復(fù)合地基的幾種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討

馮志威

摘要：由于建筑場(chǎng)地地形的復(fù)雜，地基處理一直是建筑施工的關(guān)鍵。隨著建筑業(yè)及復(fù)合地基的應(yīng)用與發(fā)展，我國(guó)施工和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了相關(guān)復(fù)合地基的優(yōu)化，這些優(yōu)化因?yàn)槭┕さ暮?jiǎn)便性及預(yù)算的大量減少，已逐漸被人們接受與學(xué)習(xí)，并廣泛應(yīng)用推廣，有的甚至已寫入相關(guān)規(guī)范，下邊就對(duì)這些相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

Abstract： Due to the complex terrain of construction sites， foundation treatment has been the key to the construction. With the development and application of construction industry and composite foundation， the construction and design staff have optimized the composite foundation. The optimization has been gradually accepted and learned by people for the simplicity of construction and a substantial reduction in budget， and has been widely used and promoted， and some even has been written to the relevant specification. This paper introduces the related technologies.

關(guān)鍵詞：復(fù)合地基；優(yōu)化；變剛度；聯(lián)合應(yīng)用

Key words： composite foundation；optimization；variable stiffness；joint application

中圖分類號(hào)：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）29-0131-03

0 引言

復(fù)合地基處理方法是在天然地基中設(shè)置一定比例的增強(qiáng)體（樁體），使樁、土共同承擔(dān)荷載，并具有密實(shí)法和置換法的效應(yīng)。由于設(shè)置增強(qiáng)體的方法不同、選用的樁體材料不同，復(fù)合地基法的密實(shí)作用和置換作用對(duì)承載力的提高幅值占的比例也不相同。不同樁型的復(fù)合地基，其承載力和變形特性明顯不同，了解不同樁型承載特性的共同點(diǎn)以及它們之間的差異，對(duì)在實(shí)際工程中合理選擇復(fù)合地基中的樁型具有重要的積極意義[1-3]。由于實(shí)際工程中的復(fù)雜多變，設(shè)計(jì)、施工人員對(duì)相應(yīng)的復(fù)合地基進(jìn)行了大量的實(shí)踐，總結(jié)出大量的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，其中有幾種復(fù)合地基的聯(lián)合使用，有變剛度調(diào)平復(fù)合地基樁的設(shè)計(jì)等，以下就結(jié)合相應(yīng)的工程實(shí)例對(duì)這幾種優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1 幾種復(fù)合地基的聯(lián)合使用

復(fù)合地基按樁的類型可以劃分為三類。第一類為散體材料樁復(fù)合地基。其樁體是由散體材料組成，沒有粘結(jié)強(qiáng)度，只有依靠周圍土體的約束才能形成樁體。其中代表為碎石樁和砂樁復(fù)合地基。第二類為柔性樁復(fù)合地基。樁體具有較低的粘結(jié)強(qiáng)度，能單獨(dú)形成樁體，常見的有水泥土復(fù)合地基和灰土樁復(fù)合地基。第三類為剛性樁復(fù)合地基。樁體具有較高強(qiáng)度和剛度，目前，我們常用的有CFG樁和鋼筋混凝土樁復(fù)合地基。由于這三類復(fù)合地基的樁體材料不同，施工方法不同，用于不同土質(zhì)情況，其作用機(jī)理不同，加固效果存在明顯的差異。對(duì)于散體材料復(fù)合地基主要是依靠土體的“圍箍”作用來提高地基的承載力，雖然地基的承載力提高較小，但卻有良好的排水作用；對(duì)于粘性材料樁復(fù)合地基主要依靠樁側(cè)阻力和端阻力把作用與樁體的荷載傳至深部土層，地基的承載力較大，但排水性能等其他特性不是特別突出。針對(duì)以上各種復(fù)合地基的特性，人們?cè)诠こ踢x用時(shí)取長(zhǎng)補(bǔ)短，使其更好地發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，把地基處理得更好[4-7]。

