施工順序?qū)浲恋仄簭?fù)合地基的影響探討

魏海濤 蔡 智

(中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

近年來，沿海地區(qū)工業(yè)廠房、機場建設(shè)步伐加快，建設(shè)用地多為軟土地基，地層具有承載力較低、高壓縮性的特點。一般來說，設(shè)計地坪標(biāo)高往往高于自然地面，建設(shè)初期需要回填土方至一定的標(biāo)高。大面積地坪后期填土和使用荷載引起的附加荷載沿深度衰減緩慢，影響深度較大，因此變形控制是個難點。

近海軟土區(qū)域的地坪地基常用的處理方式有換填墊層、強夯或強夯置換、預(yù)壓法、復(fù)合地基及結(jié)構(gòu)地坪等。其中水泥土攪拌樁復(fù)合地基是使用頻率相對較高的一種處理方法[1-2]，該法在有效提高地基承載力的同時，增大攪拌范圍內(nèi)的變形模量并能有效控制攪拌范圍內(nèi)的沉降。但是受到工藝條件、工藝流程和施工管理水平等的影響，水泥土攪拌樁處理的軟土地坪地基也出現(xiàn)了不少問題[3-4]。

眾多近海軟土地區(qū)的工業(yè)廠房和機場機坪工程實踐表明，對于場地原地面低于設(shè)計標(biāo)高的地坪工程，除了水泥土攪拌樁分項本身的設(shè)計、施工質(zhì)量以外，后填土壓實、后填土與水泥土攪拌樁的處理先后順序也是影響地基處理效果的重要因素[5]。

結(jié)合天津地區(qū)工程項目，對水泥土攪拌樁和后填土施工順序?qū)Φ鼗幚硇Ч挠绊戇M行探討。采用數(shù)值模擬方法，對不同填土厚度下兩種工況的地基沉降進行計算，驗證了前述分析結(jié)論，為合理設(shè)計方案的確定提供了重要的參考依據(jù)。

1 工程概況及工程地質(zhì)條件

某工業(yè)廠房項目位于天津空港物流加工區(qū)，本工程三棟單層大跨廠房單體面積較大，均不小于15000 m2，廠房主體采用框架混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)或獨立柱基形式。考慮到工業(yè)裝配廠房對地坪的變形、平整度要求，需要對室內(nèi)外地坪地基進行處理以控制沉降和差異沉降。

建設(shè)場地地形平坦，勘察深度范圍主要地層如下：黏土②層，軟塑—可塑；淤泥質(zhì)黏土③1層，流塑—軟塑狀，局部夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土薄層；粉質(zhì)黏土④層，可塑，局部夾黏土和粉土薄層。典型地質(zhì)剖面見圖1,主要地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

擬建場地淺部地下水為潛水，靜止水位埋深2.0～2.4 m。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，在干濕交替的情況下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性。

2 地坪地基處理

2.1 地坪地基處理設(shè)計方案

本工程場地平均高程2.45 m，地坪設(shè)計標(biāo)高為4.75 m，考慮地坪板結(jié)構(gòu)層0.3 m，整體回填土厚度約2.0 m，回填材料以粉質(zhì)黏土為主。設(shè)計地坪使用荷載50～70 kPa，要求地基處理后承載力不低于100 kPa，工后沉降不大于100 mm。根據(jù)地坪對處理地基的要求，綜合工程工期及造價，總體上擬采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理方案。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)：設(shè)計樁徑500 mm，樁間距1500 mm，正方形布置，樁長不小于12.0 m，并保證樁端進入粉質(zhì)黏土④層不小于1.0 m，樁身水泥摻量不小于15%，水泥土90 d立方體抗壓強度不小于1.5 MPa。

回填土設(shè)計參數(shù)：回填土料采用粉質(zhì)黏土，有機質(zhì)含量不大于5%，要求控制填料最優(yōu)含水量，現(xiàn)場以“手捏成團，落地為花”控制，分層回填厚度不大于0.3 m，分層壓實系數(shù)不小于0.94。

