北方深厚濕陷性黃土場地地基處理

安 達

（山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002）

深厚濕陷性黃土在我國北方分布較廣，該土質特點在于，一旦遇水侵濕，土體強度顯著下降。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，土體會產生濕陷變形。因此在濕陷性黃土區進行工程建設時，需要提前進行地基處理，避免對建筑物產生嚴重影響。傳統濕陷性黃土地基處理方法為樁基礎，但樁基礎存在成本高，施工周期長的問題，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，我國很多專家做出了很多研究。如武小鵬等人系統研究了馬蘭黃土濕陷系數與深度，含水率，干密度，孔隙比，塑性指數和壓縮系數之間的關系，并提出工程中用單個或多個物理指標評價黃土濕陷性的新方法，證實黃土濕陷系數與其物理力學指標之間具有較好的相關性；劉松玉等人提出了氣動振桿密實法處理濕陷性黃土地基的施工工藝，并對處理效果進行了測試評價，證實經處理后，土層各項物理力學性能指標均有明顯改善；黃雪峰則研究了螺桿樁消除黃土地基濕陷性的效果，證實螺桿樁處理后的黃土復合地基，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，但對濕陷性黃土地基處理還存在一定的制約。基于此，本文以素土擠密樁+CFG樁復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某工程7住宅樓的濕陷性黃土地基為主要研究對象。

1.1 工程地質條件

1.1.1 擬建場區地層條件

通過對現場的勘察，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、腐殖土構成；下部土體主要是安山巖基巖風化帶。其中人工填土層主要由①雜填土和①素填土組成；腐殖土層主要成分為①腐殖土；第四系坡積層主要包括②粉土、②粉質黏土、②碎石、②角礫、②粉砂、②黏土、③粉土、③粉質黏土、③碎石、③角礫、③黏土、③中砂；安山巖基巖風化帶主要由④全風化安山巖、⑤強風化安山巖、⑥中風化安山巖、⑦微風化安山巖構成。主要土層物理力學參數如表1所示。

表1 基本物理參數Tab.1 Basic Physical Parameters

1.1.2 擬建場區濕陷性

依據《濕陷性黃土地區建筑規范》及相關資料可知，在本工程場地內，②粉土、③粉質黏土層、②粉質黏土、③粉土皆不具備自重濕陷性。勘探點濕陷量小于750 mm。通過《濕陷性黃土地區建筑規范》將此地基濕陷等級評定為I～II級。且濕陷性隨深度的增加表現為減弱趨勢，直至地表下12.20 m。

1.2 黃土物理指標與濕陷性關系

選擇分布深度、含水率、干密度和孔隙比作為物理指標，探究其與黃土濕陷性之間的關系。坐標為單個物理指標與濕陷系數關系，同一取土試樣探井數據顏色相同。

1.2.1 黃土分布深度與濕陷性關系

圖1為黃土分布深度與濕陷系數關系散點圖。由圖1可知，黃土濕陷系數隨黃土深度的增加而增加。在2～6 m間分布有濕陷系數較大的濕陷性黃土，此時黃土最大濕陷系數為0.069。出現此現象的原因在于，該土層在較短時間形成，外界環境變化對其不產生影響。濕陷系數比0.015低，則認定該黃土不具備陷性。但本地區內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。因此在地基處理過程中，只需要處理12 m深度內濕陷性黃土就可消除黃土濕陷性。

圖1 黃土分布深度與濕陷系數關系Fig.1 Relationship between loess distribution depth and collapsibility coefficient

1.2.2 黃土含水率與濕陷性關系

圖2為黃土含水率與濕陷系數關系散點圖。由圖2可知，本地區濕陷系數隨含水率的增加而緩慢增長。這是因為采集數據樣本少，結果不準確導致；同時，場地地質條件相對比較復雜，探井不同，黃土性質有差異較大。并且，圖2還顯示出本地區黃土含水率主要在5%～25%間，而黃土濕陷性主要在黃土含水率為18%～24%時較大。

圖2 黃土含水率與濕陷系數關系Fig.2 Relation ship between moisture content and collapsibility coefficient of Loess

1.2.3 黃土干密度與濕陷性關系

圖3為黃土干密度與濕陷性系數關系散點圖。由圖3可知，本地區黃土干密度主要在1.40～1.80 g·cm間，黃土濕陷系數隨黃土干密度的增加而減小。干密度比1.68 g·cm大，黃土基本不存在濕陷性。

圖3 黃土干密度與濕陷性關系Fig.3 Relation ship between dry density and collapsibility of Loess

1.2.4 黃土孔隙比與濕陷性關系

圖4為黃土空隙比與濕陷系數關系散點圖。由圖4可知，本地區黃土濕陷系數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出正相關關系。通過圖4發現，濕陷系數超過0.015濕陷性黃土僅存在在孔隙比大于0.58的黃土中。同時，除個別樣品孔隙比在0.52～0.84外，其余孔隙比比0.64高。

圖4 黃土孔隙比與濕陷系數關系Fig.4 Relation ship between voidratio and collapsibility coefficient of Loess

1.3 濕陷性黃土地基處理設計方案

1.3.1 設計原則與設計要求

結合工程要求對基礎地基方案進行選擇，使建筑物安全和使用都得到保障。同時，對地基的設計還需要滿足建筑物承載力、變形計算、穩定性等要求。

1.3.2 7住宅樓地基處理

根據對7住宅樓研究發現，7樓一共31層，分別為地上28層，地下3層。主要是剪力墻結構與筏板基礎結合。建筑總高80 m左右，有部分檢測點位出現檢測不合格情況，因此用素土擠密樁結合長短CFG樁對地基進行加固。具體方案為：