1.1 CFG樁和碎石樁的聯(lián)合使用

碎石樁和CFG樁在我國(guó)應(yīng)用已久，是比較成熟的地基處理工藝。正如上邊提到：碎石樁是散體材料樁，樁體承載力主要依賴于樁間土的“圍箍”作用，對(duì)于提高復(fù)合地基的承載能力有限。但由于其良好的排水通道作用，對(duì)于處理軟粘土地基和消除地基土的地震液化具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)；CFG樁是剛性樁，樁體剛度大，承載力高，可以大幅度的提高地基承載力和控制變形。當(dāng)把這兩種樁型組合在一起使用時(shí)，可以產(chǎn)生明顯的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用：利用碎石樁來提高淺層地基的承載力，并增大淺層地基土的復(fù)合模量，減少淺層土變形，同時(shí)建立排水通道消除地基土層液化；利用CFG樁尋找深層持力層，大幅提高地基承載力并控制沉降變形。如對(duì)于可液化的地基，既要求消除土體的液化，又要求有較高的承載力，當(dāng)采用單一的碎石樁加固地基，雖然可以消除液化，但承載力提高幅度有限，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。此時(shí)，可采用碎石與CFG兩樁型復(fù)合地基方案，以達(dá)到既消除地基的液化又大幅度的提高地基承載力的目的。

從公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，在國(guó)內(nèi)采用碎石與CFG兩樁型復(fù)合地基的工程數(shù)不勝數(shù)，下邊就舉山西省財(cái)政廳辦公樓工程。該工程利用碎石樁的擠密、振密作用，提高樁間土的密實(shí)度與強(qiáng)度，又利用其振動(dòng)工藝使地基土受到一定時(shí)間與一定程度的多次重復(fù)預(yù)液化作用，并通過高滲透性碎石樁體，改善地基的排水條件，達(dá)到縮短排水路徑、加速超靜空隙水壓消散、抑制液化發(fā)展、有效提高地基土的抗液化能力的效果。但考慮到僅僅采用碎石樁復(fù)合地基對(duì)該工程地基承載力的提高幅度有限，為進(jìn)一步提高復(fù)合地基承載力，并增強(qiáng)對(duì)碎石樁的側(cè)限約束作用以減少碎石樁頂部的壓脹變形，避免產(chǎn)生鼓脹破壞的可能性，該工程又采用了CFG樁對(duì)地基進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成了碎石與CFG兩樁型復(fù)合地基。實(shí)踐證明，能夠充分發(fā)揮兩種樁型的優(yōu)勢(shì)，具有良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 碎石樁和水泥土攪拌樁聯(lián)合應(yīng)用

我們都知道，在多種可液化地基處理加固方法中，干振碎石樁由于施工簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低、消除液化效果明顯等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用較廣，并且積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。但施工時(shí)的振動(dòng)使易液化地基產(chǎn)生預(yù)先液化，而且軟弱土因排水固結(jié)對(duì)鄰近建筑帶來不利影響。從城市建設(shè)來講，碎石樁使用有局限性。根據(jù)文獻(xiàn)[1]第8.2.4條的規(guī)定，碎石樁處理地基的寬度應(yīng)超出基礎(chǔ)的寬度不小于3～5m，這樣就更縮短了樁基與已有的建筑物的距離，對(duì)其鄰近建筑物產(chǎn)生的不利影響更加明顯，可能會(huì)造成局部?jī)A斜、墻體開裂、道路塌陷等，甚至有時(shí)不得不放棄使用碎石樁而采用工程預(yù)制樁或灌注樁。

干振碎石樁與水泥深層攪拌樁聯(lián)合應(yīng)用就是在碎石樁施工前，先在外圍采用深攪樁密排施工形成一道地下連續(xù)墻，其作用是：①使軟土和固化劑（水泥、石灰、粉煤灰等）強(qiáng)制攪拌后，經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)形成具有一定整體性和穩(wěn)定性的水泥土墻，既能減輕碎石樁施工產(chǎn)生的振動(dòng)，又能切斷基礎(chǔ)內(nèi)外地下水的聯(lián)系；②外圍設(shè)水泥深攪樁連續(xù)墻后，既減少了圍護(hù)樁的數(shù)量，樁間土的側(cè)限約束作用又得以增強(qiáng)，樁頂散粒部分的脹壓變形得到控制，復(fù)合地基承載力進(jìn)一步的提高；③施工時(shí)對(duì)基坑可以起到支護(hù)作用，方便了狹小場(chǎng)地下的基礎(chǔ)施工，能降低工程造價(jià)。在工程中的相關(guān)案例就是徐州礦務(wù)集團(tuán)一機(jī)廠18#住宅樓工程，該工程就是在天然地基為約19m厚嚴(yán)重液化粉砂土上，采用沉管灌注樁和碎石樁，有效的控制了沉降，防止了天然土的液化，提高的了地基的承載力。由此可見，在干振碎石樁處理液化土地基的施工中，聯(lián)合使用干振碎石樁與水泥深層攪拌樁，既擴(kuò)大了碎石樁的應(yīng)用范圍，又有利于復(fù)合地基承載力的大幅提高，具有一定的應(yīng)用前景。