原設(shè)計復(fù)合地基處理施工工序：抽水清表，整平處理后，進行水泥土攪拌樁施工，水泥土攪拌樁分段檢測、驗收合格后，進行回填土碾壓處理。

2.2 地坪地基處理效果及原因分析

本工程1#、2#廠房先期施工，按照原設(shè)計工序進行施工，回填土期間，由于工期和場地道路條件，3#廠房區(qū)域一并完成了場地回填土處理，水泥土攪拌樁在回填土檢測合格后施工。工程整體施工完成投入使用1年后，1#、2#廠房地坪局部出現(xiàn)了沉降開裂，見圖2，而同期投入使用的3#廠房地坪未見明顯差異沉降，使用狀況良好。

圖2 局部地坪表面開裂

由于區(qū)域沉積地層較為穩(wěn)定，1#、2#、3#廠房范圍地層差別較小，各分項施工均采用同種工藝，主要區(qū)別在于回填土和水泥土攪拌樁施工順序不同。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，產(chǎn)生變形的地坪存在填土下沉脫空的現(xiàn)象，局部水泥土攪拌樁樁頂斷裂、傾斜。分析認為產(chǎn)生不均勻沉降變形的主要原因，除回填土的壓實效果不佳外，回填土碾壓施工過程對部分水泥土攪拌樁樁體產(chǎn)生了一定的擾動，局部形成不了完善的復(fù)合地基，從而導(dǎo)致地坪地基在使用階段產(chǎn)生不均勻沉降。

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3 基于后填土與水泥土攪拌樁施工順序的兩種工況分析

鑒于以上分析，有必要對后填土與水泥土攪拌樁施工順序進行比較分析。對于原地面低于設(shè)計地坪標(biāo)高的條件，通常情況下，有兩種地基處理思路，一種是先進行水泥土攪拌樁施工，然后再進行回填土施工，以下簡稱工況一，如圖3所示；另一種思路是先進行壓實回填土施工，檢測合格后，進行水泥土攪拌樁施工，以下簡稱工況二，如圖4所示。

圖3 工況一 先攪拌樁施工后填土

圖4 工況二 先填土后進行攪拌樁施工

3.1 兩種工況施工對比分析

從施工的角度分析，工況一優(yōu)點是可以快速進行攪拌樁施工，上部回填材料選擇性大，可以采用山皮石、建筑垃圾等易壓實的材料。缺點是水泥土攪拌樁施工后，后期回填土的施工工藝選擇性小，在回填土運輸、回填、碾壓過程中可能對已有的攪拌樁樁體產(chǎn)生不可逆的破壞，且上部回填土的質(zhì)量直接影響地坪地基的承載力及變形。

工況二考慮優(yōu)先進行回填土施工，工藝上除了分層壓實外，可以采用強夯、強夯置換等工藝，對上部回填土料進行壓實處理的同時，對原軟弱地基產(chǎn)生動力加固的效果；回填土施工完成后，水泥土攪拌樁施工期間，大型設(shè)備的行走，實際上對上部回填土也有二次壓實的效果。但由于后期需要進行攪拌樁施工，對填料粒徑有一定的限制。

3.2 兩種工況設(shè)計對比分析

按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012)的要求，水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力應(yīng)按照式(1)進行計算。

(1)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗取值；Ra為單樁承載力特征值，kN；fsk為樁間土承載力特征值，kN；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；m為面積置換率；Ap為樁截面面積，m2。

一般情況下，軟土區(qū)水泥土攪拌樁單樁承載力由樁身強度控制，因此置換率、樁間土承載力fsk對復(fù)合地基承載力計算影響較大。工況一復(fù)合地基承載力應(yīng)滿足不小于地坪使用荷載+填土自重荷載，即便考慮大面積硬殼層作用下軟土臨塑荷載提高的作用[6]，計算置換率相對較大。而工況二復(fù)合地基承載力應(yīng)滿足不小于地坪使用荷載，填土經(jīng)過處理后作為樁間土，承載力fsk相對工況一略高，因此計算置換率相對工況一偏小，當(dāng)然考慮硬殼層作用下，下臥軟土層的地基承載力也需要經(jīng)過驗算。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基沉降計算包括攪拌樁加固復(fù)合土層的平均壓縮變形與樁端下未加固土層的壓縮變形，可分別按復(fù)合模量法和分層總和法進行計算。

(2)

