大面積填土工業場地中夯實水泥土樁復合地基的應用

趙世清

（山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西陽泉 045000）

1 概述

1.1 復合地基

復合地基是指天然地基在處理過程中，部分土體被增強或被置換，形成由地基土（天然地基土或被改良的填土地基土）和豎向增強體共同承擔荷載的人工地基[1]。

1.1.1 夯實水泥土樁復合地基

夯實水泥土樁復合地基作為復合地基的一種，目前是我國北方地區加固軟土地基普遍采用的一種復合地基形式[2]。

夯實水泥土樁復合地基是將水泥和土按比例拌合均勻，在孔內分層夯實形成豎向增強體的復合地基[1]。其由增強體——夯實水泥土樁、樁間土及褥墊層三部分共同承擔上部荷載的地基形式。

增強體——夯實水泥土樁屬于有粘結強度的樁，其粘結強度為中等，其地基加固機理可歸為兩類：①在夯擊成樁過程中對樁間土的擠密作用，使樁間土強度有一定程度的提高。②樁體加固范圍內的置換作用，增強體內水泥與土拌和后會產生一系列的物理化學反應，使樁體本身較原始土層有較高的強度，且具有水硬性。但其加固作用會根據不同地層情況而具有明顯的區別，且只適用于地下水以上的土層，在有些存在地下水的工程實例中，當采取有效的降水措施后也可適用。

褥墊層多采用砂石，為柔性。可改善復合地基淺層的受力狀態，保證增強體與樁間土共同承擔上部荷載，并可通過墊層厚度在一定范圍內調整二者的受力比例。

1.1.2 承載力特征值

夯實水泥土樁復合地基的計算采用的是有粘結強度增強體復合地基計算公式見式（1）[1]。

式中：fspk——復合地基承載力特征，kPa；fsk——處理后樁間土承載力特征，kPa；λ——單樁承載力發揮系數；m——面積置換率；Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；Ap——樁的截面積，m2；β——樁間土承載力發揮系數。

從式（1）可以看出當樁體材料一定時，樁間土的擠密效果及置換率均與最終復合地基承載力承載力呈正相關，所以縮小樁間距以提高面積置換率、提高擠密效果是關鍵因素。

1.1.3 夯實水泥土樁優勢

夯實水泥土樁成樁所選用的材料較簡單，為土和水泥，在一般地區土料均為場地或場地附近原始土層取料，基礎開挖或鉆孔廢土均可使用（除特殊巖土外），水泥摻量較小。因此夯實水泥土樁成本低廉，性價比較高。其施工工藝簡單，開孔、成樁工藝靈活，可根據場地等各方條件采用不同工藝。施工速度較快，在夯實過程中質量控制較容易。因此夯實水泥土樁復合地基得到了普遍推廣使用。

1.2 柱錘沖擴工藝

柱錘沖擴工藝是在成孔及成樁過程中采用的是柱錘，在成孔時采用沖擴技術，對樁間土的擠密范圍約為2~3 倍樁徑，對比于洛陽鏟成孔、鉆機成孔，在沖孔過程中對原土層的擠密范圍更大、效果更優；在施工中一般使用的柱錘（質量≥3.5t），對比于傳統夯擊錘（質量為0.1~0.3t）質量更大，柱錘夯擊能也更大，在成樁過程中更易將填料擠入樁側土層[3]。

因此擬在夯實水泥土樁時采用柱錘沖擴工藝可提高整體復合地基承載力。

2 工程實例

2.1 工程概況

2.1.1 場地地形地貌及建筑物概況

平舒煤業翟下莊風井廣場瓦斯抽放泵站因位于壽陽縣翟下莊區域內，整個場區為低山山麓斜坡與河谷沖溝相結合的地貌單元。瓦斯抽放泵站位于原始河谷地帶。場地整平后，下部為厚層雜填土，雜填土層隨著與原始山體距離逐漸增大，自西北向東南逐漸加深，最深處達20m。

