多樁型復(fù)合地基在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用

黃文德

我國濕陷性黃土分布面積約占黃土分布面積的60%左右，為27萬km2，大部分在黃河中游區(qū)域，北起長城附近，南達(dá)秦嶺，西自烏鞘嶺，東至太行山，即北緯34～41°、東經(jīng)102～114°之間。目前消除濕陷性黃土濕陷性的方法主要有復(fù)合地基法、浸水法、強(qiáng)夯法等。浸水法及強(qiáng)夯法均不適于在城市居民密集的地區(qū)使用，目前使用較為廣泛的是利用復(fù)合地基處理濕陷性黃土。隨著復(fù)合地基處理技術(shù)的日益成熟，人們開始結(jié)合工程實(shí)際，利用多樁型復(fù)合地基進(jìn)行地基處理。多樁型復(fù)合地基逐漸在國內(nèi)大量使用，如CFG樁+灰土擠密樁復(fù)合地基、CFG樁+水泥土樁復(fù)合地基、CFG樁+土擠密樁復(fù)合地基[1]等各種型式，解決了傳統(tǒng)復(fù)合地基不能很好解決的問題，取得了良好的工程和經(jīng)濟(jì)效益。

本文首先介紹了濕陷性黃土的特性和多樁型復(fù)合地基的機(jī)理，并通過工程實(shí)例探討了多種類型多樁型復(fù)合地基在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用，闡述了個(gè)人對(duì)此問題的觀點(diǎn)，以期有助于多樁型復(fù)合地基在濕陷性黃土地基處理中的應(yīng)用發(fā)展。

1 濕陷性黃土的工程特性

1.1 濕陷性黃土的顆粒組成特性

濕陷性黃土具有大孔隙，肉眼可見，發(fā)育垂直節(jié)理，能抵抗壓密的非飽和欠壓密土。在天然狀況下，其壓縮性比較低，強(qiáng)度很高。但遇水濕潤后，可溶性鹽類溶解，強(qiáng)度顯著降低。在自重壓力和附加壓力共同作用下，原狀結(jié)構(gòu)很快破壞，孔隙率變小，造成地基不均勻沉降，對(duì)建筑物的安全性危害特別大。

我國濕陷性黃土以粉粒為主，約占50～70%，而粉粒中又以0.01～0.05mm的粗粉粒為主，約占40～60%，小于0.005mm的粘粒較少，大于0.25mm的中砂顆粒較少見。濕陷性黃土的顆粒組成分布特征為由西北向東南有逐漸變細(xì)，比較契合風(fēng)成學(xué)說。

1.2 黃土的濕陷性

黃土是干旱、半干旱氣候條件下形成的沉積物，其顆粒以粉粒為主，粉粒、粘粒和砂粒排列稀疏，形成結(jié)構(gòu)性孔隙。干旱條件使土中鹽類析出，膠體凝結(jié)，產(chǎn)生了顆粒間起加固作用的粘聚力，在天然條件下，土體強(qiáng)度較大，穩(wěn)定性好，承載力較高。黃土浸水后，由于鹽類和膠體溶解，在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力的作用下，骨架顆粒重新排列，土中孔隙減小，土體整體產(chǎn)生沉降，稱這種現(xiàn)象為濕陷性。不同地區(qū)黃土形成時(shí)的自然氣候條件差異比較大，因此也形成了較大差別的濕陷性。自重濕陷性黃土是受水浸濕后在土的自重應(yīng)力下就產(chǎn)生濕陷，非自重濕陷性黃土是受水浸濕后只有在土的荷載作用下才產(chǎn)生濕陷。黃土開始濕陷時(shí)的相應(yīng)壓力稱為濕陷起始?jí)毫Γ僧?dāng)作黃土浸濕后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)實(shí)際受壓應(yīng)力大于等于濕陷起始?jí)毫Γ馏w開始濕；當(dāng)小于濕陷起始?jí)毫Γ划a(chǎn)生濕陷變形，僅發(fā)生壓縮變形。

通過室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)測(cè)得的濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)可以確定黃土的濕陷類型和濕陷等級(jí)，濕陷性等級(jí)分為弱、中、強(qiáng)濕陷性三個(gè)等級(jí)。濕陷性與土的形成歷史、顆粒組成、濕度密度都有一定的關(guān)系。濕陷變形與壓縮變形不同，其典型特點(diǎn)是：變形量特別大，常為壓縮變形的幾倍，甚至幾十倍；發(fā)生速度快，一般在浸水1～2h后就開始出現(xiàn)濕陷，發(fā)展速度也很快，1～2d內(nèi)就可能產(chǎn)生的變形量達(dá)20～50cm，這種速率快、量大、不均勻的變形經(jīng)常使建筑物發(fā)生嚴(yán)重變形破壞。

