孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁+CFG樁在軟土地基處理中的應(yīng)用研究

張小莉， 伍翔飛， 王迎豐， 曾華健

（江蘇省巖土工程公司，南京 210008）

0 引言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，面臨的復(fù)雜地質(zhì)條件越來越多，采用傳統(tǒng)單一樁型加固已較難滿足特定地層條件下的地基處理要求。為此，多樁型加固方法的研究與應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。多樁型加固方法在保留原單一樁型加固特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合另一種樁型，兩種樁型優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)天然地基具有較好的處理效果，可有效解決傳統(tǒng)單一樁型在處理特殊地層地基時(shí)的缺陷與不足，改善原天然地基的承載性狀［1-3］。

目前，增強(qiáng)體地基加固方法包括碎石樁、砂土樁、灰土樁、水泥攪拌樁、CFG樁、預(yù)制樁及灌注樁等多種，其中碎石樁與CFG樁分別作為散體材料樁與粘結(jié)材料樁中的一種，以其處理效果較好、工程造價(jià)較低、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。尤其在涉及大型物流倉庫、工業(yè)廠房及路基等大面積軟土地基處理中具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)［4，5］。

當(dāng)前針對(duì)碎石樁、CFG樁等單一樁型工法或碎石樁聯(lián)合CFG樁等多樁型工法在地基處理中的研究也有較多。涉及多樁型工程應(yīng)用［6-8］，碎石樁樁土應(yīng)力比及置換率對(duì)承載性能影響［9］，碎石樁聯(lián)合CFG樁的多樁型復(fù)合地基承載力、減沉特性等［10，11］。但對(duì)于強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁工法在復(fù)雜軟土地層條件下的應(yīng)用研究較少。因此，以昆明某物流倉儲(chǔ)地基處理工程為例，利用多種方法進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，探究強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁對(duì)復(fù)雜軟土地基的處治效果，相關(guān)結(jié)論可供類似工程參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆明市某物流倉庫場(chǎng)地總占地面積118900m2。項(xiàng)目分兩期建設(shè)，一期工程包含1#庫房、2#庫房、設(shè)備房、維修房、綜合樓及門衛(wèi)，用地面積63697m2；二期工程包含3#庫房、4#庫房及門衛(wèi)，用地面積55203m2。其中場(chǎng)地1#庫區(qū)采用孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁處理以提高地基承載能力及減小工后沉降。

1.2 地質(zhì)條件

場(chǎng)地鉆孔揭露深度范圍內(nèi)土層自上而下：①素填土，層厚1.5～6.8m，多為新近填土；③黏土，層厚0.7～8.9m，具中壓縮性，局部偏高壓縮性；③-2有機(jī)質(zhì)黏土，層厚0.8～2.8m，具高壓縮性，局部中壓縮性；④黏土，層厚0.8～11.8m，以中壓縮性為主，局部夾高壓縮性；④-1泥炭質(zhì)土，層厚0.6～7.8m，以中壓縮性為主，局部夾高壓縮性；⑤黏土，層厚1.0～8.3m，具中壓縮性，干強(qiáng)度高，場(chǎng)地局部分布。

2 加固機(jī)理

孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基處理時(shí)，通過碎石樁對(duì)地表雜填土、軟黏土等進(jìn)行處理，解決采用單一CFG樁處理時(shí)地基表層軟土承載力不足問題。通過CFG樁打穿下部軟弱夾層進(jìn)入密實(shí)土，以解決單一采用碎石樁處理時(shí)地基工后沉降較大問題，使得處理后復(fù)合地基承載力及沉降變形均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 復(fù)合地基設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)地各庫區(qū)地層條件差異性及設(shè)計(jì)要求，分別采用不同地基處理方法，以場(chǎng)地1#庫區(qū)為例，該庫區(qū)采用孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁對(duì)地基進(jìn)行加固，地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)及典型剖面如圖1所示。

圖1 孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁+CFG樁地基處理典型剖面（單位：mm）

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算工況

為評(píng)價(jià)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁在含軟弱夾層軟土地基處理中的應(yīng)用效果，在現(xiàn)有地層條件及施工設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)：①地基不處理；②僅采用強(qiáng)夯碎石樁處理；③僅采用CFG樁處理；④采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁處理4種工況，采用規(guī)范復(fù)合模量法及數(shù)值群樁典型單元法分別計(jì)算4種工況條件下復(fù)合地基承載力及沉降變化，作為對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算方法及處理效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［12，13］。

