基于分層綜合估算法的粉煤灰回填地基承載力研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.039

摘 要：建筑物地基受到地下水等作用影響會出現(xiàn)沉降、變形，嚴重影響建筑結構安全，因此提出建筑物粉煤灰回填地基承載力特征值估算方法。使用分層綜合法計算該地基地下水位對地基的壓力，獲得地基承載力值。通過計算確定地基荷載力系數(shù)，結合該系數(shù)與地基承載力值，考慮相關技術規(guī)范估算地基承載力特征值，并基于巖土圍壓效應進一步修正地基承載力特征值。經過試驗分析發(fā)現(xiàn)，使用該估算方法能夠計算出較為準確的地基承載力值，通過該數(shù)值能夠估算出研究區(qū)域各個檢測點的承載力特征值，且計算結果與儀器測量的實際結果較為接近。

關鍵詞：建筑物；粉煤灰；回填地基；承載力；特征值

中圖分類號：TU472；TQ536.4

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）02-0147-04

Research on bearing capacity of fly ash backfill foundation based on layered comprehensive estimation method

NI Zhen

（Nantong Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Nantong 226006，Jiangsu China）

Abstract：The settlement and deformation of the building foundation will occur under the influence of groundwater and other effects，which will seriously affect the safety of the building structure，so the estimation method of the characteristic value of the bearing capacity of the building fly ash backfill foundation was proposed.The layered synthesis method was used to calculate the pressure of the groundwater level on the foundation，and the bearing capacity value of the foundation was obtained.The bearing capacity coefficient of the foundation was determined by calculation，combined with the bearing capacity value of the foundation，the characteristic value of the bearing capacity of the foundation was estimated by considering the relevant technical specifications，and the characteristic value of the bearing capacity of the foundation was further modified based on the confining pressure effect of rock and soil.Through experimental analysis，it was found that using this estimation method could calculate relatively accurate foundation bearing capacity values，and the bearing capacity characteristic values of each detection point in the study area could be estimated through this value，and the calculation results were relatively close to the actual results of instrument measurement.

Key words：building;fly ash;backfill foundation;bearing capacity;characteristic values

單西北某省就有超過60座火電廠，全年由于供電所需的煤炭用量超過1 000萬 t，這些煤炭經過燃燒后會產生占原料50%的粉煤灰^[1-2]，過去這些粉煤灰無處可去，成為燃燒垃圾，對于自然環(huán)境造成嚴重污染。經過眾多研究者分析發(fā)現(xiàn)^[3-5]，粉煤灰具有類似水泥的應用效果，如果代替土體填埋在地下空間能夠發(fā)揮良好的吸水性與支撐作用，盡管目前粉煤灰在建筑回填領域已經得到廣泛使用，但是使用后所發(fā)揮的承載力仍然是眾多學者的研究重點。針對橋梁等連續(xù)結構的承載力特征值開展研究^[6]；從地基承載力角度出發(fā)計算，最終實現(xiàn)估算地基承載力特征值等^[7]。研究從地下水壓力對于地基的影響入手，確定地基荷載系數(shù)后，計算獲得建筑物粉煤灰回填地基承載力特征值估算結果，以期為今后建筑施工提供更多指導。

1"建筑物粉煤灰回填地基施工方法

1.1"研究區(qū)域概況

所研究的建筑物位于一處地質結構較為復雜的區(qū)域，土體結構包含雜填土、粉質粘土、中粗砂以及粉土等，沉降和塌陷情況較為明顯，需要采取措施回填地基，使得地基更加穩(wěn)定。針對該區(qū)域的雜土軟地基，使用粉煤灰碎石樁發(fā)揮回填作用。由于該建筑施工區(qū)域較大，大概需要使用835根粉煤灰碎石樁才能對該建筑施工區(qū)域發(fā)揮作用，該粉煤灰碎石樁的直徑約為500 mm，每根樁的距離為1 500 mm，有效樁長為9 m，保護樁長為0.5 m。

1.2"建筑物地基粉煤灰回填

使用粉煤灰碎石樁施工時要求保持較少出泥量，同時還要考慮粉煤灰碎石樁的長度和地基的實際狀況，采用裝好順序滿打的樁基施工方法。但是這種施工方式如果增加調大次數(shù)，就會在施工時導致樁頭被破壞，所以在回填施工時如果出泥較多或者嚴重串樁的情況，結合隔樁跳打的方式，通過2次打樁完成回填^[8-10]。回填施工工藝見圖1。

