王迎豐,曾華健,潘 忱,張小莉,劉雪珠,伍翔飛
(江蘇省巖土工程公司,江蘇 南京 210018)
大面積物流倉儲具有面積廣、堆載大及堆載時間長等特點(diǎn),當(dāng)遇復(fù)雜地質(zhì)條件時,采用天然地基顯然無法滿足倉庫正常使用功能要求,故需對地基進(jìn)行加固處理以滿足對地基的承載力及沉降要求。現(xiàn)有地基處理方法包括水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、剛性樁、強(qiáng)夯法、換填碾壓、真空預(yù)壓等多種,采用以上方法對地基進(jìn)行加固后一般均能達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求。但基于物流倉儲分布的地域性差異,地基處理常面臨深厚松散填土、高含水率軟土、淤泥質(zhì)土、泥炭土等復(fù)雜軟土地基。同時隨著科技的發(fā)展,智能物流倉儲也逐漸增加,其運(yùn)營過程中的高精密叉車、自動分揀機(jī)及無人搬運(yùn)車等也受倉庫地坪沉降及不均勻沉降影響較大,對地坪平整度要求也較高。鑒于場地地質(zhì)條件的復(fù)雜性及物流倉儲對地坪沉降及平整度的高要求性,此時采用傳統(tǒng)地基處理方法難以達(dá)到對變形或承載力的設(shè)計(jì)要求,或不能兼顧到倉庫地基處理設(shè)計(jì)對造價的要求,具有一定的局限性[1-2]。
基于此,提出孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合素混凝土樁(CFG疏樁)復(fù)合地基處理新技術(shù),闡述孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁處理復(fù)雜軟土地基的工藝原理、工藝特點(diǎn),進(jìn)一步結(jié)合某上覆深厚填土,下覆高壓縮性軟弱夾層場地物流倉儲項(xiàng)目地基處理工程,采用孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁對該復(fù)雜場地大面積物流倉儲地基進(jìn)行加固處理以解決軟土沉降、承載力不足以及不均勻沉降問題,詳細(xì)闡述孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁在該工程應(yīng)用中的設(shè)計(jì)及施工工藝,并分析評價處理效果,相關(guān)研究為今后類似復(fù)雜大面積地基處理工程提供借鑒[3-4]。
對孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁處理復(fù)雜軟土地基的施工工藝原理、適用范圍、工藝流程及操作要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
(1)孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁技術(shù)
孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁在成樁原理上歸屬于強(qiáng)夯置換地基處理范疇,強(qiáng)夯置換加固地基的原理是利用強(qiáng)夯法加固高飽和度黏性土或粉土?xí)r,在夯坑內(nèi)不斷填入石塊、碎石或其它粗顆粒材料,隨后將碎石填料強(qiáng)行夯擊并擠入周邊軟土,在軟土地基中形成大于夯錘直徑的碎石樁,這種碎石樁一方面起到置換作用,使附加荷載向樁體集中,另一方面具有強(qiáng)夯加密作用。在強(qiáng)夯過程中,通過碎石向下的不斷貫入,會使得樁底土層受到?jīng)_擊能的影響而得到加密,同時碎石填料向四周側(cè)向擠出,也會使樁側(cè)土層得到擠密加固。其次,碎石樁因其本身的大直徑高孔隙比特性,成樁之后也起到一個大直徑豎向排水井的作用,在附加荷載作用下可加快孔隙水壓力的消散而迅速提高土體強(qiáng)度[5-8]。
孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁是一種新型強(qiáng)夯置換改進(jìn)工藝,其采用長螺旋鉆機(jī)或旋挖鉆機(jī)預(yù)成孔,成孔樁直徑為800~1 200 mm,樁端進(jìn)入土層一定深度??變?nèi)回填碎石土、磚渣、混凝土塊或風(fēng)化石等硬質(zhì)材料,填至孔深2/3或孔口處,隨后通過強(qiáng)夯機(jī)吊起異型錘(橄欖錘)一定高度,夯擊能宜取800~1 500 kN·m,分次夯擊、分次填料,每次3~5擊,每次填料1.5~2 m3,達(dá)到一定擊數(shù)、或石料基本不下沉、或周邊隆起過大時進(jìn)行收錘。通過對側(cè)向軟弱土體進(jìn)行擠密、對下部土體進(jìn)行夯實(shí),形成“漏斗狀”樁體。結(jié)合多遍強(qiáng)夯,樁頂填土后進(jìn)行滿夯一遍,再進(jìn)行回填土碾壓,從而對土體進(jìn)行有效加固[4]。
