求。建筑物外道路、停車場及綠化場地(處理后地基承載力特征值fak不小于120 kPa)等對承載力要求小并對差異沉降不敏感的區(qū)域可以直接采用強(qiáng)夯后的人工地基。

(2)強(qiáng)夯地基均勻性采用動力觸探進(jìn)行檢驗。取夯前1個測試孔、夯后各能級1個測試孔(在施工完成后7～14 d內(nèi)測試)進(jìn)行對比分析。以10 000 kN·m能級為例，強(qiáng)夯前后超重型動力觸探對比曲線如圖6所示。從圖6可以看出，夯后土體動探擊數(shù)(修正擊數(shù))平均整體有所提高，土體均勻性有所改善，基本可達(dá)到中密狀態(tài)。

3 注漿處理

3.1 注漿加固設(shè)計

圖7 注漿前后動力觸探測試對比圖

注漿加固是將水泥漿或其他化學(xué)漿液注入地基土層中，以此增強(qiáng)土顆粒間的聯(lián)結(jié)，提高土體強(qiáng)度,減小變形,降低土體的滲透性[13-15]。對埋深超過15 m的填土，強(qiáng)夯完成后進(jìn)行注漿加固，注漿孔按穿透填土厚度不小于0.5 m控制，注漿孔間距2.5 m，按矩形布置。注漿壓力、水泥摻量等施工參數(shù)根據(jù)注漿試驗確定。

3.2 注漿檢測及效果評價

注漿效果采用動力觸探進(jìn)行檢驗[16]。取注漿前1個測試孔、不同強(qiáng)夯能級下注漿后1個測試孔(施工完成28 d后測試)進(jìn)行對比分析。以10 000 kN·m能級強(qiáng)夯后的注漿孔為例，超重型動力觸探對比曲線如圖7所示。從圖7可以看出,注漿后土體動探擊數(shù)(修正擊數(shù))平均整體有所提高，土體密實度提高。

4 DJP樁復(fù)合地基

4.1 DJP樁設(shè)計

潛孔沖擊高壓旋噴樁(DJP)，是一種將潛孔錘與高壓旋噴樁相結(jié)合的新型工法[17]。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，單樁豎向承載力特征值可通過現(xiàn)場單樁荷載試驗確定，也可按式(1)、式(2)估算，取其中較小值。

Ra=ηfcuAp

(1)

(2)

式中,fcu為與旋噴樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊(邊長為70.7 mm的立方體)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.33；Ap為樁的截面積；up為樁的周長；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007)有關(guān)規(guī)定或地區(qū)經(jīng)驗確定；αp為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，按地區(qū)經(jīng)驗確定；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007)的有關(guān)規(guī)定確定。

以總裝車間為例，取樁徑0.6 m，樁長12 m的DJP樁估算單樁承載力，Ra=140 kN。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)對有粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力計算

(3)

圖8 單樁靜載試驗曲線圖

式中,fspk為復(fù)合地基承載力特征值；m為面積置換率；Ra為單樁承載力特征值；Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數(shù)，可根據(jù)試驗或類似土質(zhì)條件工程經(jīng)驗確定，無經(jīng)驗時可取0～0.5，承載力較低時取低值；fsk為處理后樁間土承載力特征值，應(yīng)按靜載荷試驗確定,無試驗資料時可取天然地基承載力特征值。

以總裝車間為例，取樁徑0.8 m、樁長17 m、梅花形布樁的復(fù)合地基承載力fspk=220 kPa。

4.2 DJP樁復(fù)合地基加固效果及評價

圖9 復(fù)合地基平板載荷試驗曲線圖

(1)單樁豎向承載力在成樁28 d后通過單樁靜載試驗進(jìn)行檢驗。以總裝車間樁徑0.6 m、樁長12 m的DJP樁為例，單樁靜載試驗結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，Q-s曲線呈緩變型， 單樁豎向承載力Ra>140 kN，滿足設(shè)計要求。

(2)復(fù)合地基承載力在成樁28 d后通過平板載荷試驗進(jìn)行檢驗。同樣以總裝車間樁徑0.6 m、樁長12 m的DJP樁處的復(fù)合地基為例，平板載荷試驗結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，P-s曲線呈緩變型，取s/b=0.006對應(yīng)的荷載為復(fù)合地基承載力，fspk>220 kPa，滿足設(shè)計要求。

5 復(fù)合地基變形

5.1 變形計算理論

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》計算復(fù)合地基壓縮模量

Espi=ξEsi

(4)

ξ=fspk/fak

(5)

式中,Espi為第i層復(fù)合土層的壓縮模量；ξ為復(fù)合土層的壓縮模量提高系數(shù)；fspk為復(fù)合地基承載力特征值；fak為基礎(chǔ)底面下天然地基承載力特征值。強(qiáng)夯、DJP工法樁、注漿加固處理部分處理區(qū)域沉降變形,采用復(fù)合地基最終變形量進(jìn)行估算

S=ψspS′

(6)

5.2 變形計算結(jié)果

根據(jù)不同填土厚度、不同荷載對地基沉降的影響，選取有代表性的區(qū)域總裝車間進(jìn)行地基的整體沉降計算，其加固設(shè)計方案如圖2～圖4所示，計算結(jié)果詳見表2。

表2 總裝車間基礎(chǔ)DJP工法處理區(qū)地基最終變形量估算

由表2可以看出，在采用不同能級強(qiáng)夯+注漿+DJP樁變剛度復(fù)合地基處理后，總裝車間地基的最大沉降為15.59 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》5.3.4條規(guī)定，工業(yè)與民用建筑相鄰柱基的沉降差不大于0.002l(l為相鄰柱基的中心距離)。由表2可以看出，相鄰柱基的沉降差最大為5.21 mm,小于0.002×24 000=48 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

6 結(jié)論和建議

采用不同能級強(qiáng)夯+注漿+DJP樁的變剛度復(fù)合地基處理方案，考慮了強(qiáng)夯、注漿和DJP樁的優(yōu)缺點。強(qiáng)夯的作用是消除表層～中深部填土地基的濕陷性，降低填土的壓縮性，使上部土體形成“硬殼層”，可抵抗上部荷載傳遞的應(yīng)力作用；注漿加固主要是減少了超出強(qiáng)夯處理深度范圍外土體的架空現(xiàn)象，避免深部地基因未完成自重固結(jié)而造成上部建(構(gòu))筑物的不均勻沉降及局部傾斜；DJP樁主要是控制填土深度大的重要建(構(gòu))筑物區(qū)域的整體沉降及差異沉降。

通過對工程實例的研究分析，得出以下結(jié)論：

(1)變剛度復(fù)合地基處理方案以變形控制為設(shè)計依據(jù)，總體思路是處理后地基剛度與荷載效應(yīng)相匹配，荷載大的區(qū)域地基剛度大，荷載小的區(qū)域地基剛度小，以達(dá)到控制差異沉降的目的。

(2)采用不同能級強(qiáng)夯+注漿+DJP樁的變剛度復(fù)合地基處理方案，能有效解決削山填谷區(qū)域建筑地基整體沉降和差異沉降過大的問題，滿足建(構(gòu))筑物的使用要求。

(3)該項工程應(yīng)用證明，不同能級強(qiáng)夯+注漿+DJP樁的變剛度復(fù)合地基處理技術(shù)，是一種行之有效的新組合、新工藝，為山區(qū)建設(shè)中削山填谷區(qū)域地基處理提供了新的思路和經(jīng)驗。