某工程地基處理方案選型分析

王林國

(中機十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471003)

1 工程概況

某公司辦公樓位于洛陽市高新技術開發區，建筑物地上3層，高度16.2 m，建筑平面尺寸為60 m×24 m，結構形式為現澆鋼筋混凝土框架結構，基礎形式為柱下獨立基礎。基礎埋深1.2 m，基底絕對標高為157.3 m。根據巖土工程勘察報告，地基土各層情況如下:雜填土:黃～黃褐色，分布于地表。土中夾雜有較多磚瓦塊及零星碎石，結構疏松。層厚1.0 m～1.5 m。黃土狀粉質粘土:黃褐～淺黃褐色，堅硬狀，局部硬塑狀，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等，中壓縮性。該層層厚1.1 m～1.5 m。承載力特征值fak=110 kPa，樁周側阻力特征值為qsia=15 kPa。黃土狀粉質粘土:黃褐色、褐色，硬塑～堅硬狀，局部可塑狀，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等，中壓縮性。該層層厚2.9 m～3.5 m。承載力特征值fak=130 kPa，樁周側阻力特征值為qsia=20 kPa。黃土狀粉土:黃色～淺黃色，濕，稍密～中密。搖振反應中等，無光澤，干強度低，韌性低，中壓縮性。濕陷性程度輕微～中等。該層層厚 1.7 m～2.4 m。承載力特征值 fak=125 kPa，樁周側阻力特征值為qsia=15 kPa，樁端阻力特征值為qpa=350 kPa。卵石:雜色，主要成分以石英石、石英砂巖、安山巖、斜長斑巖及暗色巖石為主，一般粒徑2 cm～5 cm，最大8 cm，磨圓度較好，多呈亞圓形。分選一般，不良～良好級配，填充物主要以中細砂及礫石為主，上部填充物中含有少量泥質成分。該層卵石不均勻，局部地帶夾圓礫和中砂微薄層。稍密，未揭穿，最大揭露厚度4.4 m。

場地地下水穩定埋深在7.84 m～8.0 m之間。地下水類型屬孔隙潛水，主要受洛河水側向滲透和大氣降水補給。3年～5年最高水位為6.5 m～7.0 m。根據室內試驗資料，地基土的濕陷性系數小于0.015，場地不具濕陷性，但地質勘察單位根據地方經驗，提出本建筑場地應按非自重濕陷性場地對待，地基濕陷性為Ⅰ級(輕微)。

2 地基處理

本建筑場地為非自重濕陷性場地，地基濕陷性為Ⅰ級(輕微)。依據GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范，該建筑不宜采用天然地基淺基礎，且結構設計要求地基承載力特征值不小于220 kPa，天然地基不能滿足要求，因此需對地基進行處理，要求處理后的地基須既消除濕陷性又提高地基承載力。依據GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范和JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范，濕陷性黃土地基常用的處理方法有強夯法、墊層法、擠密法、預浸水法等。結合本工程的建筑物類別和場地土實際情況，并考慮施工設備、施工進度、材料來源、當地環境等因素影響[1]，本工程初步考慮采用換填墊層法或擠密法進行地基處理，下面就此兩種處理方法做詳細的技術經濟分析，以確定最優的地基處理方案。

2.1 換填墊層法

換填墊層法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理[2]。換填墊層法包括土墊層和灰土墊層。當僅要求消除基底下1 m～3 m濕陷性黃土的濕陷量時，宜采用局部(或整片)土墊層進行處理，當同時要求提高墊層土的承載力及增強水穩性時，宜采用整片灰土墊層進行處理。

2.1.1 換填墊層法設計

根據場地工程地質條件，采用三七灰土墊層換填對地基進行處理。根據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范，墊層的厚度應根據需置換軟弱土的深度或下臥層的承載力確定，并符合式(1)要求[3]:

其中，pz為相應與荷載效應標準組合時，墊層底面處的附加壓力值，kPa;pcz為墊層底面處土的自重壓力值，kPa;faz為墊層底面處經深度修正后的地基承載力特征值，kPa。