(2)孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁技術(shù)
孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁為通過孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁對表層填土、軟土等復(fù)雜地層進(jìn)行處理,發(fā)揮強(qiáng)夯碎石樁的置換及擠密作用,再加以滿夯對表層填土進(jìn)行夯實(shí),提高表層填土的地基承載力,通過 CFG疏樁對下部軟土進(jìn)行處理,樁端穿過軟土層進(jìn)入硬持力層,起到減沉作用,大大減小地坪后期工后沉降。其中強(qiáng)夯碎石樁成樁直徑 1.4~1.5 m,CFG樁樁徑400~500 mm,CFG樁在碎石樁間按內(nèi)插布置,隨后于樁頂回填級配碎石或鋪設(shè)一層碎石褥墊層,再經(jīng)過碾壓或補(bǔ)土碾壓,達(dá)到加固處理目的[3]。
(1)處理效果顯著
孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁技術(shù)為剛性樁與散體材料樁相結(jié)合的復(fù)合地基處理方法,充分發(fā)揮了碎石樁與 CFG疏樁的優(yōu)勢,通過碎石樁提高了地基整體承載力,通過 CFG疏樁對地基沉降進(jìn)行有效控制,地基處理效果顯著。
(2)施工安全
與傳統(tǒng)地基處理方法相比,孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁施工工藝簡單、施工操作簡便、各工序施工技術(shù)成熟、危險(xiǎn)性因素及不確定情況較少、施工安全易于控制。
(3)經(jīng)濟(jì)環(huán)保
相較于傳統(tǒng)(半)剛性樁(CFG樁、預(yù)制樁)復(fù)合地基,本工藝可在保證處理效果的基礎(chǔ)上,降低(半)剛性樁的用量,可大幅降低造價成本,同時碎石樁具有填料取材方便、可采用建筑廢料替代及成樁過程中震動影響小等優(yōu)勢特點(diǎn),經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益顯著[9-10]。
孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁適合處理上覆高壓縮性軟土、填土,下覆軟土層等地區(qū)的大型物流倉儲、工業(yè)園等大面積地基處理施工,處理深度可達(dá)20~25 m左右。
孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁復(fù)合地基施工工藝流程如圖1所示。
圖1 孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁施工工藝流程圖Fig. 1 Construction process flow chart of dynamic compacted gravel pile and CFG pile
(1)放線定位
a)依據(jù)所提供的坐標(biāo)點(diǎn)用全站儀或GPS進(jìn)行工程定位,在場內(nèi)四周選擇可永久保留位置埋設(shè)、固定至少4個控制點(diǎn)。
b)在地基四周布設(shè)4條軸線,打入木樁并釘入小鐵釘,地面以上外漏30~50 cm。
c)依據(jù)施工圖紙,在施工現(xiàn)場平面內(nèi)布設(shè)等間距方格網(wǎng),進(jìn)行夯點(diǎn)放樣,標(biāo)出第一遍樁點(diǎn)位置。
(2)夯前標(biāo)高測量
依據(jù)甲方提供的高程控制點(diǎn)用水準(zhǔn)儀在地基周邊定位可長期保留的±0.00點(diǎn),依此在場內(nèi)做出標(biāo)高控制點(diǎn),并對場內(nèi)天然地基控制點(diǎn)標(biāo)高進(jìn)行量測,作為后續(xù)施工的依據(jù)。
(3)施工試驗(yàn)樁
大面積孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁或 CFG樁施工之前,需先進(jìn)行試驗(yàn)樁施工。對于碎石樁,通過試夯得到夯擊數(shù)、填料量和夯沉量關(guān)系曲線,從而最終確定夯擊擊數(shù)、收錘標(biāo)準(zhǔn)、夯擊面標(biāo)高和強(qiáng)夯碎石樁夯填石料數(shù)量等具體參數(shù)。對于CFG樁,通過施工試驗(yàn)樁成樁后對樁體進(jìn)行平板載荷試驗(yàn),以確定CFG樁成樁深度、承載力與沉降關(guān)系等參數(shù),以指導(dǎo)后續(xù)大面積碎石樁與CFG樁施工。
(4)孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁施工