3.3 典型單元法

為分析碎石樁與CFG樁復(fù)合地基加固效果，并與規(guī)范復(fù)合模量法進(jìn)行對(duì)比，采用有限差分軟件Flac3d進(jìn)行數(shù)值分析，為簡(jiǎn)化分析模型，建立群樁典型單元模型，模型尺寸水平方向考慮為4倍樁間距，深度方向根據(jù)地勘資料結(jié)果對(duì)各土層進(jìn)行簡(jiǎn)化，并考慮樁頂墊層及結(jié)構(gòu)層厚度后取為30.6m，即16×16×30.6m，建立碎石樁聯(lián)合CFG樁數(shù)值分析模型如圖2所示。

圖2 強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁數(shù)值分析模型

模型中碎石樁直徑1.4m，樁長(zhǎng)6m，按4m×4m正方形布置，CFG樁直徑0.4m，樁長(zhǎng)22m，在碎石樁間按等間距內(nèi)插。在單元類型選取上，除CFG樁采用Pile結(jié)構(gòu)單元模擬外，其余均采用實(shí)體單元模擬，在本構(gòu)關(guān)系描述上，除結(jié)構(gòu)層、CFG樁采用線彈性模型外，其余均采用M-C模型，計(jì)算模型各材料參數(shù)見表1。

表1 模型材料參數(shù)

模型邊界條件為設(shè)置四周及底部法向約束，頂部自由，同時(shí)為反映樁土相互作用關(guān)系，設(shè)置樁土接觸面參數(shù)，參數(shù)取值依據(jù)文獻(xiàn)［14］。模擬順序?yàn)橄冗M(jìn)行地應(yīng)力平衡得到初始應(yīng)力狀態(tài)，隨后依施工順序分別激活碎石樁單元、CFG樁單元、墊層單元及結(jié)構(gòu)層單元，最后于模型頂面施加豎向附加荷載，并求解至平衡后提取計(jì)算結(jié)果。

4 復(fù)合地基計(jì)算分析

4.1 復(fù)合地基承載力分析

依據(jù)相關(guān)參數(shù)采用規(guī)范方法及數(shù)值方法計(jì)算復(fù)合地基承載力，其中數(shù)值法模擬條件與載荷試驗(yàn)一致，即壓板面積1m2，載荷由40kPa按每級(jí)20kPa逐級(jí)加載至200kPa，加載過程中記錄每級(jí)加載收斂后的沉降值，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3 靜載Q-S曲線對(duì)比

從模擬值與試驗(yàn)檢測(cè)值的對(duì)比結(jié)果來看，兩者在變化趨勢(shì)上基本一致，吻合較好，在加載初期，相同荷載作用下，模擬值較試驗(yàn)值大，當(dāng)加載超過140kPa后，模擬值較試驗(yàn)值偏小，但總體誤差均小于10%，表明以所建數(shù)值模型分析此復(fù)合地基具有較高的可靠性。而從Q-S曲線的變化特征來看，復(fù)合地基靜載試驗(yàn)Q-S曲線整體呈平緩的光滑曲線，未有明顯比例界限及極限荷載。依據(jù)規(guī)范，按s/b=0.01，可知復(fù)合地基承載力特征值約為140kPa，而采用復(fù)合模量法計(jì)算結(jié)果為132kPa。即載荷試驗(yàn)、數(shù)值模擬及規(guī)范方法計(jì)算結(jié)果均顯示復(fù)合地基承載力大于120kPa，與原天然地基承載力特征值80kPa相比，可提高70%左右，表明強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁對(duì)該類地基具有較好加固效果。

打好防范化解重大風(fēng)險(xiǎn)、精準(zhǔn)脫貧、污染防治的攻堅(jiān)戰(zhàn)是以習(xí)近平同志為核心的黨中央為決勝全面建成小康社會(huì)作出的重大決策部署。今年4月，習(xí)近平總書記主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第一次會(huì)議，明確提出了打好三大攻堅(jiān)戰(zhàn)的思路和舉措。財(cái)政部門要認(rèn)真學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記重要指示要求，深刻領(lǐng)會(huì)打好三大攻堅(jiān)戰(zhàn)的深遠(yuǎn)意義，充分發(fā)揮財(cái)政職能作用，堅(jiān)決支持打好三大攻堅(jiān)戰(zhàn)。

