沉降控制的水泥土攪拌樁復合地基在軟土地區(qū)應用

張崇淼

(福州市建筑設計院 福建福州 350011)

0 引言

福建沿海地區(qū)分布較厚的海相淤泥、淤泥質土等軟土，具有厚度大，含水量高，孔隙比大，壓縮性高、強度低的特點。水泥土攪拌樁作為軟土地基處理的一種方法，具有施工方便、費用低廉、加固軟弱土厚度大的優(yōu)點,在軟土地基上建設工業(yè)建筑及多層建筑被廣泛應用。水泥土攪拌樁適用于處理正常固結的淤泥、淤泥質土、黏性土、粉土、飽和黃土、素填土等土層。水泥土攪拌樁復合地基因其充分利用了樁和樁間土的共同作用,形成了平面及豎向合適的剛度梯度，對軟弱土層的承載力有效補強，樁端能夠進入較好的土層，減少復合地基的沉降，同時節(jié)省了工程量,造價較低，但水泥土攪拌樁復合地基被廣泛應用同時也出現(xiàn)了建筑物后期沉降過大、沉降不均、傾斜等事故。因此，對沉降變形要求嚴格的建筑設計時，在滿足承載力和沉降要求時，應以沉降控制為主。

1 工程實例

1.1 工程概況

某天然氣管網工程分輸站工藝設備裝置區(qū)位于福建省沿海灘涂地區(qū)，上部結構為鋼混框架結構，基底尺寸30m×9m,地基設計承載力特征值為110kPa，準永久組合下基底附加壓力Po=70kPa，對不均勻沉降較敏感，設計要求基礎最大沉降量不超過200mm，基礎形式采用柱下條形基礎，基礎埋深2.0m。

擬建場地在勘察深度范圍內的地層，主要由人工填土(Q4ml)、海相淤積層(Q4m)淤泥、淤泥夾砂，海陸交互相沉積層(Q4mc)粉砂夾泥、第四系沖積層(Q4al)粉質粘土、粉砂：

①素填土(Q4ml)：褐黃色，濕～飽和，松散。以粘性土為主，硬質物含量約占5%～10%，厚度0.50m～1.90m。

②淤泥(Q4m)：深灰色，流塑，飽和。含少量腐殖質，有腥臭味，能看到未完全分解的植物結構，浸水體脹，易崩解，干縮現(xiàn)象明顯，本層分布于整個場地，分布厚度2.90m～8.50m。

③淤泥夾砂(Q4m)：深灰色，流塑，飽和。粘性較強，捻面有砂感，稍有光澤，干強度及韌性均為低，搖震反應慢，含腐殖質，具腥臭味，不均勻夾薄層中細砂，本層分布于整個場地，分布厚度8.90m～13.40m。

④-1粉砂(夾泥)(Q4mc)：淺灰色，飽和，稍密。主要成分為石英，粒徑大于0.075mm顆粒平均含量占61.1%，粉粘粒平均含量占38.9%，淤泥呈薄層狀分布，單層一般厚度為2mm～40mm，總厚度約占粉砂層5%～10%，本層分布于整個場地，厚度4.00m～8.60m。

④-2粉砂(夾泥)(Q4mc)：淺灰色，飽和，中密。主要成分為石英。粒徑大于0.075mm顆粒平均含量占59.6%，粉粘粒平均含量占40.4%。顆粒呈次棱角狀，分選性較好，級配較差。淤泥呈薄層狀分布，單層一般厚度為2mm～40mm，總厚度約占粉砂層的5%～10%。本層分布于整個場地，揭露厚度10.20m～28.10m。

⑤粉質粘土(Q4al)：灰白色，可塑，飽和，以粉質粘土為主，含有少量石英砂，本層層厚約6.0m。

各巖土層主要物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 各巖土層主要物理力學參數(shù)

根據(jù)場地工程地質條件，天然地基無法滿足上部建筑的承載力要求，場地分布深厚高含水量的海相淤泥等軟土，按地區(qū)經驗擠土樁使用效果不好；若采用沖(鉆)孔灌注樁不經濟。經多方案比較,建筑物地基擬采用水泥土攪拌樁復合地基。