采用長螺旋鉆機(jī)或旋挖鉆機(jī)成孔,孔深根據(jù)地層一般為5~10 m,視地基填土層或淺層軟土厚度而定,孔內(nèi)填充碎石料至孔深2/3處或孔口處(依據(jù)地層地質(zhì)條件確定),采用橄欖錘(異形錘)按設(shè)計(jì)擊數(shù)進(jìn)行夯擊,夯擊能量800~1 500 kN·m??變?nèi)填料選用碎石直徑<30 cm,含泥量<5%,填料分層填入樁孔,分層夯實(shí)形成樁體,重復(fù)以上步驟,施工下一根樁,分次夯擊、分次填料,每次 3~5擊,每次填料1.5~2 m3。
(5)滿夯
強(qiáng)夯碎石樁施工結(jié)束后,進(jìn)行場地平整,采用平錘進(jìn)行一遍滿夯,夯錘直徑2.2~2.5 m,滿夯擊數(shù)2擊,夯擊能為1 000~1 500 kN·m,夯錘錘印搭接面積不小于1/4。
(6)CFG樁施工
a)樁身強(qiáng)度C15~C25,采用長螺旋挖鉆孔等機(jī)械成孔工藝,灌注成樁。
b)施工前應(yīng)按設(shè)計(jì)要求在室內(nèi)進(jìn)行配合比試驗(yàn),施工時按配合比配置混合料,所選材料均應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。
c)成樁過程中,抽樣做混合料試塊,每臺機(jī)械每天應(yīng)做一組(6塊)試塊,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),測定其立方體抗壓強(qiáng)度。
d)樁頂灌注高度控制在室外地坪標(biāo)高下1.0~1.5 m,上部用級配砂石回填夯實(shí)。
e)挖土和截樁時應(yīng)注意對樁身及樁間土的保護(hù),嚴(yán)禁造成樁身開裂甚至破壞或擾動樁間土。
f)施工樁身垂直度偏差不得大于1%。
g)施工前應(yīng)選取 5根有代表性的樁先進(jìn)行試樁,確定施工工藝、判定施工可行性及成樁效果。
(7)樁頂墊層施工
樁頂回填一定厚度的級配碎石墊層,不需要滿鋪。
(8)回填碾壓
采用22 t振動壓路機(jī)碾壓密實(shí),至少3~5遍,最后分層回填碾壓至交工面。為保證孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁與 CFG樁共同發(fā)揮作用,上部填土應(yīng)選擇山皮土,且填土厚度至少達(dá)500 mm以上。
昆明某物流分發(fā)中心場地位于昆明市呈貢新城馬金鋪片區(qū),處于梁峰路與照塘街的交叉口,北面緊靠照塘街,東面緊鄰梁峰路,總占地面積118 900.58 m2。一期工程包含1號庫房、2號庫房、設(shè)備房、維修間、綜合樓及門衛(wèi),用地面積63 696.98 m2;二期工程包含3號庫房、4號庫房及門衛(wèi),用地面積55 203 m2。一期為單層倉庫,二期建筑方案未確定,但倉庫邊界已確定。一二期中間為河道,水位在現(xiàn)有地面以下3 m,西側(cè)為水廠,北面照塘街過去為正在建設(shè)的廠房,其余兩側(cè)均為道路或空地,無重要管線。原場地為種植土,并經(jīng)政府回填平整,回填土質(zhì)量較差,基本為基坑開挖棄土,非山皮土。
根據(jù)場地勘察報(bào)告,地層主要是:
①填土,為場地整平時回填,成份主要由黏性土夾碎石、角礫及砂土等組成,部分為基坑開挖棄土,結(jié)構(gòu)松散,填埋時間短。
②耕土層,力學(xué)性質(zhì)及狀態(tài)均較差,厚度薄。
③黏土層,沖洪積成因,狀態(tài)較好,力學(xué)強(qiáng)度及抗變形能力一般,層頂埋深0.50~2.50 m,層厚2.30~5.10 m。
④黏土,力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均較好,抗變形能力稍好,層頂埋深9.50~10.50 m,層厚2.30~5.10 m。
④-2泥炭質(zhì)土層,力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均相對較差,呈薄層或透鏡體狀,連續(xù)性較差,屬深埋軟弱夾層。
⑤黏土層,力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均一般,抗變形能力稍好,層頂埋深 9.50~10.50 m,層厚 2.30~5.10 m。
⑤-1圓礫層,力學(xué)強(qiáng)度及狀態(tài)均較好,抗變形能力稍高,層頂埋深 2.80~5.10 m,平均層厚4.30 m,場地連續(xù)分布。
勘察期間經(jīng)量測,所有鉆孔均觀測到穩(wěn)定地下水,測得鉆孔初見水位在1.60~4.50 m之間,穩(wěn)定水位在2.00~5.50 m之間。
場地典型地質(zhì)剖面圖及土工物理力學(xué)指標(biāo)見圖2與表1。
表1 各巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Mechanics parameters of soils
圖2 典型地質(zhì)剖面圖Fig. 2 Typical geology sections
(1)場地上部為新近填土層,厚度5~6 m,且局部為基坑開挖棄土,結(jié)構(gòu)松散,力學(xué)性能較差。