如不考慮施工順序，公式(2)附加壓力P0取地坪使用荷載準(zhǔn)永久組合，兩種工況計算沉降差主要源自填土層是否為復(fù)合土層，工況一計算沉降要略大于工況二。

鑒于軟土地基固結(jié)沉降與加載、時間關(guān)系的特點[7]，軟土地坪復(fù)合地基沉降計算不應(yīng)忽略施工順序的影響。在工況二條件下，由于回填土先行施工，而大面積地坪地基水泥土攪拌樁施工工期較長，對于軟土地基來說，尤其是場地表層存在欠固結(jié)填土的情況下，相當(dāng)于堆載預(yù)壓的過程，因此工況二比工況一施工期沉降和總沉降要大，但工后沉降相對小，而我們考察地坪地基處理效果，往往更多地關(guān)注工后沉降，也就是在地基處理完成后，地坪使用期的沉降。

3.3 兩種工況數(shù)值分析對比

為了進一步驗證兩種工況下地基處理效果的不同，在該案例的基礎(chǔ)上，采用GEO5有限元--固結(jié)分析模塊對兩種工況進行數(shù)值計算分析。

為了便于比較，模擬假設(shè)條件為：(1)不考慮兩種工況條件下填土的壓實效果的差異；(2)水泥土攪拌樁置換率、軟土置換深度一致；(3)兩種工況條件下，水泥土攪拌樁和回填土分項施工期一致，地基處理總工期按照75天計。數(shù)值計算的參數(shù)詳見表1。限于篇幅，選取最直觀的豎向變形特征指標(biāo)進行分析。兩種工況30年總固結(jié)沉降云圖見圖5、圖6。經(jīng)過分析計算，工況一地坪中心最大總沉降177.8 mm，工后沉降104.5 mm，工況二工后沉降地坪中心最大總沉降220.6 mm，工后沉降79 mm。計算結(jié)果與3.2節(jié)分析基本一致。

圖5 工況一 30年總固結(jié)沉降計算云圖

圖6 工況二 30年總固結(jié)沉降計算云圖

在以上模型分析的基礎(chǔ)上，針對后填土厚度不同的情況，分析后填土與水泥土攪拌樁施工順序帶來的影響。計算結(jié)果見圖7—圖9。

圖7 固結(jié)總沉降(30年)與填土厚度關(guān)系

圖8 施工期沉降/總沉降比例與填土厚度關(guān)系

圖9 工后沉降(30年)與填土厚度關(guān)系

按照填土厚度從0.5～3.0 m變化區(qū)間進行分析計算，根據(jù)計算的結(jié)果可以看出，隨著后填土厚度的加大，兩種工況的總沉降、工后沉降均變大，同時兩種工況的變形差也在加大，在填土厚度為0.5 m時，兩工況總沉降差為6.1 mm；在填土厚度為3 m時，總沉降差為74.8 mm。

同樣，后填土厚度越大，工況二施工期完成的沉降占比越高，施工期填土堆載預(yù)壓的效果明顯，工后沉降控制的效果越好。在填土厚度為3 m時，工況二的施工期沉降與總沉降的比值達到70%，而工況一的比值僅為43%。而后填土的厚度較小的情況下，兩種工況的處理效果差別不明顯。

4 結(jié)論

對于場地原地面低于設(shè)計標(biāo)高并采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基的地坪工程，后填土與水泥土攪拌樁處理的先后順序直接影響地基處理效果。

(1)后填土先于水泥土攪拌樁施工的工況可充分發(fā)揮上覆荷載對地基土加速固結(jié)作用，雖然施工期沉降較大，但更加有利于工后沉降控制。填土的厚度越大，這種優(yōu)勢越明顯，建議設(shè)計優(yōu)先考慮工況一；填土厚度較小時，兩種工況的沉降控制差別不大。

(2)從施工的角度，工況二填土材料的選擇性變小，但填土處理的工藝選擇性大，且填土先行施工有利于對復(fù)合地基增強體的保護。

(3)對于復(fù)合地基體系固結(jié)計算模型尚不成熟的條件下，通過數(shù)值分析模擬施工階段，定性地比較地基處理效果，揭示變形、地基應(yīng)力變化規(guī)律，有助于設(shè)計方案的決策。