北方深厚濕陷性黃土場(chǎng)地地基處理

安達(dá)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)北方深厚濕陷性黃土場(chǎng)地地基處理方法成本高，施工周期長(zhǎng)的問題，提出素土擠密樁與CFG樁復(fù)合地基處理方法進(jìn)行濕陷性黃土場(chǎng)地地基處理。以張家口橋東區(qū)某小區(qū)地基處理工程為主要研究對(duì)象，對(duì)素土擠密樁與CFG樁復(fù)合地基處理方法進(jìn)行深入研究。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試對(duì)黃土單個(gè)物理指標(biāo)與濕陷性關(guān)系進(jìn)行分析。最后對(duì)7#地基部分樁基問題采取增加短樁進(jìn)行補(bǔ)救，補(bǔ)救結(jié)果地基滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土;復(fù)合地基;素土擠密樁;CFG樁

中圖分類號(hào)：TP392 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0154-05

Found ation treatment of deep collapsible loesssite in North China

Abstract： In view of the high cost and long construction period of the traditional foundation treatment method for deep collapsible loess site in northern China， the composite foundation treatment method of plain soil compaction pile and CFG pile is proposed for the foundation treatment of collapsible loess site. Taking the foundation treatment project of a residential area in Qiaodong District of Zhangjiakou as the main research object， the treatment method of plain soil compaction pile and CFG pile composite foundation is deeply studied. The relationship between single physical index and collapsibility of loess is analyzed through indoor geotechnical test and in-situ test. Finally， the problem of pile foundation in 7# foundation is remedied by adding short piles. The remedial results show that the foundation treatment method proposed in this study can effectively remedy the problem foundation， and the foundation after remedy can meet the design requirements.

Key words： collapsible loess;composite foundation;compaction pile with plain soil;CFG pile

深厚濕陷性黃土在我國(guó)北方分布較廣，該土質(zhì)特點(diǎn)在于，一旦遇水侵濕，土體強(qiáng)度顯著下降。若在其上附加一定壓力，在附加壓力和自重壓力的共同作用下，土體會(huì)產(chǎn)生濕陷變形。因此在濕陷性黃土區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，需要提前進(jìn)行地基處理，避免對(duì)建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)濕陷性黃土地基處理方法為樁基礎(chǔ)，但樁基礎(chǔ)存在成本高，施工周期長(zhǎng)的問題，使得工程施工受到一定制約。未尋找一種更適合處理濕陷性黃土地基的方法，我國(guó)很多專家做出了很多研究。如武小鵬[1]等人系統(tǒng)研究了馬蘭黃土濕陷系數(shù)與深度，含水率，干密度，孔隙比，塑性指數(shù)和壓縮系數(shù)之間的關(guān)系，并提出工程中用單個(gè)或多個(gè)物理指標(biāo)評(píng)價(jià)黃土濕陷性的新方法，證實(shí)黃土濕陷系數(shù)與其物理力學(xué)指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性;劉松玉[2]等人提出了氣動(dòng)振桿密實(shí)法處理濕陷性黃土地基的施工工藝，并對(duì)處理效果進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)，證實(shí)經(jīng)處理后，土層各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)均有明顯改善;黃雪峰[3]則研究了螺桿樁消除黃土地基濕陷性的效果，證實(shí)螺桿樁處理后的黃土復(fù)合地基，其樁與土之間有較好的擠密效果，黃土濕陷性明顯消除。以上專家的研究為濕陷性黃土地基處理作出了貢獻(xiàn)，但對(duì)濕陷性黃土地基處理還存在一定的制約?；诖耍疚囊运赝翑D密樁+CFG樁復(fù)合地基處理濕陷性黃土地基，增加濕陷性黃土地基的處理方式。

1 工程概況

以河北省張家口市橋東區(qū)某工程7#住宅樓的濕陷性黃土地基為主要研究對(duì)象。

1.1 工程地質(zhì)條件

1.1.1 擬建場(chǎng)區(qū)地層條件

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的勘察，確定該巖土工程勘探范圍為54 m，上部土體由人工填土、第四系坡積層、腐殖土構(gòu)成;下部土體主要是安山巖基巖風(fēng)化帶。其中人工填土層主要由①1雜填土和①2素填土組成;腐殖土層主要成分為①3腐殖土;第四系坡積層主要包括②粉土、②1粉質(zhì)黏土、②2碎石、②3角礫、②4粉砂、②5黏土、③粉土、③1粉質(zhì)黏土、③2碎石、③3角礫、③4黏土、③5中砂;安山巖基巖風(fēng)化帶主要由④全風(fēng)化安山巖、⑤強(qiáng)風(fēng)化安山巖、⑥中風(fēng)化安山巖、⑦微風(fēng)化安山巖構(gòu)成。主要土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.1.2 擬建場(chǎng)區(qū)濕陷性