4.2 復(fù)合地基沉降分析

（1） 分層沉降分析。為深入研究強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基沉降變形特征，探究4種不同處理工況對(duì)軟土地基的加固效果，采用數(shù)值典型單元法開展附加荷載作用下復(fù)合地基沉降計(jì)算，得到埋深范圍內(nèi)不同處理工況條件下各土層沉降關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同工況條件下地基分層沉降隨埋深關(guān)系

由圖4可知，埋深范圍內(nèi)的沉降大致可分為4層，這與模型以4層土體劃分相一致，其中地表填土層及第3層下臥泥炭質(zhì)軟土層沉降最大。附加應(yīng)力作用下，天然地基各土層沉降總體表現(xiàn)最大，經(jīng)碎石樁對(duì)表層填土進(jìn)行處理后，沉降減小，但僅限于碎石樁處理深度（0～6m）范圍內(nèi)。具體表現(xiàn)為該層總沉降量由23.3mm減小至14.2mm，減小幅度達(dá)39%，而處理深度范圍以下土層沉降值與天然地基基本一致，可知強(qiáng)夯碎石樁通過置換擠密作用可對(duì)地基軟土層進(jìn)行有效加固，提高其壓縮模量，減小沉降變形，但受制于處理深度，僅能發(fā)揮對(duì)表層填土的沉降控制作用。而當(dāng)采用CFG樁處理后，其處理深度范圍內(nèi)各層土沉降量均有所減小，其中以第二層黏土及第三層泥炭質(zhì)土降幅最大。與天然地基或碎石樁復(fù)合地基相比分別達(dá)到28.3%及35.8%，處理效果較好。但該CFG樁對(duì)于表層填土層則減沉效果不明顯，與天然地基相比，僅減沉2%左右。

當(dāng)采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁加固后，可知附加荷載作用下表層填土及其下臥層沉降量均有較大降幅，減沉效果非常明顯。表明通過碎石樁對(duì)表層填土加固，有效彌補(bǔ)了僅采用CFG樁加固時(shí)地基表層填土承載力不足及減沉效果不明顯的弊端，進(jìn)一步采用CFG樁有效彌補(bǔ)了僅采用碎石樁處理時(shí)，下臥軟土層地基沉降過大的缺陷。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)夯碎石樁與CFG樁在含軟弱夾層軟土地基處理中的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。

（2） 總沉降分析。為研究4種工況條件下，強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁工法的加固效果，分別采用數(shù)值典型單元法和規(guī)范復(fù)合模量法計(jì)算附加荷載作用下復(fù)合地基的總沉降規(guī)律對(duì)比如圖5所示。

由圖5可知，附加荷載作用下，工況1總沉降量最大。當(dāng)采用碎石樁加固后，工況2總沉降有所減小，相較于工況1，降幅在10%～15%。當(dāng)采用CFG樁加固后，沉降降幅有所增加，相較于工況1，降幅在37%左右，相較于工況2降幅為24%～32%。當(dāng)采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁處理后，沉降降幅進(jìn)一步增加，相較于工況1，降幅在58%左右，相較于工況2降幅50%～58%，相較于工況3，減小約36%。綜上可知，對(duì)于含軟弱夾層軟土地基，采用CFG樁可有效發(fā)揮減沉作用。此外，從圖中還可以看出，采用數(shù)值典型單元法計(jì)算結(jié)果總體較復(fù)合模量法偏小，但兩者誤差在10%以下。故在進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)，可采用兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但相較于數(shù)值典型單元法，規(guī)范復(fù)合模量法更偏安全。

圖5 不同工況條件下地坪總沉降對(duì)比

（3） 差異沉降分析。為研究強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁工法對(duì)地坪差異沉降的處治效果。進(jìn)一步擴(kuò)展前述典型單元模型范圍，并考慮庫外天然地基影響，同時(shí)考慮對(duì)稱性建立1/4復(fù)合地基數(shù)值模型，設(shè)計(jì)庫內(nèi)地坪堆載30kPa，分別計(jì)算附加荷載作用下4種處理工況條件下的地坪沉降分布，繪制地坪沉降等值線如圖6所示。

