巖溶地區(qū)CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析

研究CFG樁在巖溶地區(qū)的工程適用性。結(jié)合項(xiàng)目的工程地質(zhì)條件，對(duì)CFG樁進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)單樁及復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)，以及后續(xù)的基礎(chǔ)沉降觀測(cè)，綜合評(píng)估了CFG樁在巖溶地區(qū)地基處理的工程適應(yīng)性。試驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，CFG樁地基處理技術(shù)能夠有效提升基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載力，均達(dá)到甚至超過了設(shè)計(jì)預(yù)期，同時(shí)顯著降低了工程的建造成本。

巖溶地區(qū)； CFG樁； 地基處理； 工程適應(yīng)性

TU473.1+1A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2024-05-27

［作者簡(jiǎn)介］王義（1979—），男，博士，高級(jí)工程師，一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；周元（1983—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，一級(jí)建造師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、建筑工業(yè)化與智能建造等工作。

0" 引言

我國巖溶地貌廣泛分布，可溶性碳酸鹽巖覆蓋了約344萬km2的區(qū)域，占到了國土面積的近三分之一。主要集中于廣東、廣西、云南、貴州、湖南、四川等多個(gè)地區(qū)。巖溶地質(zhì)條件下，常見的地質(zhì)現(xiàn)象包括溶洞、溶隙、溶溝以及斜面巖等，這些特點(diǎn)對(duì)工程設(shè)計(jì)與施工提出了特殊要求。特別是巖石頂面通常覆蓋的軟弱土層，對(duì)建筑物的地基穩(wěn)定性構(gòu)成了顯著影響［6］。因此，在巖溶地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的基礎(chǔ)形式尤為關(guān)鍵，不當(dāng)?shù)奶幚矸椒赡軐?dǎo)致工程成本的增加和工期的延長，更有甚者會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)沉降不均、房屋結(jié)構(gòu)開裂等安全事故，為確保巖溶地區(qū)基礎(chǔ)工程的安全，設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)巖溶的發(fā)育程度，采取差異化的地基處理措施。針對(duì)巖溶地區(qū)的地基處理技術(shù)，已經(jīng)有大量的研究工作。研究資料顯示，斜面巖的傾斜角度、樁的長度以及基礎(chǔ)底部完整土層的厚度是影響地基承載力的重要因素。此外，CFG（Cement Fly-ash Gravel）剛性樁復(fù)合地基技術(shù)在巖溶地區(qū)的應(yīng)用也被證實(shí)是可行的解決方案之一［5］，為該地區(qū)地基處理提供了新的思路和方法。

1" 工程地質(zhì)概況

本工程位于廣西壯族自治區(qū)南寧市，為地下1層地上26層的民用建筑。根據(jù)前期地質(zhì)勘察資料，該場(chǎng)地的巖土層結(jié)構(gòu)主要由第四紀(jì)全新世的人工地層①填土及耕作層、風(fēng)化殘積形成的②紅黏土層，以及下伏的古生代三疊紀(jì)羅樓群系④石灰?guī)r構(gòu)成。

筏板基礎(chǔ)底面為紅黏土層，其狀態(tài)介于硬塑至堅(jiān)硬之間，以硬塑狀態(tài)為主，土質(zhì)在場(chǎng)地內(nèi)分布均勻。該層廣泛分布于整個(gè)場(chǎng)地，揭露的層厚度介于1.30～31.00 m之間，平均厚度為10.86 m，其地基承載力測(cè)定為220 kPa；石灰?guī)r層則表現(xiàn)為中等至微分風(fēng)化狀態(tài)，巖芯采取率超過80%，巖溶現(xiàn)象略有發(fā)育，節(jié)理和裂隙較為發(fā)育，裂隙中充填物為白云石、方解石或泥質(zhì)材料，巖體力學(xué)性質(zhì)較為完整。石灰?guī)r的飽和單軸抗壓強(qiáng)度介于40.9～62.7 MPa，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值為48.8 MPa。所有高層鉆探孔均鉆至該石灰?guī)r層，但未穿透，其中最大揭露厚度為10.3 m，層面標(biāo)高介于72.57～116.18 m之間。