因場地條件限制，瓦斯抽放泵站及其管道等建（構）筑物只能布置于填方區域，根據設計平面定位，建（構）筑物基礎輪廓線區域持力層為厚層雜填土，最深處為7.0m。

根據設計要求瓦斯抽放泵站基礎埋深為1.5m，要求地基承載力特征值為190kPa。根據巖土工程勘察報告，本設計基底置于雜填土層上，原始土層承載力無法達到設計要求。因此需要進行地基處理提高地基承載力。

2.1.2 場地巖土構成及工程特征

場地巖土層自上而下依次為厚層雜填土及下部砂巖層（見圖 1）。

圖1 土層剖面圖

①雜填土層：主要為近期回填的粉土、碎石，回填方式為自然堆填，土層較松散且不均勻，以粉土為主，硬雜質含量約為20%，厚度為4.0~20.0m，瓦斯抽放泵站及其管道等建（構）筑物區域內雜填土層厚度為4.0~7.0m，地基承載力特征值為60kPa（標貫統計見表1）。

表1 原位測試統計

②砂巖層：表層為全風化層，呈碎屑結構，薄層狀改造，入巖2m 以上為中風化，主要以石英、長石為主，鈣質膠結，節理較發育。巖石質量等級為Ⅲ級，為較硬巖。

2.1.3 地震

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）附錄A，本場區所在地區抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速值為0.10g，設計地震分組為第二組，場區地震特征周期值為0.40s，抗震設防類別為重點設防類。

2.2 復合地基設計

2.2.1 初步設計

地基處理以提高承載力及減少工后沉降為主，根據地區經驗，選用較經濟的地基處理方式，夯實水泥土樁復合地基。

為了提高樁體強度、增強對樁間土的擠密作用，在成孔及成樁工藝時擬采用柱錘沖擴技術。選用直徑377mm，質量為4t 的柱錘。

按照本地區經驗單樁承載力特征值暫定200kN 計算，為達到設計要求，采用樁徑400mm 夯實水泥土樁，正三角形布置，樁中心距為3 倍樁徑1.20m。計算得到：

經初步計算可滿足設計要求。

樁體材料選用水泥與土料混合料，水泥采用42.5 普通硅酸鹽水泥，土料采用黃土，配合比（體積比）暫定為1:12.8[4]，要求樁身強度特征值不小于2.0MPa。根據此配合比在拌合站集中拌和，隨拌隨用。

孔內填料分層回填夯實，壓實系數不小于0.97，壓實系數最小值不小于0.93。

樁頂標高以上設置褥墊層，褥墊層厚度240mm，填料選用砂類土，要求填料中摻有碎石的含量不大于10%。填料不得含有淤泥質土、耕植土、凍塊、膨脹土、有機質及生活垃圾；填料最大粒徑不得大于20mm；不應含有尖銳棱角的粗顆粒。質量控制標準：夯填度不大于0.9。褥墊層鋪設采用靜力壓實法，墊層應擴出樁外側邊緣不小于300mm。

2.2.2 試樁

進行大面積工程樁的施工前進行3 個區域（A、B、C 區）的試樁。試樁區域主要選擇在鉆孔揭露填土厚度不同的兩個區域。試樁選取5m×5m 試驗區進行工藝性試樁，在配合比、樁長、樁體直徑進行比較。分別選取400mm、500mm 直徑樁體，正三角形布置，樁間距均為1.20m，試樁區布樁見圖2，樁長7m，材料配合比1:7.5、1:12.8 進行試樁。B 區為初步設計標準區域，A 區、C 區為參照區域（見表2、表3）。

圖2 試樁區布樁

表2 試樁參數

表3 柱錘沖擴參數

2.3 施工

（1）柱錘沖擴成孔。柱錘沖擴成孔工藝起重機具采用步履式夯擴樁機。根據現場雜填土土質且無地下水，采用沖擊成孔。將柱錘提升一定高度，自動脫鉤下落沖擊土層，如此反復沖擊，接近設計成孔深度時，可在孔內填少量粗骨料繼續沖擊，直到孔底被夯密實。