由圖6可知，附加荷載作用下，地坪沉降總體表現(xiàn)為中間大，四周小的擴(kuò)散型分布，這與附加應(yīng)力的擴(kuò)散疊加效應(yīng)相一致。當(dāng)?shù)鼗唇?jīng)任何加固處理時(shí)，最大沉降值位于地坪中部，達(dá)130mm左右，其中最大差異沉降約96mm；當(dāng)僅采用強(qiáng)夯碎石樁加固后，地坪最大沉降減小至120mm左右，最大差異沉降降至80mm左右；當(dāng)僅采用CFG樁加固后，地坪最大沉降值進(jìn)一步減小至80mm左右，最大差異沉降減小至20mm左右，而當(dāng)采用強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁加固處理后，地坪最大沉降相比僅采用CFG樁加固時(shí)進(jìn)一步減小至約70mm，而最大差異沉降則減小約40mm。

圖6 不同工況條件下地坪結(jié)構(gòu)層沉降分布

依據(jù)規(guī)范對(duì)框架結(jié)構(gòu)地基變形允許值的規(guī)定，對(duì)于高壓縮性土，相鄰柱基沉降差應(yīng)不超過下式規(guī)定：

式中，l為相鄰計(jì)算點(diǎn)的中心距離。

由此可知，對(duì)于含軟弱下臥層軟土地基，當(dāng)?shù)鼗刺幚砘騼H采用強(qiáng)夯碎石樁處理時(shí)，附加荷載作用下總體沉降均較大，且差異沉降亦不能滿足地坪結(jié)構(gòu)層平整度要求。進(jìn)一步采用CFG疏樁加固后，可有效減小地坪總沉降及差異沉降，使地坪差異變形滿足規(guī)范要求。

4.3 樁土應(yīng)力比分析

樁土應(yīng)力比對(duì)復(fù)合地基能否有效發(fā)揮其承載力具有重要影響，若樁土應(yīng)力比過大易導(dǎo)致樁身內(nèi)力過大而破壞，樁土應(yīng)力比過小則不利于樁身正常發(fā)揮其承載力，且由于樁間土受荷過大而產(chǎn)生較大沉降，故樁土應(yīng)力比應(yīng)保持在一個(gè)合理范圍內(nèi)較為適宜［15］。

為探究不同地基處理方法下復(fù)合地基樁土應(yīng)力及樁土應(yīng)力比隨荷載加載過程中的變化情況，利用Flac3d內(nèi)置fish語言遍歷提取模型墊層與樁頂交界面處加固樁及樁間土應(yīng)力，并求取平均值，繪制樁及樁間土應(yīng)力隨荷載變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 加固樁及樁間土應(yīng)力隨荷載變化關(guān)系

由圖7可知，加固樁及樁間土均隨附加荷載的增加呈線性遞增關(guān)系，相較于碎石樁及樁間土，CFG樁應(yīng)力隨荷載增加遞增速率最快，原因在于CFG樁體模量較大，其所承擔(dān)的外荷載權(quán)重也較大，而碎石樁及樁間土最小。CFG樁應(yīng)力隨荷載變化關(guān)系中，工況4較工況3變化速率快，即增加碎石樁后，隨附加荷載的增加，CFG樁將承擔(dān)更大的外荷載作用，同時(shí)由于碎石樁的置換擠密作用，將分擔(dān)一部分應(yīng)力以減小填土層的受力變形。進(jìn)一步得出各工況條件下樁土應(yīng)力比隨荷載變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 樁土應(yīng)力比隨荷載變化關(guān)系

由圖8可知，CFG樁土應(yīng)力比隨附加荷載增加而減小，其中工況4（GK4）幅值整體大于工況3（GK3），且兩者均在荷載20kPa之前降幅最大，之后降幅逐漸減小。碎石樁土應(yīng)力比則隨附加荷載的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，其中工況4（GK4）樁土應(yīng)力比在荷載50kPa之前遞增趨勢(shì)較工況2（GK2）更明顯，隨后逐漸減小。而工況2（GK2）碎石樁土應(yīng)力比在荷載40kPa之前遞增趨勢(shì)不明顯，但之后呈明顯遞減趨勢(shì)。上述結(jié)果表明相較于單一樁型，強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁的多樁型地基處理工法可充分發(fā)揮兩種樁型的優(yōu)勢(shì)，提高碎石樁及CFG樁的應(yīng)力承載比，減小樁間土沉降。

