馬安剛(甘肅眾聯(lián)建設(shè)工程科技有限公司，甘肅 蘭州 730050)

多樁型復(fù)合地基在自重濕陷性黃土場地應(yīng)用的試驗研究

馬安剛(甘肅眾聯(lián)建設(shè)工程科技有限公司，甘肅 蘭州 730050)

通過原狀土、預(yù)鉆孔夯擴擠密地基、混凝土樁、多樁型復(fù)合地基（由擠密樁及混凝土樁兩種增強體組成）的載荷試驗，及樁身應(yīng)力與基底土壓力量測等，對多樁型復(fù)合地基在自重濕陷性黃土場地的應(yīng)用進行了系統(tǒng)的試驗研究，為該場地高層建筑地基選型提供了依據(jù)。

自重濕陷性黃土；高層建筑；多樁型復(fù)合地基

1 前 言

自重濕陷性黃土場地上的高層建筑通常采用樁基，以深部碎石類土或巖層作為樁端持力層。在濕陷性土層厚度很大的黃土塬、峁、梁及河流高階地，往往碎石類土（或巖層）缺失或埋置深度大，若上部自重濕陷性黃土的厚度在可處理范圍內(nèi)時，可考慮采用由兩種不同材料增強體組成的多樁型復(fù)合地基：采用土或灰土擠密樁增強體消除地基土的濕陷性；采用混凝土樁增強體提高地基承載力和對變形的適應(yīng)能力，使之達到設(shè)計要求。本試驗的主要目的：了解該類多樁型復(fù)合地基的承載與變形特性、混凝土樁與擠密地基的荷載分擔(dān)比及樁土應(yīng)力比等。

2 工程地質(zhì)概況

擬建項目場地位于蘭州市榆中縣，場地原始地貌為黃土峁、梁及溝谷，經(jīng)多次挖、填改造，場地西部形成了五級平臺，場地東側(cè)沖溝已回填整平。場地東西寬約1200m，南北長約1500m，大致呈梯形。勘察報告將擬建場地劃分為三個工程地質(zhì)分區(qū)，本次試驗場地在Ⅱ區(qū)，地層自上而下依次為：

黃土狀粉土：褐黃、灰褐色；層厚24.6m；含水率5.4%～11.8%、平均9.4%；干密度1.31g/cm3～1.47g/cm3、平均1.36g/cm3；孔隙比0.846～1.068、平均0.931；濕陷量△s>700mm，自重濕陷量△zs>350mm，屬Ⅳ級自重濕陷性黃土場地；據(jù)擊實試驗，土體最大干密度為1.78g/cm3，最優(yōu)含水率為14.8%；

離石黃土（Q2）：層厚21m，根據(jù)室內(nèi)土工試驗及現(xiàn)場浸水載荷試驗，該土層濕陷起始壓力≥600kPa，可按非濕陷性土層考慮；

卵石層（Q2）：勘察中未穿透，層厚大于6m；青灰色；主要成分為砂巖、花崗巖等，磨圓度及分選性好，粒徑20mm～150mm，充填物以砂土為主；中密～密實。

勘察深度內(nèi)未見地下水。

3 復(fù)合地基的設(shè)計與施工

本試驗采用3:7灰土擠密樁消除黃土狀粉土的濕陷性；采用混凝土樁增強體提高地基承載力和對變形的適應(yīng)能力。

地基土含水率直接影響擠密處理效果，通常以含水率12%作為是否增濕的界限，本場地地基土含水率平均為9.4%，在擠密地基施工前進行了增濕處理，增濕停水25天后地基土含水率在10.3%～16.2%范圍內(nèi)，平均13.5%，基本滿足要求。

灰土樁采用了預(yù)鉆孔夯擴擠密工藝，樁孔按正三角形布置，樁長25m，預(yù)鉆孔直徑d為700mm，孔心距s為1.4m，本場地土體擠密前平均干密度ρd0為1.36g/cm3，最大干密度ρdmax為1.78g/cm3，考慮到基底壓力較大且預(yù)鉆孔夯擴擠密施工質(zhì)量不易控制等因素，平均擠密系數(shù)取為0.97。依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025，將上述參數(shù)帶入式（1）可求得夯擴體直徑D約為0.91m，灰土樁置換率為38.29%。