擬建場(chǎng)地的地質(zhì)條件表明，存在溶洞發(fā)育的可能性。在石灰?guī)r地層中，部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)了溶洞，遇洞率為26.9%，線巖溶率為24.6%，表明巖溶發(fā)育程度為強(qiáng)烈。大部分溶洞內(nèi)部呈現(xiàn)充填狀態(tài)，充填物為軟塑狀至可塑狀的黏性土，屬于高壓縮性土［1］。場(chǎng)地內(nèi)巖石局部可見溶蝕坑和溶蝕凹槽等巖溶作用的跡象，巖面處常見石牙、石筍等地質(zhì)構(gòu)造。雖然局部溶孔和溶隙較為發(fā)育，呈破碎狀，但巖溶作用已進(jìn)入晚期，發(fā)育緩慢，目前地質(zhì)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。

2" 地基方案選擇與確定

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察的詳細(xì)資料，場(chǎng)地內(nèi)紅黏土層未存在土洞現(xiàn)象，巖溶作用顯著，表現(xiàn)為溶溝和溶槽的強(qiáng)烈發(fā)育，以及基巖表面的較大起伏?；?guī)r與紅黏土之間的力學(xué)強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著差異，隨著深度的增加，接近基巖面的土層承載力逐漸降低，土質(zhì)相應(yīng)變得更加柔軟，上部土體的承載力較高，表現(xiàn)出硬塑性質(zhì)；研究表明，在正常使用荷載的作用下，群樁的沉降主要表現(xiàn)為樁端以下地基的整體壓縮變形，為本次地基處理方案選型提供可靠依據(jù)。在前期樓棟施工的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，考慮到，若采用大直徑嵌巖樁，旋挖施工至基巖時(shí)，由于基巖表面的不平整性，將面臨鉆進(jìn)難題，這可能嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。因此，在設(shè)計(jì)策略上，選擇將樁端置于基巖頂面，可效控制長期沉降，并確保在變形影響深度范圍內(nèi)土層具有足夠的厚度。在本次設(shè)計(jì)中，樁徑被設(shè)定為600 mm，樁側(cè)土層的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為60 kPa。在進(jìn)行CFG樁的承載力計(jì)算時(shí)，依據(jù)JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》7.1.6條款，僅考慮了樁側(cè)的摩擦力，樁端設(shè)計(jì)為直接承載于基巖頂面。CFG單樁的豎向承載力特征值經(jīng)過精心計(jì)算，并詳細(xì)匯總于表1中。

Ra=up∑ni=1qsilpi+αpqpAp

進(jìn)一步的分析采用PKPMR軟件進(jìn)行，得出筏板基礎(chǔ)的平均基底反力標(biāo)準(zhǔn)值為364 kPa，而最大基底反力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到446 kPa。基于此預(yù)估，我們采用CFG樁進(jìn)行地基處理，以正方形布樁的方式，設(shè)定樁間距分別為1.35 m、1.2 m及1.5 m。經(jīng)過處理后，地基的承載力特征值經(jīng)過計(jì)算，旨在確保地基的穩(wěn)定性和承載能力，具體計(jì)算結(jié)果展示在表2中。

3" 復(fù)合地基檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" 復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