1.3 石灰樁和CFG樁的聯(lián)合使用

工程中，單獨(dú)應(yīng)用石灰樁、CFG樁處理地基已有許多成功的先例。但有時(shí)只用一種方法還不能滿足地基的承載力及變形的要求，有時(shí)則施工困難或造價(jià)過高。采用石灰樁與CFG樁聯(lián)合應(yīng)用的方案，即先用石灰樁處理，利用生石灰吸水、膨脹擠密作用，提高樁間土的承載力，增加樁間土對(duì)CFG樁的側(cè)摩阻力，同時(shí)迅速降低施工場(chǎng)地內(nèi)地下水位，再利用CFG樁樁體強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可大幅度提高復(fù)合地基承載力。這樣不僅可降低工程造價(jià)，還可消化電廠廢料粉煤灰，取得經(jīng)濟(jì)和社會(huì)雙重效益。相關(guān)的工程案例為太原市某高層住宅樓設(shè)計(jì)，它的工程地質(zhì)條件為場(chǎng)地土以第四紀(jì)松散堆積物為主，層位、厚度基本穩(wěn)定，巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土與中細(xì)砂，經(jīng)計(jì)算，單用石灰樁不能達(dá)到承載力要求，而單獨(dú)采用CFG樁造價(jià)過高，且施工困難。故選用石灰樁與CFG樁聯(lián)合應(yīng)用的方法。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，由于相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值的合理性與準(zhǔn)確性才有了這種聯(lián)合應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

2 復(fù)合地基的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

復(fù)合地基的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，顧名思義就是通過在一個(gè)工程中的不同位置變換地基的剛度來達(dá)到復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，其中有變樁的疏密、樁的長(zhǎng)短、樁的粗細(xì)等方法。我們都知道，如今高層建筑是目前普遍的結(jié)構(gòu)形式，它不但最大限度利用了空間，而且可以更高效的提供各種社會(huì)服務(wù)。為了豐富使用功能和提高建筑物自身穩(wěn)定性的要求，主樓旁往往帶裙樓，形成塔樓大底盤結(jié)構(gòu)。塔樓大底盤之間剛度差異和荷載作用差異無(wú)疑是巨大的，即便是在上部荷載均勻分布、復(fù)合地基等剛度布置，但由于樁一土間的相互作用會(huì)導(dǎo)致復(fù)合地基的豎向支承剛度分布發(fā)生內(nèi)弱外強(qiáng)的改變，從而使得地基變形出現(xiàn)內(nèi)大外小的碟形分布，基底反力出現(xiàn)內(nèi)小外大的馬鞍形分布，為解決這類高層建筑地基承載力和變形兩大核心問題，變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，且已寫入相關(guān)的《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中。