依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[4]及相關(guān)資料可知，在本工程場(chǎng)地內(nèi)，②粉土、③1粉質(zhì)黏土層、②1粉質(zhì)黏土、③粉土皆不具備自重濕陷性?？碧近c(diǎn)濕陷量小于750 mm。通過《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》將此地基濕陷等級(jí)評(píng)定為I～I(xiàn)I級(jí)。且濕陷性隨深度的增加表現(xiàn)為減弱趨勢(shì)，直至地表下12.20 m。

1.2 黃土物理指標(biāo)與濕陷性關(guān)系

選擇分布深度、含水率、干密度和孔隙比作為物理指標(biāo)，探究其與黃土濕陷性之間的關(guān)系。坐標(biāo)為單個(gè)物理指標(biāo)與濕陷系數(shù)關(guān)系，同一取土試樣探井?dāng)?shù)據(jù)顏色相同。

1.2.1 黃土分布深度與濕陷性關(guān)系

圖1為黃土分布深度與濕陷系數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖1可知，黃土濕陷系數(shù)隨黃土深度的增加而增加。在2～6 m間分布有濕陷系數(shù)較大的濕陷性黃土，此時(shí)黃土最大濕陷系數(shù)為0.069。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于，該土層在較短時(shí)間形成，外界環(huán)境變化對(duì)其不產(chǎn)生影響。濕陷系數(shù)比0.015低，則認(rèn)定該黃土不具備陷性。但本地區(qū)內(nèi)在可勘探范圍均分布有非濕陷性黃土，濕陷性黃土主要集中在1～12 m深度范圍內(nèi)。因此在地基處理過程中，只需要處理12 m深度內(nèi)濕陷性黃土就可消除黃土濕陷性。

1.2.2 黃土含水率與濕陷性關(guān)系

圖2為黃土含水率與濕陷系數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖2可知，本地區(qū)濕陷系數(shù)隨含水率的增加而緩慢增長(zhǎng)。這是因?yàn)椴杉瘮?shù)據(jù)樣本少，結(jié)果不準(zhǔn)確導(dǎo)致;同時(shí)，場(chǎng)地地質(zhì)條件相對(duì)比較復(fù)雜，探井不同，黃土性質(zhì)有差異較大。并且，圖2還顯示出本地區(qū)黃土含水率主要在5%～25%間，而黃土濕陷性主要在黃土含水率為18%～24%時(shí)較大。

1.2.3 黃土干密度與濕陷性關(guān)系

圖3為黃土干密度與濕陷性系數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖3可知，本地區(qū)黃土干密度主要在1.40～1.80 g·cm-3間，黃土濕陷系數(shù)隨黃土干密度的增加而減小。干密度比1.68 g·cm-3大，黃土基本不存在濕陷性。

1.2.4 黃土孔隙比與濕陷性關(guān)系

圖4為黃土空隙比與濕陷系數(shù)關(guān)系散點(diǎn)圖。由圖4可知，本地區(qū)黃土濕陷系數(shù)隨孔隙比的增加而逐漸增加。這就說明了孔隙比與黃土濕陷性表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。通過圖4發(fā)現(xiàn)，濕陷系數(shù)超過0.015濕陷性黃土僅存在在孔隙比大于0.58的黃土中。同時(shí)，除個(gè)別樣品孔隙比在0.52～0.84外，其余孔隙比比0.64高。

1.3 濕陷性黃土地基處理設(shè)計(jì)方案

1.3.1 設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)要求

結(jié)合工程要求對(duì)基礎(chǔ)地基方案進(jìn)行選擇，使建筑物安全和使用都得到保障。同時(shí)，對(duì)地基的設(shè)計(jì)還需要滿足建筑物承載力、變形計(jì)算、穩(wěn)定性等要求。