1.2 水泥攪拌樁復合地基承載力計算分析

水泥土攪拌樁復合地基承載力計算公式為：

fspk=λmRa/Ap+β(1-m)fsk

其中Ra取Ra=up∑qsikli+apqpAp與Ra=ηfcuAp中的較小值，式中：ap為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)(取0.5)；

qp為樁端地基土未修正的地基承載力特征值(kPa)(取110kPa)；

fcu為根據(jù)室內試驗，取值2.3MPa;

η樁身強度折減系數(shù)，干法可取0.20～0.25，濕法可取0.25，本估算取值0.25;

λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)(取0.9)；

β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)(取0.4)；

m為面積置換率；

fsk為處理后樁間土承載力特征值(②層淤泥，取45kPa)。

從以上計算公式可看出,消去場地客觀地質條件所決定的參數(shù),影響復合地基承載力的設計因素主要為樁長及面積置換率m。當置換率一定時，隨著樁長的增加；復合地基承載力隨之增加，當超過臨界樁長時，單樁承載力以樁身強度控制，即使再增加樁長對復合地基承載力的增加起不了作用。針對該工程實例，樁長及置換率對承載力的影響關系曲線如圖1～圖2所示。

圖1 樁長對復合地基承載力的影響

圖2 置換率對復合地基承載力的影響

1.3 沉降分析

影響水泥土攪拌樁復合地基沉降的主要因素分析如下：

(1)樁長對沉降的影響

復合地基的沉降由加固區(qū)的沉降量和下臥層的沉降量組成，當水泥土攪拌樁懸浮于軟土中時，會導致下臥層的沉降量增大。當水泥土攪拌樁進入相對較好的土層時，能夠大大的減少下臥層的沉降量。許多研究表明，水泥土攪拌樁存在臨界樁長，超過臨界樁長，增加樁長并不能明顯減少地基沉降。針對該工程實例，假設置換率m為20%不變情況下，計算不同的樁長8m、10m、12m、16m、18m、20m對沉降的影響，將計算(按規(guī)范[1-2]分層總和法進行)結果影響關系曲線表示如圖3所示。圖示表明當樁長超過12m后，樁長對總沉降的影響曲線趨于平緩；加固區(qū)的沉降在總沉降中的占比較大，增加樁長對于加固區(qū)的壓縮模量提高并不明顯。

(2)水泥摻入量對沉降的影響

在水泥摻入比較低時，增大水泥的摻入量能夠增加樁體的強度，進而提高加固區(qū)的變形模量，對降低沉降的作用十分明顯。但許多試驗表明，在水泥摻入比達到15%左右時，它己經不能大幅度降低沉降，因此，盲目地通過增大水泥摻入比來降低沉降的辦法并不經濟，一般設計采用的水泥摻入比為13%～18%。

(3)置換率

置換率越大，承載力提高越大，相應沉降越小，但過高的置換率會引起造價過高。針對該工程實例，假設樁長(取16.0m)不變情況下，計算不同的置換率15%、18%、20%、23%、25%、30%對沉降的影響，將計算結果的影響關系曲線表示如圖4所示。由圖4可知，在樁長不變的情況下，提高置換率，能夠提高加固區(qū)的復合模量，減少沉降，置換率亦是控制沉降的重要因素之一。

圖3 樁長對沉降的影響

圖4 置換率對沉降的影響

1.4 水泥土攪拌樁合地基的設計

在滿足地基承載力和沉降要求時應以沉降控制為主原則，綜合以上各因素考慮，設計水泥土攪拌樁進入持力層④-1粉砂(夾泥)不少于1.0m，樁長約16.0m，樁徑500mm，正方形布樁，樁中心距為1000mm，置換率m=0.20時為處理效果最有效、最經濟。根據(jù)以上相關承載力計算，單樁承載力特征值Ra為110kN,復合地基承載力設計值fspk為115kPa。

1.5 復合地基的沉降計算

復合地基沉降計算采用規(guī)范[1-2]中的分層總和法。根據(jù)上部荷載等情況計算，地基變形的計算深度應大于復合土層的深度，計算深度采用沉降比法確定，取19.6m。

