南寧某建筑軟弱地基處理方案分析

呂春明

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司，南寧530011）

1 引言

地基處理就是對不滿足要求的地基進(jìn)行加固或改良，其目的是為了提高地基承載力或減少不均勻沉降。常用的地基處理方法有多種，如換填墊層法、強(qiáng)夯法、水泥粉煤灰碎石樁處理法、水泥攪拌樁處理法等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)要求，項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，甚至施工可行性進(jìn)行分析對比，選用合適的處理方法。本文先介紹常用的幾種地基處理方法，再結(jié)合實(shí)際工程案例闡述地基處理方法的選擇，并介紹其計(jì)算方法。

2 地基處理常用方法

2.1 換填墊層法

換填墊層法是將不良土層挖掉進(jìn)行換填。該方法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。其主要作用是提高地基承載力或消除膨脹土的脹縮。一般說來，換填墊層法是施工較簡單，相對比較經(jīng)濟(jì)的方法。如果一個(gè)工程有多種可行的處理方法，換填墊層法往往是優(yōu)先選擇的方法。換填墊層的厚度一般為0.5~3.0 m，厚度過大時(shí)不僅施工困難，經(jīng)濟(jì)性也不佳。

墊層的材料一般有砂石、黏土、灰土、粉煤灰等。材料的選用需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臈l件和荷載要求決定。

需要注意的是，換填墊層的承載力需要通過現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)確定，其施工質(zhì)量檢驗(yàn)還應(yīng)分層進(jìn)行，并應(yīng)在每層的壓實(shí)系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后再鋪填上層。

2.2 水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）由碎石、石屑、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成樁機(jī)械制成的具有一定強(qiáng)度的可變強(qiáng)度樁。CFG樁是一種低強(qiáng)度混凝土樁，可充分利用樁間土的承載力共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，具有較好的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效果。CFG樁是介于剛性樁與柔性樁之間的一種樁型，一般不需要配筋，并且還可利用工業(yè)廢料粉煤灰和石屑作摻合料，進(jìn)一步降低了工程造價(jià)。另外，CFG樁頂需要設(shè)置褥墊層，褥墊層將樁基與樁間土聯(lián)合，將其整合為一個(gè)整體，形成一個(gè)整體受力形式。

水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）法適用于處理黏性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基。對淤泥質(zhì)土應(yīng)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用性。此方法適用的基礎(chǔ)有條基、獨(dú)立基礎(chǔ)、箱基、筏基等。

處理樁施工完成后，需要對水泥粉煤灰碎石樁進(jìn)行檢測，檢測內(nèi)容有復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)、單樁靜載荷試驗(yàn)以及樁身完整性檢驗(yàn)。

2.3 水泥土攪拌樁法

水泥攪拌樁是利用深層攪拌機(jī)在鉆孔過程中，將水泥等固化劑噴入被加固的土層中，使固化劑與原軟土攪拌混合，使原土加固，承載力能得到大幅提升。

水泥土攪拌樁適用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土等土層；不適用于含大孤石或障礙物較多、欠固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、硬塑及堅(jiān)硬的黏性土、密實(shí)的砂類土，以及地下水滲流影響成樁質(zhì)量的土層。

水泥土攪拌樁分為漿液攪拌法（以下簡稱濕法）和粉體攪拌法（以下簡稱干法）。施工工藝一般如下：制備水泥漿→樁位放樣→鉆機(jī)就位→檢驗(yàn)、調(diào)整鉆機(jī)→正循環(huán)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度→打開高壓注漿泵→反循環(huán)提鉆并噴水泥漿→至工作基準(zhǔn)面以下0.3 m→重復(fù)攪拌下鉆并噴水泥漿至設(shè)計(jì)深度→反循環(huán)提鉆至地表→成樁結(jié)束→施工下一根樁。

水泥土攪拌樁施工前應(yīng)進(jìn)行處理地基土的室內(nèi)配比試驗(yàn)。和CFG樁類似，水泥土攪拌樁復(fù)合地基一般在基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置褥墊層，厚200~300 mm。

3 工程案例

3.1 工程概況

南寧楓林路某住宅小區(qū)，10棟高層住宅，周圍分布有2~4層的商鋪。小區(qū)東南角商鋪11#樓地上3層，地下1層。11#樓地下部分存在軟弱土層，地質(zhì)情況從上到下分布有：填土①、淤泥質(zhì)土①-1、粉砂③-1、粉砂巖④-2等土層。基坑平面及地質(zhì)剖面如圖1~圖3所示。

圖1 商鋪11#樓基坑平面圖

圖2 商鋪11#樓地質(zhì)剖面1-1

圖3 商鋪11#樓地質(zhì)剖面2-2

3.2 基礎(chǔ)選型分析

11#樓層數(shù)不多，優(yōu)先考慮柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。由圖1可知，D~G軸基礎(chǔ)底下土質(zhì)較好，大部分為粉砂③-1土層，可直接作為基礎(chǔ)持力層；該區(qū)域土層中也有局部的淤泥質(zhì)①-1土層，但厚度均在2 m以內(nèi)，該區(qū)域的淤泥質(zhì)①-1土層直接進(jìn)行換填處理。

而A~D軸基礎(chǔ)底存在2~4 m的淤泥質(zhì)①-1土層，地基承載力較低，無法直接利用天然地基。由于軟弱土層厚度較厚，如用換填方式處理，會(huì)涉及深基坑，帶來設(shè)計(jì)及施工難題，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性不佳。又考慮到D~G軸采用了天然地基，A~D軸不適合采用樁基礎(chǔ)。