1.3.2 7#住宅樓地基處理

根據(jù)對(duì)7#住宅樓研究發(fā)現(xiàn)，7#樓一共31層，分別為地上28層，地下3層。主要是剪力墻結(jié)構(gòu)與筏板基礎(chǔ)結(jié)合。建筑總高80 m左右，有部分檢測(cè)點(diǎn)位出現(xiàn)檢測(cè)不合格情況，因此用素土擠密樁結(jié)合長(zhǎng)短CFG樁對(duì)地基進(jìn)行加固。具體方案為：

（1）用素土擠密樁處理，用CFG樁加固。基底標(biāo)高為777 m，加固處理后，復(fù)合地基承載力特征值超過460 kPa，壓縮模量超過22 MPa方可;

（2）土方深度為絕對(duì)標(biāo)高777.5 m，對(duì)素土擠密樁進(jìn)行施工，提前留下0.5 m松動(dòng)層，按照正三角布置平面。素土擠密樁樁徑、樁間距和樁長(zhǎng)分別為600 mm、1 700 mm×1 700 mm、6 m。完成素土擠密樁施工后，繼續(xù)進(jìn)行CFG樁施工，處理方案與素土擠密樁相似，施工標(biāo)高和保護(hù)土層及樁間距與素土擠密樁一致。CFG樁樁徑為420 mm，施工樁長(zhǎng)為17.5 m;

（3）檢測(cè)CFG樁后地基后發(fā)現(xiàn)，部分點(diǎn)位無法承擔(dān)相應(yīng)承載力，開始單樁靜載試驗(yàn)時(shí)，個(gè)別樁頭被破壞。這可能是在該土層中，土質(zhì)分布不規(guī)律引起的。同時(shí)在施工時(shí)發(fā)現(xiàn)該批混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此需要在原設(shè)計(jì)中增加部分CFG樁，增加CFG樁其余條件不變，施工樁長(zhǎng)變?yōu)?4.5 m，在原設(shè)計(jì)CFG樁三角形的中心布置樁中心，最終地基得處理平面布置圖如圖5所示;

（4）原設(shè)計(jì)長(zhǎng)樁單樁承載力特征值為420 kN，短樁為280 kN，加固單樁靜載試驗(yàn)樁樁頭。

2 試驗(yàn)檢測(cè)要求

2.1 素土擠密樁試驗(yàn)檢測(cè)

在處理影響的深度范圍內(nèi)，孔內(nèi)夯填土和樁間土擠密效果用勘探鉆機(jī)分層取樣進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 CFG樁試驗(yàn)檢測(cè)

（1）CFG樁采用C25商品混凝土施工，增加較短樁采用C30混凝土施工;

（2）在成樁時(shí)，澆筑50 m3混凝土和每臺(tái)機(jī)械每臺(tái)各需留下3塊試件;

（3）按照《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》 [5]（GB 50202—2018）和《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》 [6]（JGJ 79—2012）對(duì)CFG樁進(jìn)行驗(yàn)收。并進(jìn)行施工質(zhì)量檢驗(yàn);

（4）CFG樁復(fù)合地基驗(yàn)收用載荷試驗(yàn)對(duì)承載力進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)樁身強(qiáng)度達(dá)到要求，載荷試驗(yàn)占總樁數(shù)0.5%[7]。載荷試驗(yàn)數(shù)量皆為3點(diǎn)。對(duì)高于樁總數(shù)10%的樁進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，用于評(píng)價(jià)樁身完整性[8]。

3 施工要求

（1）需在CFG樁樁頂鋪設(shè)碎石褥墊層[9]。褥墊層條件參數(shù)如表2所示。

（2）CFG樁施工工藝為長(zhǎng)螺旋成孔中心壓灌，樁身為C25混凝土;增加短樁樁身為C30混凝土。以泵砼→提鉆工序施工。施工前，提前對(duì)場(chǎng)地降水、排水，避免因?yàn)榭拥追e水使得坑底土層出現(xiàn)擾動(dòng)和軟化現(xiàn)象。

（3）用柱錘進(jìn)行夯實(shí)，出現(xiàn)成孔擠密過于隆起時(shí)間隔跳打，成孔后，夯填樁孔。

（4）達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，掌握提拔鉆桿時(shí)間。遇見軟弱土層、粉土層以及飽和沙土，需要適當(dāng)降低拔管速度。淤泥、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、松散飽和粉土等土質(zhì)樁徑較小時(shí)，用隔樁跳打以防止串孔。在施工時(shí)，施工樁應(yīng)比設(shè)計(jì)樁高0.5 m。

