0 概述

　　 CFG桩作为复合地基的一种,因其施工工艺简单、对周边环境影响小、处理后的地基承载力高等特点,在工程中尤其是高层建筑中被大量使用 ^[1,2,3]。因该复合地基由竖向增强体及桩间土共同受力,若用于湿陷性黄土地区,应先对桩间土的湿陷性进行全部处理。

　　 强夯法在处理湿陷性黄土时,具有施工速度快、造价低廉、处理效果好等优点 ^[4,5]。若能将强夯与CFG桩结合用于湿陷性黄土地区高层建筑的地基处理,将会取得良好效果。

　　 兰州新区位于兰州市北部秦王川盆地,总面积约1 744km²,建设面积约246km²,该区域部分场地土既有湿陷性又有腐蚀性。在新区建设之初,这种场地是否可以采用强夯+CFG桩复合地基,可借鉴的工程经验不多。本文以兰州新区某住宅小区为例,对具有腐蚀性的湿陷性黄土地区采用强夯+CFG桩复合地基的设计方法及应用效果做详细介绍。

1 工程概况

　　 项目位于兰州新区纬一路以南,纬三路以北,经十二路以东,经十三路以西,总建筑面积约53万m²。小区共45个单体,包括24栋18层高层住宅,建筑高度52.8m; 2栋14层办公楼,建筑高度53.85m; 2栋11层小高层住宅,建筑高度32.5m; 8栋7层住宅,建筑高度21.60m; 8栋4层住宅,建筑高度12.0m; 商铺及幼儿园1～3层。建筑效果图及总图分区示意如图1所示。除幼儿园外,各单体下均设地下室,各单体之间均为地下1层车库。住宅均采用剪力墙结构,高层住宅基础采用平板式筏基,多层住宅基础采用条形基础加构造防水板。

　　 本文重点针对该小区南区高层基础下采用的强夯+CFG桩复合地基进行阐述,对于北区高层采用的强夯+桩基以及多层区域的单纯强夯地基处理不在本文中赘述。

　　 图1 建筑效果图及总图分区示意  

2 地质情况

　　 根据业主提供的地勘报告,场地地层自上而下依次分布有:

　　 填土层(Q4^ml):厚度0.00～3.10m。成分混杂欠固结,以粉土为主,土质不均匀,稍湿、稍密,物理力学性质差,承载力特征值f_ak=110kPa,压缩模量E_s=3.5MPa。

　　 黄土状粉土层(Q4^al+pl):厚度13.00～29.50m。含砂量较大,稍密。该层赋存多层砾砂、粗砂和细砂夹层,承载力特征值f_ak=160kPa,压缩模量E_s=10MPa。

　　 泥岩层(N₂):该层埋深12.50～29.50m。遇水软化,致密,较坚硬。上部3.00～3.80m为强风化岩,承载力特征值f_ak=450kPa,压缩模量E_s=40MPa; 其下中风化岩,承载力特征值f_ak=650 kPa,压缩模量E_s=60MPa,致密,不透水,坚硬。

　　 场地地下水埋深11.10～21.20m,层面高程为1 896.21～1 898.87m。地下水为潜水,主要含水层为粉土层及砂夹层,基岩为相对隔水层。

　　 典型土层剖面见图2。由图2可知,本项目场地土层分布极不规律,杂乱无章,黄土状粉土层不同区域、不同深度含有多层不同厚度的砂夹层。场地内的黄土状粉土层上部具有湿陷性,夹层以下的黄土状粉土层基本不具有湿陷性。

　　 图2 典型土层剖面图   

　　 整个场地湿陷土层最大分布深度11.50m,湿陷性系数δ_s为0.000～0.159,自重湿陷性系数δ_zs为0.000～0.146。计算总湿陷量0.00～73.77cm,自重湿陷量0.00～50.33cm,大部分为Ⅱ级自重湿陷。

　　 根据水土腐蚀试验报告,地基土对混凝土结构具有微腐蚀性; 地基土对钢筋混凝土中的钢筋具有中等腐蚀性; 在长期浸水和干湿交替条件下,地下水对混凝土具有中等腐蚀性; 地下水对钢筋混凝土中的钢筋在长期浸水条件下具有微腐蚀性,在干湿交替条件下则具有中等腐蚀性。