基礎埋深1.2 m，根據地質報告提供的各層地基土分析，需將第①層雜填土和第②層黃土狀粉質粘土全部挖除，基礎下做不小于1.5 m厚的三七灰土墊層，三七灰土墊層坐于第③層黃土狀粉質粘土上。第③層黃土狀粉質粘土的承載力特征值fak=130 kPa，由GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范，經深度修正后，墊層底面處的承載力特征值按式(2)計算[3]:

其中，fak為地基承載力特征值，kPa;ηd為基礎埋置深度的地基承載力修正系數，kPa;γm為墊層底面下土的加權平均重度，kN/m3;d為基礎埋深，m。

由式(2)計算可知，faz取值 161.4 kPa。

灰土體積比采用3∶7，壓實系數不小于0.95時，灰土墊層承載力特征值fak可取220 kPa[2]。則根據PKPM軟件的 JCCAD模塊計算得出，基礎底面尺寸為3.3 m×3.3 m。相應于荷載標準組合時，上部結構傳至基礎頂面的最大豎向力Fk=2 500 kN。基礎底面壓力按式(3)[3]計算:

其中，pk為相應于作用的標準組合時，基礎底面處的平均壓力值，kPa;Fk為相應于作用的標準組合時，上部結構傳至基礎頂面的豎向力值，kN;Gk為基礎自重和基礎上的土重，kN。

由式(3)計算可知，pk取值253.6 kPa。墊層底面處的附加壓力值按式(4)計算[2]:

由式(4)計算可知，pz取值104.6 kPa。

墊層底面處土的自重壓力值 pcz=19.6 ×(1.2+0.1+1.5)=54.9 kPa。

則墊層底面軟弱層驗算結果為:faz=161.4≥pz+pcz=104.6+54.9=159.5，滿足規范要求。

2.1.2 換填墊層法施工及質量檢驗

墊層施工應根據不同的換填材料選擇施工機械。粉質粘土、灰土宜采用平碾、振動碾或羊足碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯[2]。要求土的粒徑不大于15 mm，選用不含松軟雜質的粘性土，灰料應選用達到國家三等石灰標準的消石灰，粒徑不應大于15 mm，灰土應拌合均勻。土料的施工含水量宜控制在最優含水量15%±2%的范圍內。基坑開挖時應避免坑底土層受擾動，可保留200 mm厚的土層暫不挖去，待鋪填墊層前再挖至設計標高。灰土墊層的壓實系數應不小于0.97。

灰土的施工質量檢驗可采用環刀法、貫入法、靜力觸探、輕型動力觸探或標準貫入試驗檢驗。并均勻通過現場試驗以設計壓實系數所對應的貫入度為標準檢驗墊層的施工質量。墊層的施工質量檢驗必須分層進行。應在每層的壓實系數符合設計要求后鋪填上層土。竣工驗收采用載荷試驗檢驗墊層承載力時，每個單體工程不宜少于3點[2]。

2.2 擠密法

用擠密法處理濕陷性黃土地基時，孔內宜用素土或灰土，必要時可用強度高的填料如水泥土等。當防(隔)水時，宜填素土;當提高承載力或減小處理寬度時，宜填灰土、水泥土等[1]。結合本工程實際情況，需在處理地基土的濕陷性同時提高地基承載力，所以選擇孔內夯填水泥土料，即夯實水泥土樁法進行地基處理。

2.2.1 夯實水泥土樁法設計

夯實水泥土樁法利用機械成孔或人工挖孔，然后將水泥和土按設計的比例拌合均勻，在孔內夯實至設計要求的密實度而形成的加固體和樁間土組成復合地基的地基處理方法[4]。

根據地質勘察報告分析，夯實水泥土樁持力層選擇第④層黃土狀粉土，樁長4.5 m，樁徑400 mm，樁間距1.0 m，等邊三角形布樁。根據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范，夯實水泥土樁單樁豎向承載力特征值可按式(5)計算:

其中，up為樁的周長，m;n為樁長范圍內所劃分的土層數;qsi，qp分別為樁周第i層土的側阻力、樁端端阻力特征值，kPa;li為第i層土的厚度，m。

由式(5)計算可知，Ra取值150 kN。復合地基的面積置換率m可按規范計算為0.145。根據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范，夯實水泥土樁復合地基承載力特征值可按式(6)計算:

其中，fspk為復合地基承載力特征值，kPa;m為面積置換率;Ra為單樁豎向承載力特征值，kN;Ap為樁的截面積，m2;β為樁間土承載力折減系數，取0.9;fsk為處理后樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值110 kPa。

由式(6)計算可知，復合地基承載力特征值fspk=258 kPa，滿足設計要求。根據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范要求，夯實水泥土樁可只在基礎范圍內布樁，但考慮場地土的濕陷性，實際布樁范圍為基礎外擴1排～2排，總樁數796根。為保證樁土共同承擔荷載，減少基礎底面應力集中，同時調整豎向和水平向樁土荷載分擔比例，在樁頂鋪設200 mm厚褥墊層。褥墊層采用粒徑不大于20 mm的碎石。

2.2.2 夯實水泥土樁法施工及質量檢驗

夯實水泥土樁成孔工藝有擠土成孔(沉管、沖擊)和非擠土成孔(洛陽鏟、螺旋鉆)等方法。考慮到本工程地基土具有輕微濕陷性，采用沖擊成孔工藝。

樁體材料采用塑性指數大于10的粘性土(土料應過10 mm～20 mm篩)與水泥(32.5級普通硅酸鹽水泥)，土中的有機質含量不得超過5%，不得含有凍土或膨脹土。二者的配比根據實驗室配合比試驗確定為不小于1∶6(體積比)，混合料應拌合均勻，其含水量應為最優含水量15%±2%，樁體強度應滿足式(7)的要求:

即樁體強度fcu≥3 600 kPa。

夯填樁孔時應采用機械夯實機具，要求錘重不小于1.5 t。錘的落距、錘擊次數和填料厚度根據現場試驗確定，混合料的壓實系數不小于0.97。

成孔施工時要求樁孔中心偏差不超過100 mm，樁孔垂直度偏差不大于1.5%，樁孔直徑和樁孔深度不得小于設計值。

施工過程中，對夯實水泥土樁的成樁質量，應及時進行抽樣檢驗。抽檢數量不小于總樁數的2%。可采用輕便觸探要求成樁2 h內錘擊數M10≥40擊/30 cm。

夯實水泥土樁復合地基竣工驗收時，承載力檢驗應采用單樁復合地基載荷試驗。地基檢驗數量為總樁數的0.5%～1%，且不小于3點。

3 地基選型對比分析

對換填墊層法，本工程土方開挖量經計算約5 600 m3，石灰用量約600 m3，但其現場場地狹小，場地土無法現場堆放，需外運至1 km外的外場存放，混合料拌合也在外場拌合并運回。其直接費用經估算需80萬元左右，且在北方秋冬季節，多風沙天氣，采用現場大面積土方開挖進行換填墊層法施工，揚塵較大，對周圍環境產生很不利影響，而該公司對廠區內的環境衛生要求很高，采用此法施工，不利于廠區環境衛生維護。

對夯實水泥土樁法，其現場土方開挖量經計算約為800 m3，開挖量遠小于換填墊層法，現場可以堆放，水泥用量約為75 m3，混合料可在現場拌合。其直接費用經估算在50萬元左右。采用此法施工，可避免大面積土方開挖和揚塵，對周邊環境友好，采用大型機械施工，更能保證施工進度和質量。

經過對比分析可以看出，夯實水泥土樁法在技術經濟各項指標均優于換填墊層法。所以，本工程最終采用夯實水泥土樁法進行地基處理。

4 結語

結合本工程的建筑物類別和場地土實際情況，并考慮施工設備、施工進度、材料來源、當地環境等因素影響，通過對換填墊層法和夯實水泥土樁進行詳細的技術經濟分析，本工程最終確定采用夯實水泥土樁法進行地基處理，達到了既處理地基濕陷性又提高地基承載力的目的，并且因其施工簡便易行、質量容易保證、經濟合理、環境友好，也受到建設方的肯定。

[1] GB 50025-2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[2] JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范[S].

[3] GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S].

[4] 崔春桂，張 輝，唐文選，等.夯實水泥土樁處理濕陷性黃土地基的應用研究[J].城市建設理論研究(電子版)，2012(13):9-11.