復合地基加固處理原理及應用

余輝云

(中鐵四局集團有限公司設計研究院,安徽 合肥 230023)

0 引 言

在天然地基加固改良處理中,通過部分置換使得土體強度、剛度提高,是復合地基的一種常用處理方法。經加固處理之后,天然地基與加固后復合地基共同承擔荷載,從而間接提高了基礎承載力。CFG樁是復合地基的一種,主要由粉煤灰、碎石及水泥混合制成。CFG樁是一種低強度混凝土樁,CFG樁充分利用樁間土的承載力共同作用,將荷載傳遞到深層地基中去,具有較好的技術性和經濟性。[1,2]

1 復合地基的工作性能[3,4]

1.1 工作原理

褥墊層是CFG 復合地基的關鍵。建筑結構的基礎,通過褥墊層聯系樁與地基土,使得他們共同受力并共同承擔荷載。復合地基樁示意圖如圖1所示。

圖1 CFG樁復合地基示意

對于CFG 樁復合地基,褥墊層影響復合地基承載力及基礎的沉降量。荷載作用下,地基可以在褥墊層中發生運動,可保證樁間土、樁體均能共同工作,而且承擔的荷載可以保持近似平衡,地基中的應力狀態也發生了改變,從而可以提供承載力,改善變形能力。

1.2 地基承載力標準值計算

地基承載力標準值可按下式計算:

(1)

式中:fspk為復合地基承載力標準值;pk為CFG樁單樁承載力標準值;Ap為CFG樁單樁截面面積;λ為邊載修正系數,可取為1.0～1.2;α為樁間土強度提高系數;β為樁間土強度發揮系數,根據地區經驗取值,無經驗時可取為0.75～0.95;m為面積置換率;fk為天然地基承載力標準值。

2 項目概況

該項目為合肥市某住宅小區16#a、16#b樓,為一高層商住樓,16#a、16#b樓地上有32層,16#樓裙房1、2、3區為2層,地下1層,地上建筑面積為27 515 m2,地下建筑面積為1 832.5 m2,建筑高度為96.3 m,如圖2所示。設計參數按照國家規范取值。

圖2 底層建筑平面圖

3 CFG樁加固處理

3.1 地質情況

層號巖土名稱層厚/m描述一雜填土0.34～3.7—二黏土0～1.5承載力特征值為220 kPa三黏土0.45～4.5承載力特征值為270 kPa四黏土23～27承載力特征值為280 kPa五強風化泥質砂巖0.8～5承載力特征值為400 kPa

3.2 樁基設計

3.2.1 平面布置

16#a、16#b樓均為32層,為鋼筋混凝土剪力墻結構,該結構帶有2層裙房,且有一層地下室。基礎形式為平板式筏板基礎,具體結構布置如圖3所示。根據結構分析計算,地基承載力需求為500 kPa。因裙房層數較低,荷載較小,地基承載力需求為250 kPa。

圖3 基礎平面布置圖

3.2.2 技術方案

高層部分要求地基承載力為500 kPa,而根據勘探報告,第四層黏土承載力特征值為280 kPa,故不能滿足高層部分的地基承載力要求。如果按照常規設計方案來選擇基礎,也可以實現,但工程造價較高。如果對地基進行處理,采用CFG樁,則可以有效降低造價,CFG樁布置如圖4所示。樁的直徑為400 mm,持力層為四層土,樁長為15 m。樁剖面圖如圖5所示。

圖4 CFG樁平面布置圖

圖5 CFG樁剖面圖

褥墊層的做法。本項目褥墊層使用的材料為硬質巖破碎碎石,直徑為5～16 mm,整體褥墊層厚度為200 mm,且向基礎外側延伸,延伸的長度不小于200 mm,具體做法如圖6所示。按照這個方案,計算分析結果顯示,地基承載力特征值為600 kPa,符合設計要求。[5]

圖6 坑井處褥墊層做法示意圖

本項目基礎采用筏板基礎,C40混凝土,墊層厚度100 mm,C20墊層混凝土。整體筏板由5個部分組成,分別為高層底部筏板1、2,裙房底部筏板3、4、5。其中,筏板1、2放在復合地基上,筏板3、4、5放于第三黏土層上。[6]根據計算分析結果,符合承載力要求。

3.3 CFG樁工程施工

(1) 施工定位。首先進行放樣,定位樁機,并調整好樁機高度。保證樁機的垂直度,控制好誤差。

(2) 成孔要求。要求盡量不間斷施工,鉆孔達到設計深度之后,開始輸送混合料,同時緩慢向上提升鉆桿,控制好提升速度。

(3) 樁機移位。在兩根樁施工期間,由于可能會有多余的土,因此需要復核樁位,以保證定位不發生偏差。

4 CFG樁復合地基變形計算與檢測[7-9]

4.1 變形計算

計算公式如下:

(2)

式中:S為總沉降量;S1為加固區的變形;S2為下臥層的變形;P0為復合地基的壓力荷載值;l為樁長;n為土層數;Esi為土的壓縮模量。根據計算,總沉降量為30.1 mm。

4.2 變形觀測

工程在施工和交付使用后的2年時間,對其進行了靜載試驗和沉降觀測。根據檢測報告,并參考16#a、16#b樓CFG樁有關試驗分析,可以得出以下結論:

(1) 等到樁體滿足設計要求的強度之后,采用隨機的方法,任意抽取10根樁進行靜載試驗,承載力特征值為615 kPa,滿足預期。

(2) 按照隨機方法,任意抽取50根樁,進行檢測,滿足質量要求。

(3) 進行沉降觀測[10]。對于本項目,觀測時間約2年,安排測點20個,合計觀測20次。從所有的觀測數據中,隨機抽取部分數據進行分析,分別計算沉降量有關數據,其相關曲線見圖7～圖9。

圖7 各觀測點沉降量隨時間變化

圖8 平均沉降量隨時間變化

圖9 傾斜度隨時間變化

根據觀測數據,并進行分析,累計最大、最小沉降量分別為28.9 mm、24 mm,符合要求。樁基沉降量隨時間變化曲線呈S形。計算沉降量與實際觀測沉降量比較,誤差較小,本項目整體沉降差很小,采用復合地基,取得了良好的效果。

5 CFG樁應用常見問題及處理

5.1 堵管

導致堵管問題主要有以下幾種原因:

(1) 混合料配合比不合理。主要是要加強對粉煤灰摻量的控制,一般控制在 70～90 kg/m3為宜,盡量避免使用石粉,避免影響混凝土的可泵性而造成堵管。

(2) 混合料攪拌質量有缺陷。 主要是要加強對混合拌料的坍落度進行控制, 確保混合料在輸送管內的較好流動性,施工時坍落度一般控制在16～20 cm 為宜,可適當摻入泵送劑提高混合料可塑性。同時注意加強對大粒徑碎石或片石的過濾,避免出現管線堵塞。

(3) 設備缺陷。如沒有合理設置彎頭曲率半徑,導致彎頭與鉆桿之間發生堵管;或者是管接頭不牢固、墊圈破損,導致水泥砂漿流失而造成堵管;或者是冬季施工防凍措施不到位,導致發生結凍堵管;或者是施工操作不當,導致堵管等。對此需要結合具體的堵管位置、問題進行分析,并采取相應的解決措施。

5.2 竄孔

竄孔現象主要發生在飽和細砂層、粉砂層中施工過程,土體受到擾動,從而發生液化現象。防止竄孔的方法主要有:

(1) 對有潛在竄孔問題的地基采取大樁距設計,降低新老樁體之間的干擾影響。

(2) 設備上對于鉆頭進行改進,加大鉆孔速度;

(3) 縮減竄孔區打樁排數,盡量快速離開已打樁;

(4) 采用隔樁、隔排跳打設計,及時清除成樁棄土,以免對施工進度造成不良影響。

5.3 斷樁

斷樁的產生主要是在樁基施工過程中出現樁身裂縫,或者混合料攪拌時間不足,和易性較差而導致蜂窩麻面現象,抑或是土建施工機械挖基坑平整土方過程中被挖掘機和鏟車碰斷。對于淺部斷樁需在剔除上部斷樁之后采用和樁身相同混合料進行補樁至設計標高。對于出現的大范圍斷樁則應與設計、監理、建設等單位聯合制定解決方案,在檢驗斷樁對比完整性樁的基礎上進行接樁或者補樁至設計標高。

6 CFG 樁復合地基的優越性

樁基礎的形式有很多種,與其他樁基礎相比較,CFG 樁復合地基除了工藝簡單、污染較小,還有以下優點:

(1) 具有良好的適用性,而且能提高承載能力。CFG 樁能在多種地質條件下使用,經過地基處理之后,承載力可以提高5倍左右。

(2) 能夠很好地控制變形。經過處理后的復合地基,其模量和剛度均有提高,因此能有效降低建筑物的沉降量。

(3) 能夠綜合性降低工程造價。CFG樁可以就地取材,縮短工程施工周期,而且無須配筋,所以能有效降低工程造價。

7 結束語

CFG樁在本項目中的使用,從檢測結果的分析數據可表明,能夠綜合提高效率,降低成本,達到預期效果。隨著我國高層建筑結構越來越多,這種樁基也會得到更加廣泛的應用。