(2)場地地層分布不均勻,局部為原狀土,如3號庫位置,1、4號庫區(qū)填土較厚且底部有泥炭質(zhì)土。
(3)場地中間為河道,水位較高,穩(wěn)定水位最高達(dá)2 m,回填土含水率較高。
(4)下部有一層泥炭質(zhì)土層,埋置深度 11~22 m,厚度2~8 m,力學(xué)強(qiáng)度低,連續(xù)性較差,屬軟弱土夾層,需要重點(diǎn)防治。
(5)地基處理施工不能影響周邊環(huán)境,特別是北面建筑主體施工、塔山路靠近本項(xiàng)目的大直徑污水管,不得影響塔山路對面污水處理廠的正常運(yùn)營。
(1)地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值:單層庫房、室外地坪及道路大于100 kPa,壓縮模量大于8 MPa。
(2)按建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定傾斜度控制在3/1 000內(nèi),同時解決填土、泥炭質(zhì)土的沉降變形問題。
(3)標(biāo)高控制:室內(nèi)地坪高出室外地坪1.30 m,須回填至交工面標(biāo)高。
(4)場地經(jīng)過地基處理后,地基土物理力學(xué)指標(biāo)將得到有效改善,因此單層大跨度建筑物樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)盡量選擇與地坪地基處理工法相協(xié)調(diào),可最大程度的滿足地基變形協(xié)調(diào),減小不均勻沉降。
根據(jù)場地地層情況、周邊施工環(huán)境、工程特點(diǎn)以及庫區(qū)地基處理要求,場地內(nèi)人工填土采用普通強(qiáng)夯、強(qiáng)夯置換和強(qiáng)夯碎石樁處理。采用孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁工藝,以減小強(qiáng)夯震動對鄰近建筑的影響,庫區(qū)采用孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁保證碎石料穿透填土層,保證處理效果。CFG樁處理深部軟弱泥炭質(zhì)土,同時調(diào)整地基的不均勻沉降。庫內(nèi)填高 1.30 m的部分,分兩層進(jìn)行碾壓處理,采用沖擊碾壓和振動碾壓相結(jié)合的處理方法。
地基處理劃分為5個區(qū)域,其中I區(qū)采用普通強(qiáng)夯+強(qiáng)夯碎石樁+滿夯工藝,Ⅱ區(qū)采用普通強(qiáng)夯(兩遍)+滿夯工藝,Ⅲ區(qū)采用普通強(qiáng)夯+滿夯+CFG樁工藝,Ⅳ區(qū)采用孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁+滿夯+CFG樁工藝,V區(qū)采用普通強(qiáng)夯+孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁+滿夯工藝,其中孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁工法主要應(yīng)用于場地Ⅳ區(qū)(1號庫),對應(yīng)該區(qū)域場內(nèi)分布位置如圖3所示。
圖3 地基處理分區(qū)布置圖Fig. 3 General plan layout according to specific areas
場地地基處理分地坪及基礎(chǔ)區(qū)域。
(1)地坪
Ⅳ區(qū)(1號庫)采用孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁施工工藝:第一工序進(jìn)行孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁施工,引孔直徑0.8~1.0 m,成樁直徑約1.4 m,孔內(nèi)夯填碎石料,強(qiáng)夯能量1 500 kN·m,每米夯3擊,樁長以穿透填土層1 m控制,樁點(diǎn)間距4 m×4 m,按正方形網(wǎng)格狀布點(diǎn),碎石樁施工完畢后,全場滿夯一遍。第二工序進(jìn)行CFG樁施工,CFG樁點(diǎn)在強(qiáng)夯碎石樁樁點(diǎn)之間按梅花狀插入,樁點(diǎn)間距4 m×4 m,正方形網(wǎng)格布點(diǎn),樁徑400 mm,C15灌注,樁長以穿過泥炭質(zhì)土1 m控制,樁長范圍在18~22 m??變?nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合 CFG疏樁施工平面布點(diǎn)圖及典型剖面圖分別如圖4~5所示。
圖4 孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁樁點(diǎn)布置平面圖Fig. 4 Pile layout plan of dynamic compacted gravel pile and CFG pile