因此，A~D軸適合的基礎(chǔ)形式是CFG樁地基處理和水泥土攪拌樁地基處理。而CFG樁一般用在承載力要求較高的地基處理中；水泥土攪拌樁用在承載力要求較低的地基處理中。再進(jìn)一步分析，CFG樁身強(qiáng)度等級一般在C15~C25，相對于淤泥質(zhì)土強(qiáng)度過高，不利于樁土共同作用。相對而言，水泥土攪拌樁更適合對淤泥質(zhì)土的處理。11#樓層數(shù)不多，承載力要求不高，再結(jié)合地質(zhì)情況，11#樓地基處理采用了水泥土攪拌樁的方式。

3.3 D~G軸區(qū)域的換填處理

D~G軸有局部的淤泥質(zhì)土，根據(jù)前面的介紹，換填的材料有多種。在材料選用的方案討論時(shí)，施工單位傾向于用C15素混凝土回填，一是混凝土材料施工方便，二是施工快，三是容易采購。但設(shè)計(jì)方認(rèn)為，素混凝土或毛石混凝土屬于較硬的換填材料，適用于較硬的巖石類地基換填。而對于土質(zhì)地基，特別是本工程換填區(qū)域?yàn)榫植繐Q填，換填區(qū)域不規(guī)則，素混凝土厚墊層容易使得應(yīng)力擴(kuò)散，導(dǎo)致獨(dú)立基礎(chǔ)底應(yīng)力分布不均勻。因此，本工程采用的是砂夾石的材料換填，其換填要求：

地基承載力特征值按粉砂③-1土層取值，fak=160 kPa。砂夾石其中碎石占全重的30%~50%。要求分層夯實(shí)，每層300 mm，壓實(shí)系數(shù)不小于0.97。每層材料鋪設(shè)壓實(shí)后，檢測壓實(shí)系數(shù)，滿足要求后再進(jìn)行下一層施工。換填完成后還需采用靜載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)處理地基的承載力。

3.4 A~D軸區(qū)域的水泥土攪拌樁處理

本工程D~G軸區(qū)域采用的地基承載力特征值是fak=160 kPa，為保證A~D、D~G兩區(qū)段基礎(chǔ)尺寸基本一致及變形基本協(xié)調(diào)，A~D軸復(fù)合地基承載力特征值按D~G軸區(qū)域取值，即fak=160 kPa。

水泥土攪拌樁樁身強(qiáng)度一般在1~2 MPa，其與水泥摻入量和土質(zhì)情況有很大關(guān)系，因此，在施工前應(yīng)進(jìn)行配比試驗(yàn)。本工程水泥土攪拌樁參數(shù)如下：樁身強(qiáng)度2.0 MPa；樁徑500 mm；樁端持力層為粉砂巖④-2土層，樁端進(jìn)入④-2土層按2 m試算。

單樁承載力特征值Ra根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》公式計(jì)算：

式中，up為樁的周長，m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi為樁長范圍第i層土的厚度，m；αp為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，一般為0.4~0.6；qp為樁端阻力特征值，kPa；Ap為樁的截面積，m2。

將前面參數(shù)代入公式（1），可得出：

再根據(jù)樁身強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中，η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25；fcu為試塊立方體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；則

最終單樁承載力特征值Ra取99 kN。

求出單樁承載力特征值后，就可根據(jù)公式（3）計(jì)算面積置換率：

式中，fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk為處理后樁間土承載力特征值；m為面積置換率；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取1.0；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，淤泥等土取0.1~0.4；其他土層取0.4~0.8，本例取0.4。

將前面結(jié)果代入式（3），求出m=0.283。

樁按照正方形方式布樁，樁間距計(jì)算公式：

式中，d為樁身平均直徑。

代入前面計(jì)算結(jié)果，s=832 mm，取樁間距830 mm。

地基變形計(jì)算可根據(jù)GB 5007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.5條內(nèi)容計(jì)算。其中復(fù)合土層的壓縮模量為該層天然地基壓縮模量的ξ倍：

基礎(chǔ)變形的計(jì)算公式較為繁雜，可以借助結(jié)構(gòu)工具箱計(jì)算，如理正巖土工具箱。經(jīng)調(diào)試，本工程獨(dú)立基礎(chǔ)總沉降量在30 mm以內(nèi)，沉降差控制在0.002 l以內(nèi)。

3.5 后記

復(fù)合地基施工后，經(jīng)檢測，換填區(qū)域的靜載荷試驗(yàn)，水泥土攪拌樁的復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)均為合格。為進(jìn)一步減少天然基礎(chǔ)區(qū)域與地基處理區(qū)域的不均勻沉降，本工程在D軸設(shè)置了沉降用后澆帶。后期的沉降觀測表明，本工程主體結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定，地基處理方案滿足工程要求。

4 結(jié)語

通常，人們在設(shè)計(jì)地基處理方案時(shí)，首先分析軟弱地基是否滿足換填的條件，換填往往是最經(jīng)濟(jì)最方便施工的方法；如果不滿足，再根據(jù)土質(zhì)的特點(diǎn)及建筑承載力要求，選用合適的處理方法。誠然，每個(gè)工程的條件都不一樣，選用合適的施工方案需要工程師多年的經(jīng)驗(yàn)積累。本文也可為有類似要求的工程提供借鑒。