本次研究采用慢速維持靜荷載法對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行靜載試驗(yàn)，以確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)中，利用壓重平臺(tái)作為反力裝置，其總重不少于預(yù)估最大試驗(yàn)荷載的1.2倍，以模擬實(shí)際工況下的壓力分布。試驗(yàn)荷載分級(jí)施加，每級(jí)荷載為最大加載量的1/8，通過無線靜載試驗(yàn)儀精確測(cè)定，在每級(jí)加荷后，初始讀數(shù)承壓板沉降量，隨后每半小時(shí)讀數(shù)一次，直至一小時(shí)內(nèi)的沉降量小于0.1 mm，方追加下一級(jí)荷載。卸載時(shí)，每級(jí)荷載維持1 h，應(yīng)按30 min、60 min測(cè)承壓板沉降量;卸載至零后，應(yīng)測(cè)讀承壓板殘余沉降量，維持時(shí)間為3 h，測(cè)讀時(shí)間應(yīng)為30 min、60 min、180 min。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)試驗(yàn)荷載加至780 kPa時(shí)，承壓板頂?shù)某两狄掩呌诜€(wěn)定，最大加載壓力已滿足設(shè)計(jì)要求的兩倍，此時(shí)終止加荷。承壓板頂?shù)目偝两抵?、卸載后回彈值、及殘余沉降值均在JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的允許范圍之內(nèi)，壓力-沉降（p-s）曲線形態(tài)正常，卸載后的回彈率介于27.8%～39.1%之間，表明復(fù)合地基的塑性形變占比較大。承壓板頂?shù)目偝两抵?、卸載后回彈值、及殘余沉降值見表3。

工程結(jié)構(gòu)王義， 周元： 巖溶地區(qū)CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析

根據(jù)JGJ 340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的試驗(yàn)點(diǎn)壓力-沉降（p-s）曲線分析表明，本次檢驗(yàn)的三個(gè)復(fù)合地基試驗(yàn)點(diǎn)所記錄的最大沉降量均符合規(guī)范的限值要求。這些p-s曲線均展現(xiàn)出平緩而光滑的形態(tài)，表明在加載過程中土體的變形行為是均勻且穩(wěn)定的。在卸載階段，各試驗(yàn)點(diǎn)的回彈率分別測(cè)定為27.8%、39.1%、31.8%，這一數(shù)據(jù)與增強(qiáng)體試驗(yàn)結(jié)果相比較，揭示了復(fù)合地基在加載過程中較大的塑性變形成分。所有三個(gè)復(fù)合地基試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)中均承受了高達(dá)780 kPa的最大試驗(yàn)荷載，充分驗(yàn)證了其承載能力?；诖?，本次抽檢的復(fù)合地基承載力特征值被合理確定為最大加載壓力的一半，即390 kPa。這一結(jié)論得到了圖1中展示的點(diǎn)荷載p-s曲線的進(jìn)一步支持。

3.2" 豎向增強(qiáng)體靜載試驗(yàn)

豎向增強(qiáng)體靜載試驗(yàn)同樣采用慢速維持靜荷載法，以壓重平臺(tái)作為反力裝置，確保試驗(yàn)的安全性和穩(wěn)定性。試驗(yàn)中，荷載分級(jí)施加，每級(jí)荷載為預(yù)估最大試驗(yàn)荷載的1/10，以實(shí)現(xiàn)對(duì)增強(qiáng)體承載性能的逐級(jí)評(píng)估。在每級(jí)荷載施加后，連續(xù)監(jiān)測(cè)樁頂沉降量，直至連續(xù)兩次讀數(shù)在一小時(shí)內(nèi)小于0.1 mm，視為穩(wěn)定狀態(tài)。卸載過程遵循逐級(jí)等量原則，每級(jí)卸載量為加載時(shí)分級(jí)荷載的兩倍（表4）。

在本次工程樁的豎向增強(qiáng)體靜載試驗(yàn)中，選取的216#、348#、385#三根工程樁均展現(xiàn)出良好的承載性能。這些增強(qiáng)體的最大沉降量均在JGJ340-2015《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的允許范圍之內(nèi)，其Q-s（荷載-沉降）曲線呈現(xiàn)出緩變型特征，未觀測(cè)到明顯的陡降起始點(diǎn)，這在圖2中得到了直觀展示。在卸載階段，最后一級(jí)荷載下樁頂?shù)幕貜椓匡@著，分別為-0.93 mm、-0.72 mm、-0.72 mm，表明樁體在卸載后能夠恢復(fù)大部分加載引起的沉降。總回彈率分別為28.9%、45.9%、53.4%，這一數(shù)據(jù)與復(fù)合地基的計(jì)算結(jié)果相比較，顯示出增強(qiáng)體在加載過程中較大的彈性變形能力。 經(jīng)過分析，受檢增強(qiáng)體的極限承載力分別確定為760 kN、960 kN、960 kN，均未達(dá)到其破壞狀態(tài)，顯示出樁體具有較高的安全儲(chǔ)備。因此，承載力特征值被合理設(shè)定為對(duì)應(yīng)最大試驗(yàn)荷載的一半，即380 kN、480 kN、480 kN。這些結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持，并為類似地基條件下的工程實(shí)踐提供了寶貴的參考。