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

（2）土方深度為絕對標高777.5 m，對素土擠密樁進行施工，提前留下0.5 m松動層，按照正三角布置平面。素土擠密樁樁徑、樁間距和樁長分別為600 mm、1 700 mm×1 700 mm、6 m。完成素土擠密樁施工后，繼續進行CFG樁施工，處理方案與素土擠密樁相似，施工標高和保護土層及樁間距與素土擠密樁一致。CFG樁樁徑為420 mm，施工樁長為17.5 m；

（3）檢測CFG樁后地基后發現，部分點位無法承擔相應承載力，開始單樁靜載試驗時，個別樁頭被破壞。這可能是在該土層中，土質分布不規律引起的。同時在施工時發現該批混凝土強度達不到設計強度，因此需要在原設計中增加部分CFG樁，增加CFG樁其余條件不變，施工樁長變為14.5 m，在原設計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；

圖5 7#樓地基處理平面布置圖Fig.5 Layout plan of foundation treatment of building 7

2 試驗檢測要求

2.1 素土擠密樁試驗檢測

在處理影響的深度范圍內，孔內夯填土和樁間土擠密效果用勘探鉆機分層取樣進行評價。

2.2 CFG樁試驗檢測

（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，澆筑50 m混凝土和每臺機械每臺各需留下3塊試件；

（3）按照《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》（GB 50202—2018）和《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）對CFG樁進行驗收。并進行施工質量檢驗；

（4）CFG樁復合地基驗收用載荷試驗對承載力進行檢驗。當樁身強度達到要求，載荷試驗占總樁數0.5%。載荷試驗數量皆為3點。對高于樁總數10%的樁進行低應變動力檢測，用于評價樁身完整性。

3 施工要求

（1）需在CFG樁樁頂鋪設碎石褥墊層。褥墊層條件參數如表2所示。

表2 褥墊層條件參數Tab.2 cushion condition parameters

（2）CFG樁施工工藝為長螺旋成孔中心壓灌，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，提前對場地降水、排水，避免因為坑底積水使得坑底土層出現擾動和軟化現象。

（3）用柱錘進行夯實，出現成孔擠密過于隆起時間隔跳打，成孔后，夯填樁孔。

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（4）達到設計深度后，掌握提拔鉆桿時間。遇見軟弱土層、粉土層以及飽和沙土，需要適當降低拔管速度。淤泥、粉細砂、淤泥質土、松散飽和粉土等土質樁徑較小時，用隔樁跳打以防止串孔。在施工時，施工樁應比設計樁高0.5 m。

4 素土擠密樁+CFG樁復合地基的設計計算

4.1 單樁豎向承載力特征值計算

4.1.1 長樁

參照《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012），根據勘察報告和設計參數對長樁進行計算。計算參數如表3所示。

表3 長樁計算參數Tab.3 Calculation parameters of long pile

CFG長樁單樁承載特征值R表達式為：

式中：u為樁周長；q為第層圖側阻力特征值；l為樁長范圍內第層土的厚度；R為CFG長樁單樁承載特征值；a為端阻力發揮系數；q為樁端端阻力特征值。

樁體試塊抗壓強度表達式為：

式中：f表示試塊標養28 d的立方體抗壓強度平均值。

由式（1）、式（2）可得，=945 kN，f=25 MPa；通過現場勘察，部分點位承載力達不到響應要求，個別單樁樁頭破碎，因此需增加短樁，以此進行補樁。故在設計時單樁承載特征值按照420 kN計算。采用C25混凝土，樁體試塊的抗壓強度滿足要求，有混凝土強度達不到標準，因此就算齡期滿足，仍有個別樁頭出現破碎情況。

4.1.2 短樁

短樁樁長為14.5 m，考慮地層復雜，且長樁靜載試驗存在部分點位不合格現象，取l=14.5 m，q=30 kPa，其余條件不變。由式（1）、式（2）進行計算可得，=677 kN，f=30 MPa。結合現場試驗結果，設計時按照=280 kN計算。采用得C30混凝土時，樁體試塊抗壓強度滿足設計要求。

4.2 復合地基承載力特征值計算

已知==0.055，長樁和短樁的單樁承載特征值分別取值420 kN和280 kN。經過擠密樁對天然地基處理后，取天然地基承載力1.4倍，可得f=1.4f=238 kPa，取λ=0.9，=1。

承載力特征值表達式為：

式中：A為長樁單樁截面積；A為短樁單樁截面積；R為長樁單樁承載特征值；R為短樁的單樁承載特征值；β為長樁豎向抗抗壓承載力修正系數；為短樁面積置換率；β為樁間土地基承載力修正系數；為長樁面積置換率；f為樁間土地基承載力特征值；β為短樁豎向抗抗壓承載力修正系數。

承載力特征值計算結果為467 kPa，大于460 kPa，滿足設計要求。

4.3 壓縮模量計算

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 結語

本文通過張家口橋東區某小區7樓地基處理工程項目，結合現場地基檢測試驗對北方深厚濕陷性黃土場地地基進行處理。通過對黃土單個物理指標與濕陷性關系進行分析可知，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時基本消失；濕陷性較強黃土主要在孔隙比高于0.64區域。對7樓地基進行分析和采取補救措施，確定本文提出的設計方案可以滿足濕陷性黃土地基的相關設計要求。