擠密地基預(yù)鉆孔采用CFG-40型長螺旋鉆機，夯擴采用JK-B型電動自行式夯實機，夯錘重2.78t，錘徑500mm。

混凝土樁按正三角形布置，位于三根灰土擠密樁之間，樁長25m，樁徑600mm，樁心距2.8m，混凝土樁置換率為4.16%。依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012，有粘結(jié)強度復(fù)合地基增強體樁身強度應(yīng)滿足式（2）要求，式中單樁承載力發(fā)揮系數(shù)λ取0.9，樁截面積Ap為0.2826m2，單樁豎向承載力特征值取2355kN（僅考慮樁身摩阻力，極限摩阻力按100kPa計），樁體試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d的立方體抗壓強度平均值fcu為30MPa，試樁樁身混凝土強度等級取為C30。

混凝土樁采用旋挖鉆機成孔，導(dǎo)管法灌注樁身混凝土。

4 試驗內(nèi)容與方法

主要試驗內(nèi)容見表1，試驗場地平面布置見圖1。

圖1 試驗場地平面布置

混凝土樁單樁靜載試驗依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ-106進行，天然地基載荷試驗依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007附錄C進行，擠密樁單樁復(fù)合地基載荷試驗依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB 50025附錄J進行，混凝土樁單樁復(fù)合地基載荷試驗依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ-79附錄B進行。單樁復(fù)合地基載荷試驗板的面積為一根樁承擔(dān)的處理面積，載荷板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形板（C25），板直徑與高度之比約為3，第一級加載量計入載荷板自重。

樁身應(yīng)力測試采用JMZX-416A型弦式鋼筋應(yīng)力計，鋼筋計量程200MPa，靈敏度0.1MPa，在樁身配置安裝鋼筋計的鋼筋籠，每樁設(shè)置17個截面，每個截面沿直徑方向?qū)ΨQ安裝兩個鋼筋計，第1及第17截面分別距樁頂及樁底0.5m，其余截面間距均為1.5m。

圖2 土壓力盒布置

在混凝土樁單樁復(fù)合地基DF1、DF2點載荷試驗板下擠密地基中設(shè)置土壓力盒，試驗板下擠密地基總面積為6.5㎡,其中擠密粉土面積4.05m2，灰土樁面積2.46m2，壓力盒布置見圖2。基底壓力測試采用JMZX-5020A型弦式土壓力盒，土壓力盒最大量程2MPa，靈敏度0.001 MPa。土壓力盒安裝前模擬現(xiàn)場條件在室內(nèi)進行了砂標(biāo)，并將此作為分析依據(jù)。

預(yù)鉆孔夯擴擠密效果檢驗的方法是：開挖探井，在樁間及樁身取樣進行土工試驗并量測夯擴體直徑。綜合灰土樁三樁間土體密實度、壓縮性、濕陷性、樁身密實度及夯擴體直徑等資料對擠密效果進行評價。

5 測試成果分析

5.1 單樁豎向靜載試驗成果分析

表1 主要試驗內(nèi)容

對ZH1、ZH2、ZH3樁進行了單樁豎向靜載試驗，圖3是其荷載-沉降（Q-s）關(guān)系曲線。其中ZH1、ZH2樁進行了樁身應(yīng)力測試，采用鋼弦式應(yīng)力計，當(dāng)應(yīng)力計受壓后，鋼弦的自振頻率發(fā)生變化，按照預(yù)先標(biāo)定的應(yīng)力與頻率關(guān)系曲線，通過綜合測試儀得到鋼筋應(yīng)力值，將應(yīng)力值除以鋼筋與混凝土彈性模量之比αE得到樁身換算截面應(yīng)力，該應(yīng)力與換算截面積相乘即為測試截面軸力，相鄰兩截面軸力之差除以截面間樁身表面積得到該段樁身摩阻力，圖4為ZH2樁樁身軸力及摩阻力分布圖。