2 多樁型復(fù)合地基的機(jī)理

2.1 多樁型復(fù)合地基的基本概念

復(fù)合地基能充分利用樁間土和樁體共同作用以及相對(duì)低廉的工程造價(jià)，使其廣泛的應(yīng)用于各個(gè)地區(qū)。但因其結(jié)構(gòu)模式單一，所能解決的地基問題也比較局限[2]。近十幾年來，隨著高大建筑的不斷出現(xiàn)，為了充分發(fā)揮地基土的承載力，提高復(fù)合地基承載能力、節(jié)約地基處理造價(jià)，工程師開始采用多樁型復(fù)合地基。多樁型復(fù)合地基[1～4]是地基處理中采用兩種或兩種以上類型的樁體，或采用幾何尺寸不相同的兩種或兩種以上同一類樁體構(gòu)成的復(fù)合地基。通常稱樁身強(qiáng)度較高的樁稱為主樁或強(qiáng)樁，強(qiáng)度較低的樁稱為次樁或弱樁。

2.2 多樁型復(fù)合地基的加固機(jī)理特點(diǎn)

多樁型復(fù)合地基的加固機(jī)理仍處于試驗(yàn)研究階段。目前研究表明：各樁型按其各自的性態(tài)特點(diǎn)在土中發(fā)揮其加固作用，其加固可以近似為各型樁加固的綜合疊加。荷載仍然由樁與樁間土共同承擔(dān)，這一基本原則沒有改變。由于不同樁型間剛度的差異，不僅樁、土間分擔(dān)的荷載有不同，各樁型之間分擔(dān)的荷載也有不同。

3 多樁型復(fù)合地基的工程應(yīng)用

3.1 灰土擠密樁與CFG樁復(fù)合地基

三門峽某工程[3]地下1層，地上32層，平均基底壓力為540kPa，筏板基礎(chǔ)，基底標(biāo)高-7.360m，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。擬建場(chǎng)地為自重濕陷性黃土場(chǎng)地，地基濕陷等級(jí)達(dá)Ⅱ（中等）～Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重），自重濕陷性黃土最大深度達(dá)25.50m。擬建建筑物不能直接利用天然地基，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行地基處理，以消除所有濕陷性。若采用樁基礎(chǔ)透過整個(gè)濕陷性土層，場(chǎng)地自重濕陷性土層25.5m，深度較大，導(dǎo)致樁長過大。且由濕陷性造成的樁側(cè)負(fù)摩擦力比較大，單樁承載力損失較多，需另外增加樁長以彌補(bǔ)損失，工程投資不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過反復(fù)比較，最終確定采用灰土擠密樁與CFG樁復(fù)合地基，先用灰土擠密樁處理地基土，以消除地基土的濕陷性，將樁側(cè)的負(fù)摩擦力轉(zhuǎn)化為正摩擦力，以此來解決單樁承載力損失的問題，然后再用CFG樁復(fù)合地基處理。

分別進(jìn)行了灰土擠密樁、CFG樁的單樁靜載載荷試驗(yàn)，還做了多樁型復(fù)合地基的靜載載荷試驗(yàn)。灰土擠密樁3個(gè)試點(diǎn)的總沉降量分別為6.51mm、6.62mm、6.58mm。CFG樁3個(gè)試點(diǎn)的總沉降量分別為5.76mm、7.22mm、10.17mm。多樁型復(fù)合地基3個(gè)試點(diǎn)總沉降量分別為8.42mm、7.29mm、7.37mm。通過靜載試驗(yàn)看到，處理后的地基承載力完全滿足建筑物荷載設(shè)計(jì)的要求。無論從經(jīng)濟(jì)、施工速度、對(duì)周邊環(huán)境的影響都有表現(xiàn)出比較好的效果。