5 地基處理效果分析

5.1 復(fù)合地基檢測(cè)分析

對(duì)場(chǎng)地強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)平板載荷試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)范要求，隨機(jī)選取5處進(jìn)行靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)壓板面積為1m2，載荷由40kPa按每級(jí)20kPa逐級(jí)加載至200kPa，隨后卸載至0kPa，檢測(cè)過程中，實(shí)時(shí)記錄各級(jí)荷載下的壓板沉降量，統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)數(shù)據(jù)后示于圖9所示。

由圖9可知，平板載荷試驗(yàn)沉降曲線平穩(wěn)，表明未出現(xiàn)地層剪切破壞或樁的大尺寸滑動(dòng)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)碎石樁等散體材料樁，當(dāng)?shù)鼗责ば酝?、粉土為主時(shí)，可取S/D=0.01時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為復(fù)合地基承載力特征值，且其值應(yīng)小于等于最大加載值的一半。試驗(yàn)取D值為1m，則總沉降S為10mm。從圖9中可以看出，復(fù)合地基承載力特征值均大于120kPa，沉降變形亦較小，復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 平板靜載試驗(yàn)Q-S曲線

5.2 復(fù)合地基沉降監(jiān)測(cè)分析

（1） 實(shí)測(cè)結(jié)果分析。在項(xiàng)目場(chǎng)地Ⅳ區(qū)（1#庫）經(jīng)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁處理完成且墊層施工完畢后開始沉降監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 庫區(qū)地坪沉降曲線

由圖10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(cè)數(shù)據(jù)顯示，地坪沉降量較小，平均下沉9mm。其中主體結(jié)構(gòu)施工期間，地坪沉降量在7～9mm，投入使用兩年期間，地坪沉降量在6～8mm，隨后沉降趨勢(shì)進(jìn)一步減小。投入使用至今，庫區(qū)觀測(cè)結(jié)果顯示地坪與基礎(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。可知強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁對(duì)該類型軟土地基具有較好的加固效果。

（2） 實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。結(jié)合前述分析結(jié)果，將規(guī)范復(fù)合模量法、數(shù)值典型單元法及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)庫區(qū)地坪總沉降進(jìn)行對(duì)比如圖11所示。

圖11 沉降結(jié)果對(duì)比分析

由圖11可知，庫區(qū)地坪沉降量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果在15mm左右，小于數(shù)值模擬與規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果，其中規(guī)范復(fù)合模量法及數(shù)值典型單元法計(jì)算結(jié)果偏大，原因在于場(chǎng)地施工期間，地基已產(chǎn)生一部分固結(jié)沉降，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為工后運(yùn)營(yíng)期地坪沉降，同時(shí)地勘土層參數(shù)取值亦尚偏保守，通過實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果可知強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁工法在軟土地基中具有良好的處理效果，能滿足地基處理設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

（1） 孔內(nèi)強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基處理工法利用碎石樁提高天然地基承載力，利用CFG樁處理下覆軟土夾層，減小地基沉降，在上覆高壓縮性軟填土，下覆軟弱夾層等復(fù)雜軟土地基中具有較好的適用性。

（2） 強(qiáng)夯碎石樁通過置換擠密作用對(duì)填土層進(jìn)行加固，減小填土壓縮性，可提高原天然地基承載力約70%，對(duì)地基承載力改善較大，但減沉效果有限（僅限于處理深度范圍內(nèi)）。進(jìn)一步采用CFG樁對(duì)下臥軟土層加固可減沉約50%，同時(shí)亦可有效抑制地坪差異沉降，兩樁結(jié)合可有效改善天然地基承載力及沉降變形。

（3） 與單一樁型相比，強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁的多樁型地基處理工法可充分發(fā)揮兩種樁型的優(yōu)勢(shì)，提高碎石樁及CFG樁的應(yīng)力承載比，減小樁間土沉降。

（4） 復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算中，采用數(shù)值典型單元法計(jì)算結(jié)果較規(guī)范復(fù)合模量法偏小，但兩者誤差在10%以下，且采用規(guī)范復(fù)合模量法更偏安全。