圖3 ZH1、ZH2、ZH3樁Q-s曲線

圖4 ZH2樁樁身軸力及摩阻力分布

如圖3所示，加載過程中ZH1、ZH2、ZH3樁的Q-s曲線未出現(xiàn)整體剪切破壞的征兆，為緩變型，最大加載時，3根樁的累計沉降分別為15.92mm、19.4mm及14.03mm，單樁承載力特征值取最大加載之半2275kN。如圖4所示，樁身摩阻力、端阻力的發(fā)展符合荷載傳遞的一般規(guī)律：由上至下、由小到大、先摩阻后端阻，最大加載時樁身下部摩阻力未達極限，端阻力較小，樁頂荷載主要與樁身摩阻力相平衡，基樁為摩擦型樁，樁身平均極限摩阻力可取為100kPa。

5.2 地基靜載試驗成果分析

通過載荷試驗確定天然地基、灰土樁或混凝土樁單樁復(fù)合地基的承載力特征值時，應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)p-s曲線有比例界限時，取該比例界限對應(yīng)的荷載值；當(dāng)極限荷載小于對應(yīng)比例極限荷載的2倍時，取極限荷載值的一半；當(dāng)p-s曲線是平緩的光滑曲線時，按相對變形確定，天然地基取s/d＝0.01～0.015對應(yīng)的荷載、灰土樁單樁復(fù)合地基取s/d＝0.006～0.008對應(yīng)的荷載、剛性樁取s/d＝0.008～0.01對應(yīng)的荷載，按相對變形確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大試驗荷載之半；復(fù)合地基載荷試驗，當(dāng)承壓板直徑d大于2m時按2m計算。

圖5為T1、T2、T3三個黃土狀粉土地基載荷試驗的p-s曲線，曲線上近似后直線起點依次為300kPa、350kPa、350kPa，將其作為各自的極限荷載，平均值為333kPa，黃土狀粉土地基的承載力特征值取為160 kPa。由室內(nèi)壓縮試驗黃土狀粉土的壓縮模量Es0.1-0.2為12MPa，Es0.2-0.3 為 14MPa。

圖6為JF1、JF2、JF3三個灰土樁單樁復(fù)合地基載荷試驗的p-s曲線，曲線上近似后直線起點依次為720kPa、630kPa、720kPa，將其作為各自的極限荷載，平均值為690kPa，灰土樁單樁復(fù)合地基的承載力特征值取為345kPa。依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ-79，復(fù)合土層的壓縮模量等于該天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ為復(fù)合地基與天然地基承載力特征值之比，ζ＝345／160＝2.16，灰土擠密樁復(fù)合地基的壓縮模量Es0.2-0.3可取為30MPa。

圖5 T1、T2、T3點P-s曲線

圖6 JF1、JF2、JF3點P-s曲線

圖7 DF1點p-s曲線

圖7～圖9分別為DF1、DF2、DF3三個混凝土單樁復(fù)合地基載荷試驗的p-s曲線，對其中DF1、DF2兩點的混凝土樁進行了樁身應(yīng)力測試，圖10為DF2點樁身軸力及摩阻力分布圖。

表2 多樁型復(fù)合地基荷載分擔(dān)比與樁土應(yīng)力比

表3 灰土樁擠密地基樁土應(yīng)力比

圖8 DF2點p-s曲線

DF1、DF2、DF3三點的p-s曲線均為緩變型，可擬合為圖中所示的冪函數(shù)，單樁復(fù)合地基的承載力特征值按相對變形確定，取s/d＝0.008，承壓板直徑d按2m計，s＝16mm，三點p-s曲線上與16mm對應(yīng)的荷載分別為901kPa 、948kPa、1023kPa，均大于最大試驗荷載之半，多樁型復(fù)合地基承載力特征值取600kPa。由圖10可見，復(fù)合地基中混凝土樁樁身荷載傳遞規(guī)律與前述單樁類似，樁身下部摩阻力未達極限，端阻力未充分發(fā)揮，基樁為摩擦型樁。當(dāng)多樁型復(fù)合地基基底壓力為其承載力特征值時，樁頂荷載為2160kN，接近單樁承載力特征值。多樁型復(fù)合地基的壓縮模量等于天然地基壓縮模量的ζ倍，ζ＝600／160＝3.75，壓縮模量可取為50MPa。