3.2 土擠密樁與CFG樁復(fù)合地基

蘭州某高層住宅[4]，層數(shù)26層，主體結(jié)構(gòu)總高度76.75m，上部結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室2層，基底埋深-8.0m，基底荷載設(shè)計(jì)值480k Pa。工程場(chǎng)地屬黃河南岸四級(jí)階地后緣，地基土組成由至上而下分別為：①黃土狀粉土，Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）自重濕陷性，層厚20.0～22.0m，承載力特征值fak=120kPa；②黃土狀粉土，層厚約9.0～10.0m，承載力特征值 fak=150kPa；③粉土，層厚16.0～20.0m，50m深度以下呈飽和狀態(tài)，承載力特征值fak=180kPa；④卵石，沖洪積成因，中密-密實(shí)，由花崗巖及石英巖碎屑組成，層面平坦，埋深55.7～61.4m。擬建場(chǎng)地屬于Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）自重濕陷性黃土場(chǎng)地類型，濕陷性下限深度為-22.0m，建筑物基底埋深為-8.0m，基底下剩余的濕陷性土層最大厚度約為14.0m。基底荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值為480kN，采用擠密法雖然可以有效消除地基土濕陷性，但擠密后的人工地基作為持力層仍不能滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)場(chǎng)地土的物理力學(xué)性質(zhì)，上部結(jié)構(gòu)形式和當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，最后采用CFG樁-素土擠密樁多樁型復(fù)合地基。素土擠密樁作短樁，可完全消除黃土濕陷性，充分發(fā)揮天然土層作用。CFG樁體經(jīng)擠密后的地基土樁側(cè)摩擦力增大，在樁長較短的情況下，仍可獲得較高的承載力，同時(shí)起到減沉樁的作用，減少地基基礎(chǔ)不均勻沉降。在復(fù)合地基褥墊層的作用下，充分挖掘CFG樁、素土樁、樁間土的潛力，使三者共同分擔(dān)荷載，在保證承載力和沉降滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，能大幅度降低工程造價(jià)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)素土擠密樁處理后，地基土濕陷性全部消除，擠密效果好。CFG樁-素土擠密樁多樁型復(fù)合地基承載力特征值為640kPa，滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力要求。CFG單樁承載能力特征值達(dá)920kN。擠密土樁處理后，側(cè)摩阻力提高程度較大，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值由28kPa提升至72kPa。CFG樁與素土擠密樁多樁型復(fù)合地基很好的消除了濕陷性，地基承載力提升范圍大，在濕陷性黃土地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)地基承載力需求高，且淺部無穩(wěn)定的樁基持力層的濕陷性黃土場(chǎng)地，采用CFG樁-素土擠密樁多樁型復(fù)合地基作為基礎(chǔ)持力層具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 夯實(shí)水泥土與CFG樁復(fù)合地基

洛陽某工程[5]地上12層，地下1層，埋深-4.5m，總高52.5m，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)乙級(jí)。場(chǎng)地為Ⅰ級(jí)非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，勘察期間，場(chǎng)地區(qū)地下水穩(wěn)定水位在地面下19.3～19.8m。工程選用CFG樁與夯實(shí)水泥土樁結(jié)合的多樁型復(fù)合地基處理方案，夯實(shí)水泥土與CFG樁間隔布置，既提高了地基承載力，又消除了上部土層的濕陷性。

沉降觀測(cè)共設(shè)了15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，從首層框架施工結(jié)束開始，到主體竣工時(shí)，總沉降量為18.3～21.5mm，平均沉降為20.0mm，沉降差很小。目前該工程已投入使用多年，運(yùn)行情況良好，地基處理效果滿意。

4 結(jié)語

多樁型復(fù)合地基在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用能很好地消除濕陷性，地基承載力提高，工程造價(jià)降低，施工工期縮短，經(jīng)濟(jì)效果良好[6]。可滿足建筑物地基承載力的要求，工程應(yīng)用前景廣泛。在濕陷性黃土地區(qū)高層建筑工程應(yīng)用中，可根據(jù)濕陷性土層的厚度確定樁型、樁長和樁徑。成孔工藝科根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖┕で闆r確定，一般施工工藝均可保證樁的質(zhì)量。在具體工程應(yīng)用中，應(yīng)考慮工程實(shí)際，如建筑物結(jié)構(gòu)類型、荷載特征、地質(zhì)條件等，確定復(fù)合地基的具體類型和施工方案。

[1]張梅，王奔，韓高彬.濕陷性黃土地基處理的優(yōu)化樁型設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（6）：105～109.

[2]何廣訪，王洪有.多樁型復(fù)合地基的實(shí)用計(jì)算法[J].西部探礦工程，2006（3）：15～16.

[3]候威鋒.多樁型復(fù)合地基處理濕陷性黃土實(shí)例[J].中華建設(shè)，2016：122～123.

[4]蒲忠，何有善，何臘平.CFG樁-素土擠密樁組合型復(fù)合地基處理濕陷性黃土應(yīng)用[J].西部探礦工程，2013（3）：11～16.

[5]侯化坤.CFG 樁在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006，36（11）：45～47.

[6]蘇迎社，陳林.擠密樁和CFG樁復(fù)合地基在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2012，41（362）：52～54.