試樁現場施工中，C 區域邊界處5 根樁出現局部塌孔現象，改采用了填料沖擊沖孔，邊沖擊邊將填料擠入孔壁及孔底。其余部分均未出現異常。

（2）成樁。現場周邊填土料主要為粉土內含雜質，樁體土料選用現場周邊基坑開挖棄土，其雜質含量較高，過篩后原土使用率大約為40%。樁體材料使用現場拌合，隨拌隨用。

（3）成孔和填料夯實的施工順序，宜間隔進行。

（4）在鋪設墊層前，將設計樁頂標高以上的預留土層挖除，且避免擾動原土層，隨后鋪設墊層并壓實。

（5）施工完成14d 后進行復合地基檢驗。

2.4 試樁檢驗及結果分析

經檢驗三個區域樁體均完整，且達到試樁設計要求，經過試樁后，三個區域的復合地基承載力均滿足檢測要求。具體情況見表 4、表 5。

表4 單樁復合地基靜載荷結果統計

表5 復合地基樁間土原位試驗測試統計

根據單樁復合地基靜載荷結果，三個試樁區域復合地基承載力特征值均大于設計要求的復合地基承載力。

分析試驗數據表明，樁體配合比均滿足初步設計要求的樁身強度特征值≥2.0MPa。水泥摻入量與復合地基承載力特征值呈正比。配合比1:12.8 樁體樁身強度可滿足設計要求，且水泥用量較少。

樁體直徑增大有利于復合地基承載力特征值提高，且沉降有所減少。

三個試樁區域的復合地基承載力所對應的沉降值差距不明顯。且都屬于設計允許范圍內。

經過樁間土原位試驗結果統計，樁間土的擠密效果良好，根據經驗公式計算，處理后的樁間土承載力特征值約為原始土層的1.24 倍。可在計算復合地基承載力特征值時適當考慮樁間土的提高系數，或作為保守量。

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因此，在所有方案均可滿足設計的情況下，建議采用較經濟的方案。

2.5 設計調整

根據試樁結果，采用樁徑為400mm，樁間距為1.2m，正三角形布置的樁型，置換率為0.105。樁體材料配合比（體積比）為1:12.8，每米水泥用量約為27kg。

復合地基施工工藝均按照試樁時施工工藝進行，在施工過程中，注意樁頂設計標高以上須預留覆蓋層0.5m，并在墊層施工前進行挖除。

2.5.1 復合地基平面布置

在建筑物基礎范圍內布置，基礎外邊緣距離最外一排樁中心的距離為0.5~0.7m＞樁徑0.4m，地基處理平面圖見圖3。

圖3 地基處理平面圖

2.5.2 樁長布置

根據場地填土層厚度不同，將地基區域根據不同樁長分為3個區域（由西北至東南方向遞增）（圖4）：①區域設計樁長為4.30m。②區域設計樁長為5.30m。③區域設計樁長為7.00m。樁長控制因素為樁端置于基巖層，若在樁長范圍內提前見基巖層，則可終孔。但因樁底基巖可能受擾動影響，在成孔見基巖層時，須進行夯擊處理，以保證樁端阻力的發揮。

圖4 布樁剖面圖

3 結論及分析

3.1 結論

本場區復合地基施工后按照規范要求進行了復合地基質量檢驗，各項指標均滿足要求。整體造價較低，施工速度較快且達到了良好的效果。

3.2 分析

（1）本場區采用的夯實水泥土樁復合地基能滿足設計在承載力及沉降兩方面的要求。

（2）柱錘沖擴成孔技術的應用相較于鉆孔、洛陽鏟成孔方式對樁間土的擠密效果更加明顯。

（3）在成孔過程中，可能遇到縮頸及塌孔現象，發生時可采用復打成孔及套管成孔法。

（4）根據試樁報告，各試驗點的壓力沉降曲線（p-s）均為平滑曲線，沒有出現陡降段的起始點，且s/d=0.01 對應壓力值均大于1/2 最大加載壓力，因此分析得出，夯實水泥土樁復合地基的承載力還可進一步的提高，望在今后的實際應用中進一步總結，形成本地區經驗體系。