庫內(nèi)堆高1.30 m平臺處理,采用土料性能穩(wěn)定的黏土或山皮土回填,避免采用淤泥、膨脹土等不良土料,分兩層回填碾壓,每層采用22 t振動壓路機(jī)碾壓5遍,32 kJ沖擊碾壓20遍,振動碾壓與沖擊碾壓交錯進(jìn)行,期間用推土機(jī)對作業(yè)面進(jìn)行推平。
沿場地內(nèi)地下水上游等位置布置適當(dāng)降水井,采用管井降水,將水位控制在填土層以下,具體數(shù)量根據(jù)降水情況確定。
沿場地周邊開挖減震溝,底口寬 1.5 m,深度3 m,減震溝與排水溝共同構(gòu)成場地的排水系統(tǒng)。
圖5 孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁復(fù)合地基典型剖面圖Fig. 5 Typical section of composite foundation of dynamic compacted gravel pile and CFG pile
(2)倉庫基礎(chǔ)地基
Ⅳ區(qū)(1號庫)存在深層泥炭土,基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)采用 CFG樁復(fù)合地基工法,與地坪疏樁(CFG樁)工法基本一致,而布樁間距不同。CFG樁樁長19 m,混凝土強(qiáng)度為C25,設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa,樁頂位置設(shè)置厚度為0.5 m的級配碎石褥墊層。
對場地Ⅳ區(qū)(1號庫)孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁復(fù)合地基進(jìn)行現(xiàn)場承載力檢測,根據(jù)規(guī)范要求[11],隨機(jī)選取5處進(jìn)行靜載試驗(yàn),試驗(yàn)壓板面積為1 m2,載荷由 40 kPa按每級 20 kPa逐級加載至200 kPa,隨后卸載至0 kPa,檢測過程中,實(shí)時記錄各級荷載下的壓板沉降量,對各點(diǎn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)后示于圖6。
圖6 平板靜載試驗(yàn)Q-S曲線Fig. 6 Q-S curve of plate static load test
由圖可知,平板靜載試驗(yàn)的沉降曲線平穩(wěn),說明未出現(xiàn)地層剪切破壞或樁的大尺寸滑動,根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[11],對水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基,當(dāng)?shù)鼗责ば酝?、粉土為主時,可取S/D=0.01對應(yīng)的荷載為復(fù)合地基承載力特征值,且其值不應(yīng)大于最大加載量的一半,本次試驗(yàn)取D值為1 000 mm,則總沉降S為10 mm,從圖中可以看出,復(fù)合地基承載力特征值均大于100 kPa,沉降變形亦較小,復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。
在Ⅳ區(qū)(1號庫)地基處理施工完成且水穩(wěn)層或墊層施工完畢后開始沉降監(jiān)測,結(jié)果見圖7。
圖7 1號庫地坪沉降曲線Fig. 7 Floor subsidence with time of 1# warehouse
由圖可知,地基處理施工完成近4年,一期工程已投入使用3年,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,地坪沉降量較小,平均下沉9 mm。其中主體結(jié)構(gòu)施工期間,地坪沉降量在7~9 mm,投入使用兩年期間,地坪沉降量在6~8 mm,隨后沉降趨勢進(jìn)一步減小。倉庫投入使用至目前為止,經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示地坪沉降與基礎(chǔ)差異沉降較小,一期工程地坪、柱角等均未出現(xiàn)明顯裂縫。
(1)孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG疏樁地基處理技術(shù)主要用于處理上覆高壓縮性軟填土,下覆軟弱夾層等復(fù)雜軟土地基,利用碎石樁處理表層軟土,提高地基承載力,利用CFG樁處理下部深層軟土,減小地基沉降,處理深度可達(dá)20~25 m。
(2)對于附加荷載較低的單層建筑地坪與基礎(chǔ)應(yīng)盡量選用相同的地基加固方法,根據(jù)場地地坪附加荷載大小、地層分布特點(diǎn),采用不同夯擊能及改變 CFG樁長方式實(shí)現(xiàn)地基變剛度從而實(shí)現(xiàn)減少差異沉降效果。
(3)基于特定施工工藝形成“漏斗狀”碎石樁樁身,可有效防止軟土地層孔內(nèi)強(qiáng)夯過程中的塌孔、縮頸影響,在工藝上采用低能量強(qiáng)夯,震動影響極小,處理效果好,且樁身填料易獲取,經(jīng)濟(jì)性高。