4 素土擠密樁+CFG樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 單樁豎向承載力特征值計(jì)算

4.1.1 長(zhǎng)樁

參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》 [10]（JGJ 79—2012），根據(jù)勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)長(zhǎng)樁進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)如表3所示。

CFG長(zhǎng)樁單樁承載特征值Ra1表達(dá)式為：

式中：up為樁周長(zhǎng);qsi為第i層圖側(cè)阻力特征值;lpi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度;Ra為CFG長(zhǎng)樁單樁承載特征值;ap為端阻力發(fā)揮系數(shù);qp為樁端端阻力特征值。

樁體試塊抗壓強(qiáng)度表達(dá)式為：

式中：fcu表示試塊標(biāo)養(yǎng)28 d的立方體抗壓強(qiáng)度平均值。

由式（1）、式（2）可得，Ra1=945 kN，fcu=25 MPa;通過現(xiàn)場(chǎng)勘察，部分點(diǎn)位承載力達(dá)不到響應(yīng)要求，個(gè)別單樁樁頭破碎，因此需增加短樁，以此進(jìn)行補(bǔ)樁。故在設(shè)計(jì)時(shí)單樁承載特征值按照420 kN計(jì)算。采用C25混凝土，樁體試塊的抗壓強(qiáng)度滿足要求，有混凝土強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，因此就算齡期滿足，仍有個(gè)別樁頭出現(xiàn)破碎情況。

4.1.2 短樁

短樁樁長(zhǎng)為14.5 m，考慮地層復(fù)雜，且長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)存在部分點(diǎn)位不合格現(xiàn)象，取l1=14.5 m，qs1=30 kPa，其余條件不變。由式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算可得，Ra2=677 kN，fcu=30 MPa。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)按照Ra2=280 kN計(jì)算。采用得C30混凝土?xí)r，樁體試塊抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算

已知m1=m2=0.055，長(zhǎng)樁和短樁的單樁承載特征值分別取值420 kN和280 kN。經(jīng)過擠密樁對(duì)天然地基處理后，取天然地基承載力1.4倍，可得fsk=1.4fa=238 kPa，取λ=0.9，β=1。

承載力特征值表達(dá)式為：

式中：Ap1為長(zhǎng)樁單樁截面積;Ap2為短樁單樁截面積;Ra1為長(zhǎng)樁單樁承載特征值;Ra2為短樁的單樁承載特征值;βp1為長(zhǎng)樁豎向抗抗壓承載力修正系數(shù);m2為短樁面積置換率;βs為樁間土地基承載力修正系數(shù);m1為長(zhǎng)樁面積置換率;fsk為樁間土地基承載力特征值;βp2為短樁豎向抗抗壓承載力修正系數(shù)。

承載力特征值計(jì)算結(jié)果為467 kPa，大于460 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 壓縮模量計(jì)算

基地在③層土層中，壓縮模量為6 MPa;承載力為150 kPa。通過素土擠密樁和CFG復(fù)合地基處理后，壓縮模量提高至23.38 MPa，大于22 MPa。符合要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過張家口橋東區(qū)某小區(qū)7#樓地基處理工程項(xiàng)目，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地基檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)北方深厚濕陷性黃土場(chǎng)地地基進(jìn)行處理。通過對(duì)黃土單個(gè)物理指標(biāo)與濕陷性關(guān)系進(jìn)行分析可知，黃土濕陷性隨黃土深度的和干密度的增加而減小;隨含水量和孔隙比的增加而減小。通過考察，本工程濕陷性黃土主要分布在1～12 m間;含水率為18%～24%;黃土濕陷性在黃土干密度大于1.68 g·cm-3時(shí)基本消失;濕陷性較強(qiáng)黃土主要在孔隙比高于0.64區(qū)域。對(duì)7#樓地基進(jìn)行分析和采取補(bǔ)救措施，確定本文提出的設(shè)計(jì)方案可以滿足濕陷性黃土地基的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

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收稿日期：2021-07-21;修回日期：2022-04-11

作者簡(jiǎn)介：安 達(dá)（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：地基基礎(chǔ)處理、基坑支護(hù)、邊坡防護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害治理。