各復合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量的ζ倍。

ζ=fspk/fa=115/45=2.56

列表計算如表2所示。

表2 沉降計算過程表

變形計算深度范圍內壓縮模量的當值量按下式計算：

s=0.955×70×2.46=164.5mm<200mm，滿足設計要求。

計算深度選取的校核：

由計算深度19.6m向上取厚度Δz=1.0m，計算變形值：

2 施工后的檢測及沉降觀測分析

2.1 單樁豎向抗壓靜載承載力檢測

場地內隨機抽選4根樁進行靜載試驗，設計單樁豎向抗壓承載力特征值為110kN，最大試驗荷載為220kN。靜載試驗加荷方式為慢速維持荷載法,每級荷載增量為(1/10)Qu,直到設計要求極限荷載。試驗過程嚴格按照《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-2012)等規(guī)范[1,3]執(zhí)行。試驗過程未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象,試驗樁在最大荷載作用下樁頂累計沉降量均小于40mm且沒有明顯沉降增大的現(xiàn)象,最終沉降達到穩(wěn)定。每級卸荷量為(2/10)Qu。試驗結果的Q-s曲線如圖5所示。

圖5 單樁豎向抗壓靜載Q-s曲線

2.2 復合地基承載力檢測

場地內隨機選取3個點單樁復合地基承載力檢測，承壓板采用方形承載板，面積為1m2，按設計要求的最大試驗荷載為230kPa，試驗過程嚴格按照《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-2012)等規(guī)范[1,3]執(zhí)行。 Q-s曲線是平緩的光滑曲線時，可按變形值來確定復合地基承載力特征值。該工程?。簊/b=0.007,即s=0.007×1000=7mm時，對應的壓力分別為123kPa、125kPa、140kPa均大于最大加載量的一半，單樁復合地基承載力特征值可取最大加載量的一半即115kPa。試驗結果的Q-s曲線如圖6所示。

圖6 復合地基載荷Q-s曲線

2.3 鉆芯法檢測

場地內隨機選取6根樁在施工28d后進行鉆芯法檢測，并對樁身芯樣進行水泥土抗壓試驗，以評定成樁質量。取芯檢測結果均能滿足設計要求。典型樁取芯照片如圖7所示。

2.4 沉降觀測及分析

根據(jù)規(guī)范要求，處理地基上的建筑物應在施工期間及使用期間進行沉降觀測。根據(jù)設計要求，沉降觀測點在建筑長度方向及角點每10m布一點，整個建筑一共布8個點。

該建筑物在基礎施工時至竣工，各監(jiān)測點的累計沉降量實測值為71.3mm～82.6mm，按地區(qū)經驗目前的沉降量已占最終沉降量的60%左右，小于沉降控制標準值。相鄰柱基的沉降差小于0.002L(12mm)，滿足設計要求。

圖7 試樁芯樣照片

目前復合地基沉降計算仍以經驗方法為主，根據(jù)理論的計算沉降值與實際的沉降觀測數(shù)據(jù)對比分析，筆者認為有以下幾點分析：

①理論沉降計算將加固區(qū)的樁土看成一個復合土層，未充分考慮樁體及樁間土的相互作用；實際樁土在附加應力作用下的工作狀態(tài)，并不符合樁土等應變假設；

②加固區(qū)復合土層的模量比天然地基土的壓縮模量提高的倍數(shù)按兩者承載力的比值ζ亦按經驗取值，筆者認為當樁端持力層能夠進入較好的土層，樁體對于沉降的控制占比很大時，此時加固區(qū)復合模量比原土體的壓縮模量(特別是軟弱土層)提高的倍數(shù)可大于ζ；

③處理后地基土與未經處理天然土層的基底附加應力擴散情況不同，附加應力隨深度的曲線變化差別較大。

3 結論

(1)水泥土攪拌樁復合地基是由水泥土攪拌樁、樁間土和褥墊層組成的。通過調整設計和施工參數(shù),使三者形成一個受力整體,變形協(xié)調是水泥土攪拌樁復合地基的加固機理所在[4]。

(2)水泥土攪拌樁復合地基處理在滿足設計要求的承載力和沉降時，應以控制沉降為主，因場地內軟土厚度分布不同，應根據(jù)軟土的厚度調整樁長，應避免懸浮樁。

(3)在水泥土樁復合地基的設計計算中,應控制樁的置換率、有效樁長及樁體剛度,使樁和樁間土共同承擔荷載,充分發(fā)揮樁間土的承載力。

(4)地基處理后的承載力檢測是驗證其承載力的關鍵，在無相關經驗可借鑒的地區(qū)在大面積施工前，應在場地代表性區(qū)域進行試樁施工和檢測，并根據(jù)檢測結果，調整相應的設計參數(shù)。