圖9 DF3點p－s曲線

圖10 DF2點樁身軸力及摩阻力

5.3 荷載分擔(dān)比與樁土應(yīng)力比

樁土荷載分擔(dān)比與樁土應(yīng)力比是復(fù)合地基的重要設(shè)計參數(shù)，它與樁土模量比、樁土面積置換率、荷載水平、樁長、墊層種類與厚度等因素有關(guān)。表2為依據(jù)實測樁頂所受荷載計算的混凝土樁與擠密地基的樁土荷載分擔(dān)比與樁土應(yīng)力比。表3為依據(jù)擠密地基中實測應(yīng)力計算的灰土樁與擠密粉土的樁土應(yīng)力比。由表可見，隨荷載增加、變形發(fā)展，荷載逐漸向樁體集中。當(dāng)上部荷載為多樁型復(fù)合地基承載力特征值時，混凝土樁與擠密地基的荷載分擔(dān)比約為1.13，樁土應(yīng)力比約為26，灰土樁與擠密粉土的樁土應(yīng)力比約為1.63。在擠密效果檢驗時，《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025規(guī)定，當(dāng)基底壓力大于300kPa時，測定濕陷系數(shù)δs的試驗壓力宜用實際壓力，本試驗承載力特征值取600kPa時，擠密粉土上土壓力平均值為237kPa，試驗壓力仍用200kPa。

5.4 預(yù)鉆孔夯擴擠密地基處理效果檢驗

開挖探井，在樁身及擠密樁三樁間取樣進行土工試驗并量測夯擴體直徑，結(jié)果表明：夯擴體直徑平均為910mm，壓實系數(shù)基本達到0.97，三樁間土體的最小擠密系數(shù)平均為0.88，濕陷性全部消除，土體由中等壓縮性變?yōu)榈蛪嚎s性，地基處理達到預(yù)期效果。

6 結(jié) 語

1）在濕陷性土層厚度很大的黃土塬、峁、梁及高階地，當(dāng)碎石類土（或巖層）缺失或埋置深度大，且上部自重濕陷性黃土可處理時，高層建筑采用由灰土擠密樁及混凝土樁兩種增強體組成的多樁型復(fù)合地基是可行的。

2）采用本試驗各項設(shè)計參數(shù)時，多樁型復(fù)合地基的承載力特征值可取為600kPa，壓縮模量可取為50MPa。與多樁型復(fù)合地基承載力特征值對應(yīng)的混凝土樁與擠密地基的荷載分擔(dān)比約為1.13，樁土應(yīng)力比約為26，灰土樁與樁間擠密粉土的樁土應(yīng)力比約為1.63。

3）試驗及試算表明，初步設(shè)計時，在設(shè)定多樁型復(fù)合地基各項參數(shù)后，利用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ-79推薦公式，預(yù)估復(fù)合地基的承載與變形特性是可行的。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2011）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（GB50025-2004）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）（2009年版）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-2008）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ79-2008）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[6]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范（JGJ106-2014）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[7]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范（JGJ340-2015）[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

Expeimental study on application of multi-type-pile composite foundation in self-heavy collapsible loess ground

Through load test on Undisturbed soil, pre-drilled rammed compaction, concrete piles,multi-pile composite foundation(It is composed of compacted pile and concrete pile),and measurement of pile stress,base earth pressure,a systematic experimental study was carried out on application of multi-type-pile composite foundation in self-heavy collapsible loess ground,it provides the basis for the selection of high-rise building foundation.

self-heavy collapsible loess; high-rise buildings; multi-pile composite foundation

TU473

B

1003-8965(2017)05-0086-04