2"粉煤灰回填地基承載力特征值估算

2.1"地下水對地基壓力估算

建筑物建造過程中地基需要深入地下，地下水的存在會對地基造成壓力影響，導致地基出現(xiàn)變形^[11]，因此需要估算地下水對于地基的影響，以便粉煤灰回填時選擇合適的用量以及方案。使用分層綜合法對于地基受到地下水影響出現(xiàn)的變形開展計算，地基在地下水影響下出現(xiàn)的變形量（o）：

式中：o′為地基變形量，通過單向壓縮分層綜合計算得出該結果；n與φ_s分別表示地基挖掘范圍中的土層數(shù)量以及沉降計算經驗系數(shù)；ρ₀和E_si分別表示基礎底面位置的附加應力以及基礎底面之下的第i層土壓縮模量；z_i和z_i－1代表基礎底面到第i層和第i－1層土底面之間的距離；a_i和a_i－1分別表示基礎底面的計算點與第i層和第i－1層土底面的平均附加應力系數(shù)。

把發(fā)揮加固作用的粉煤灰碎石樁與地基看做是一個整體，地下水的存在會影響粉煤灰碎石樁的剪切力f_t，該力使用式（2）描述：

f_t=m×（R/s）+α×β×fa×（1－m）×o（2）

式中：s與R表示地基基礎面面積以及粉煤灰碎石樁的樁間承載力系數(shù)；α與m分別表示地基土體強度提升系數(shù)與面積置換率；β表示粉煤灰碎石樁樁間土強度折減系數(shù)；f_a表示地基承載力系數(shù)。考慮到地下水的埋深不可控^[12]，如果超過3 m就需要修正式（2）獲得地基承載力系數(shù)f_a：

f_a=[（η_aγ（a+3）（f_k－f_t）］/η_jγ（j－0.5）（3）

式中：η_a與η_j分別表示地下水基礎寬度與回填后地基承載力修正系數(shù)^[13]；f_k表示回填后地基的總承載力；a與j分別表示地基下地下水寬度與基礎埋深；γ表示修正系數(shù)。獲得地基承載力系數(shù)，并且分析出地下水壓力會對回填后的地基造成影響后，可以估算建筑物粉煤灰回填地基承載力特征值。

2.2"地基荷載系數(shù)確定

考慮到地下水壓力影響，存在2種會影響粉煤灰回填地基的基礎荷載^[14]，分別為條形基礎荷載與矩形基礎荷載。根據(jù)修正式（3）獲得的地基承載力系數(shù)f_a，粉煤灰回填地基矩形基礎荷載（p_z）計算：

pz=Bdp_f/f_a［（B+2Dtanθ）（d+2Dtanθ）］（4）

式中：B與d分別代表荷載的長和寬;θ和D分別代表粉煤灰回填地基區(qū)域的應力擴散角與回填加固的深度;p_f代表地基的作用荷載。

在研究區(qū)域布置多個監(jiān)測點，使用儀器測量這些點的應力以及抗壓強度和彈性模量，根據(jù)測量結果計算出研究區(qū)域地基所受到的附加應力p_s：

p_s=（Bdp_f－2（a₀+b₀）f′］/（p_z′+p_z）（5）

式中：f′代表摩擦阻力；a₀與b₀分別代表粉煤灰回填加固區(qū)的長和寬。粉煤灰碎石樁發(fā)揮回填加固作用，同樣會向地基產生一個作用力，該作用力則是地基荷載系數(shù)（ν），并使用式（6）計算該系數(shù)：

ν=RE_s/AE_pf_a×p_s（6）

式中：E_s與E_p分別代表粉煤灰碎石樁的模量與固定樁土量；A是粉煤灰碎石樁的長度。通過計算確定粉煤灰回填加固以后土體和粉煤灰碎石樁之間的荷載P-S變化曲線，實際施工時，粉煤灰碎石樁的深度越大，荷載力數(shù)值也隨之上升。

2.3"地基承載力特征值估算

綜合以上計算以及實際環(huán)境下建筑物地基可能出現(xiàn)的沉降、粉煤灰碎石樁回填所發(fā)揮的作用，依據(jù)地基荷載系數(shù)估算粉煤灰回填地基承載力特征值k：