2.1 長(zhǎng)、短樁復(fù)合地基的聯(lián)合應(yīng)用

如今，長(zhǎng)、短樁所形成的新型復(fù)合地基已經(jīng)開始在工程中得到應(yīng)用，并越來越顯示出其技術(shù)上的優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)上的合理性。長(zhǎng)、短樁復(fù)合地基可有效地提高地基強(qiáng)度，減少沉降，并降低造價(jià)。當(dāng)?shù)鼗惺艽怪焙奢d時(shí)，樁和樁間土都要發(fā)生變形。因樁的模量比土的模量大，樁的變形比土的變形小，為此在基礎(chǔ)下面設(shè)置了一定厚度的褥墊以使在變形過程中樁可以向上刺入褥墊層。隨著這一變化，褥墊層不斷調(diào)整著樁、樁間土間的應(yīng)力分布，以保證在任一荷載下，樁和樁間土始終共同參與工作。同單純的短樁或長(zhǎng)樁相比較，長(zhǎng)、短樁采用長(zhǎng)樁和短樁間隔布置的方式，由于加固范圍全場(chǎng)地通過應(yīng)力等值線，被加固的樁間土處于有利的三向應(yīng)力狀態(tài)，從而使天然土積極參與工作。長(zhǎng)短樁復(fù)合地基在豎向上利用了樁的有效工作長(zhǎng)度（剛度越小，其有效工作長(zhǎng)度越短），設(shè)計(jì)成剛性樁為長(zhǎng)樁，柔性樁為短樁，從而在豎向上形成3個(gè)剛度梯度，人工構(gòu)成了3層地基。即在基底以下，第一剛度：剛性樁+柔性樁+土；第二剛度：剛性樁+土；第三剛度：原天然土。這種長(zhǎng)短樁的布置方式，改變了剛性樁與柔性樁復(fù)合地基的變形場(chǎng)，天然土層的普遍規(guī)律是上部土層弱，下部土層強(qiáng)，長(zhǎng)短樁復(fù)合地基恰好達(dá)到了弱者多補(bǔ)，強(qiáng)者少補(bǔ)的效果。因此，剛性樁、柔性樁及樁間土組成的復(fù)合地基可以使強(qiáng)度得到顯著提高，并且有效地減少了變形。

相關(guān)的工程實(shí)例為：徐州市某小區(qū)1#住宅樓工程，該工程采用長(zhǎng)、短樁復(fù)合地基，其中長(zhǎng)樁采用素混凝土沉管灌注樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，樁徑450mm，樁長(zhǎng)16.0m；短樁采用深層水泥土攪拌樁，樁徑500mm；樁長(zhǎng)9.0m。長(zhǎng)、短樁在平面上成排交叉布置。共用長(zhǎng)樁152根，樁徑450mm，沉管灌注樁；短樁180根，樁徑500mm，水泥土攪拌樁。28d后，對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)的總沉降均小于20mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相關(guān)規(guī)范要求，且沉降隨時(shí)間、荷載的變化都是均勻的。未達(dá)到極限承載力狀態(tài)，安全儲(chǔ)備還很大。由此可見，長(zhǎng)、短樁復(fù)合地基根據(jù)樁的設(shè)置特點(diǎn)，合理地改善了平面的剛度組合與豎向剛度組合，形成了土的三維應(yīng)力狀態(tài)。通過復(fù)合地基載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，這種復(fù)合地基最大限度地利用了兩種樁的特點(diǎn)，提高了樁間土的參與作用，有效地提高了地基強(qiáng)度，減少了沉降，加快了施工速度，并降低了造價(jià)，具有較好的應(yīng)用前景。

2.2 疏、密樁復(fù)合地基聯(lián)合使用

疏、密樁復(fù)合地基和長(zhǎng)、短樁復(fù)合地基相相似，是通過改變樁的粗細(xì)達(dá)到變剛度的設(shè)計(jì)要求，也常用于主樓與裙樓之間，在這里不對(duì)其運(yùn)用原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，主要的工程實(shí)例是青島市萬(wàn)達(dá)影都的工程，由于對(duì)相關(guān)樁基進(jìn)行了載荷試驗(yàn)，對(duì)影都酒店區(qū)的一部分樁的間距由原來的一米二變?yōu)榱艘幻孜澹@樣大大減少了工程造價(jià)，初步估計(jì)可節(jié)省幾千萬(wàn)元。

當(dāng)然，在工程實(shí)際應(yīng)用中也有改變樁粗細(xì)變剛度的方法，除此之外，還有這幾種變剛度方法的聯(lián)合應(yīng)用，不管哪種方法，對(duì)方法運(yùn)用后沉降計(jì)算至關(guān)重要，最終到達(dá)沉降的均勻性是這幾種方法的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)在巖土工程的研究前沿，不論哪種優(yōu)化方法，都是以控制建筑物的沉降為核心的，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)論已逐漸被廣泛推廣，有的甚至已寫入相關(guān)的規(guī)范，但對(duì)復(fù)合地基的優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用還是存在很多的不足的。所以，還需要我們不斷改進(jìn)與創(chuàng)新。

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