4" 沉降觀測(cè)成果分析

依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及鄰近項(xiàng)目的相關(guān)資料，本研究采用PKPM JCCAD V4.0版軟件進(jìn)行了細(xì)致的建筑物沉降位移有限元分析。模擬的沉降計(jì)算深度范圍延伸至基巖頂面，以確保分析的準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)果顯示，筏板周邊區(qū)域的沉降量為48 mm，而核心筒區(qū)域的沉降量則為77 mm。 在工程變形監(jiān)測(cè)階段，我們?cè)谧冃螀^(qū)域外圍設(shè)置了三個(gè)基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在建筑物的主體結(jié)構(gòu)墻角及核心筒關(guān)鍵部位布置了五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。截至主體結(jié)構(gòu)施工完成，累積監(jiān)測(cè)到的平均沉降量為16.8 mm。值得注意的是，最后一次觀測(cè)到的沉降速率降至0.054 mm/d，表明結(jié)構(gòu)的沉降已接近穩(wěn)定狀態(tài)。沉降變形曲線整體呈現(xiàn)平滑連續(xù)，未出現(xiàn)任何突變，這與一般建筑物的變形模式相吻合，相關(guān)沉降變形數(shù)據(jù)詳見圖3。本研究的沉降觀測(cè)結(jié)果，不僅驗(yàn)證了設(shè)計(jì)階段的計(jì)算預(yù)測(cè)，而且為類似巖溶地區(qū)地基條件下的建筑物沉降控制提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。

5" 結(jié)論

本研究以巖溶地區(qū)地基處理的工程實(shí)踐為背景，基于詳盡的地質(zhì)勘察資料，提出了采用CFG樁復(fù)合地基的優(yōu)化處理方案。該方案的優(yōu)勢(shì)在于其設(shè)計(jì)的靈活性，能夠根據(jù)具體的地質(zhì)條件和工程需求，調(diào)整樁長和樁徑，從而在顯著提升地基承載力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)縮短工程工期以及降低投資成本等多重效益。

（1）靜載試驗(yàn)的結(jié)果顯示，選擇紅黏土層作為主要持力層，并運(yùn)用CFG樁進(jìn)行地基處理，僅計(jì)入樁側(cè)的摩阻力，復(fù)合地基及樁基在靜載試驗(yàn)中的位移量遠(yuǎn)低于相關(guān)規(guī)范的限值，充分滿足了地基承載力特征值不少于380 kPa的承載力要求。

（2）工后沉降觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析表明，主體結(jié)構(gòu)完工后累計(jì)沉降量16.8mm以內(nèi)，這表明樁端基巖的微小變動(dòng)對(duì)整體地基承載力的影響并不顯著。CFG樁的使用顯著增強(qiáng)了地基的穩(wěn)定性，為類似巖溶地區(qū)地基處理的設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。

（3）在巖溶地區(qū)應(yīng)用CFG復(fù)合地基技術(shù)時(shí)，必須依據(jù)實(shí)際地質(zhì)勘察資料進(jìn)行詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。特別是對(duì)于存在強(qiáng)烈溶洞發(fā)育或樁端附近有較大空洞等不利地質(zhì)條件的情況，應(yīng)開展針對(duì)性的專項(xiàng)研究，以確保地基處理方案的科學(xué)性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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