式中：h_y代表地基硬層的厚度比，實際估算時取值0.25平均值。

計算地基承載力特征值時，需要考慮地基巖土圍壓情況，所以計算過程中還需要引入圍壓效應提高系數(shù)ψ_c，根據(jù)該系數(shù)修正式（7）：

k′=ψ_c×k×f_a×ψ_r（8）

式中：ψ_r表示巖土完整性折減系數(shù)。如果巖土較為完整，該系數(shù)取值為0.5，較完整則取值為0.25～0.50；如果巖土破碎較為嚴重則該系數(shù)的取值為0.15～0.25。

3"結果分析

施工過程中需要使用諸多機械設備，實現(xiàn)建筑物地基回填，所用機械設備參數(shù)見表1。

在研究區(qū)域布置數(shù)個測試點，使用儀器設備測試這些測試點的變形情況，匯總其中10個測試點的地基變形模量數(shù)據(jù)，結果見表2。

通過儀器設備采集研究區(qū)域的地基相關參數(shù)，將該參數(shù)代入式（8）得到確定地基承載系數(shù)。將加載荷載按照強度劃分為1～10級，隨機選取3個測試點，向這些測試點施加1～10級荷載，不同加載等級下各測點的荷載值變化結果見表3。

在表3各測點荷載值中隨機選擇7組測點，利用式（8）修正后地基承載力特征值，得出建筑物粉煤灰回填地基承載力，同時使用儀器設備測試該研究區(qū)域的真實地基承載力，對比估算結果與實際測量結果，確定估算結果的準確性，試驗結果見圖2。

由圖2可知，估算承載力結果與實際值較為接近，誤差值不足5 N，整體數(shù)值基本保持一致，說明使用估算方法能夠獲得較為準確的地基承載力值，使用該數(shù)值能夠繼續(xù)開展試驗分析。

以表3中的3個測試點為例，使用估算方法繪制這3個測試點的P-S曲線，分析粉煤灰碎石樁回填加固后的建筑物地基承載力特征值，試驗結果見圖3。

對圖3中3個測點作出研究，向各個測點施加1～10級荷載，一般各個荷載到第9級荷載時已經出現(xiàn)破壞，出現(xiàn)破壞時粉煤灰碎石樁的深度約為14 m，測點1的荷載約為587 kPa，測點2的荷載約為623 kPa，測點3的荷載約為698 kPa，各個測點的P-S均較為平滑。根據(jù)《建筑物地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007—2011）中相關規(guī)定，以及估算方法的計算結果，確定3個測點的地基承載力特征值分別為218 、238 和227 kPa。

根據(jù)圖3中的分析結果，使用估算方法將10個測點的承載力特征值估算結果匯總于表4。

由表4可知，使用估算方法算出的建筑物粉煤灰回填地基的承載力特征值與儀器探測的地基承載力特征值較為接近，說明估算的準確性較高。使用所設計的粉煤灰碎石樁回填加固后的地基承載力特征值比未回填加固的地基承載力特征值差別較大，說明使用粉煤灰碎石樁回填加固的地基整體承載力得到提升。

研究區(qū)域的地質環(huán)境較為復雜，不同土層的承載力特征值也各不相同，使用估算方法計算各個土層的承載力特征值，計算結果見表5。

由表5可知，雖然各個土層的情況不一樣，但是使用粉煤灰碎石樁之后能夠為地基發(fā)揮較好的加固作用，且試驗結果與儀器實際測量的加固后地基承載力特征值接近，說明即使針對不同地層，估算方法仍然具有較高準確性，適合廣泛性使用。

4"結語

研究使用粉煤灰碎石樁作為建筑物地基的回填材料，完成回填施工后先計算水壓力對于地基的影響，再計算地基的荷載系數(shù)，結合土體參數(shù)，估算出回填地基承載力特征值。經過多次試驗分析，提出的估算方法具有較高準確性，同時還能針對不同土層做出計算，能夠適應各種環(huán)境的地基結構，具有普遍應用性。

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收稿日期：2023-09-13；修回日期：2023-12-12

作者簡介：倪"震（1968-），男，高級工程師，研究方向：建筑工程；E-mail：ntnizhen@sina.com。

引文格式：倪"震.基于分層綜合估算法的粉煤灰回填地基承載力研究[J].粘接，2023，51（2）：147-150.