3 地基处理方案

3.1 地基基础设计等级

　　 依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011) ^[6](简称地基基础规范)表3.0.1划分,沿街的高层均与商业裙房相连且层数相差超过10层,地基基础设计等级为甲级; 无商业裙房的高层建筑地基基础设计等级均为乙级。

　　 依据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004) ^[7]表3.0.1划分,湿陷性黄土场地建筑物分类为乙类。

3.2 地基处理方案

　　 经初步估算,18层高层结构基底压力约350kPa。基底标高-5.600m,均为黄土状粉土层,采用天然地基不可行,需对地基进行处理。

　　 依据地勘报告提供的建议,可采用的地基处理方式有桩基础、CFG桩复合地基。经分析对比,该工程若采用CFG桩复合地基,不论是施工周期还是工程造价,均比桩基础具有优势。

3.3 场地土湿陷性处理方案

　　 场地土湿陷性处理常用方式为换填垫层法、挤密桩法及强夯法。

3.3.1 换填垫层法

　　 本项目场地土湿陷性深度分布极不均匀,大部分单体下的处理深度在基础底以下5m左右,个别单体湿陷性处理深度在基础底以下8m左右。当处理厚度大于3m时,采用换填垫层法施工质量不易保证并且不经济。因此,本项目不宜采用换填垫层法处理湿陷性。

3.3.2 挤密桩法

　　 对邻近的其他项目调研发现,因砂夹层较多,挤密桩不论采用沉管成孔还是长螺旋钻成孔均较困难,极易塌孔,严重影响成桩质量及工期。因此,本项目也不宜采用挤密桩法处理湿陷性。

3.3.3 强夯法

　　 强夯法又称动力固结法,使用8～35t重锤从10～40m高度自由下落,依靠重锤强大夯击能和冲击波反复夯击地基,使夯面下一定深度的地基土挤压密实,从而达到提高地基承载力及强度、降低岩土压缩性、改善地基土力学性能的目的 ^[8]。与换填垫层法、挤密桩法相比较,强夯法既经济又快捷,但其振动太大,须考虑对邻近建筑物的影响,如基坑周边有建筑物或市政管线,则应慎重考虑 ^[9]。因此,在城市建成区一般很少采用。

　　 本项目建设之初,场地四周比较空旷,周边居民已基本拆迁搬离。同时因工期紧张,业主要求基坑采用整体大开挖,地基处理同时进行。经比较,最终确定采用强夯法处理场地土湿陷性。

4 强夯设计

4.1 强夯法设计步骤

　　 指导强夯法设计的规范包括《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)、《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004) ^[7]以及《强夯地基处理技术规程》(CECS 279∶2010)。依据上述规范,强夯法设计可按以下步骤:

　　 (1)确定各单体的基础底标高。

　　 (2)确定CFG桩打桩工作面标高,即有效桩顶标高加虚桩高度。

　　 (3)确定终止夯面标高。该值通常情况下即为CFG桩打桩工作面。实际工程中,强夯应统一整体进行,如后续CFG桩施工需分期实施,尚需对后期施工区域预留一定的覆土层以防止场地长期久置而受扰动。此时,终止夯面标高尚应加上预留覆土层厚度。

　　 (4)确定开夯标高。开夯标高为终止夯面标高加上夯沉量。夯沉量与夯击能大小及原状土的压缩模量有关。夯击能越大、压缩模量越小,则夯沉量越大,反之则夯沉量越小。设计时夯沉量是预估值,需经现场试夯确定。本项目的试夯结果显示,不同区域的夯沉量差异较大,最小夯沉量约500mm,最大夯沉量接近2 000mm。强夯标高关系见图3。

　　 (5)确定需处理的湿陷性土层厚度。采用CFG桩复合地基则需处理场地土全部湿陷性,处理深度为从开夯标高算起至土样湿陷性系数δ_s小于0.015的深度。处理的平面范围为沿基础外缘外扩不小于湿陷性土层处理深度的一半且不小于2.0m。

　　 (6)依据第(5)步确定的处理厚度(即有效加固深度)确定对应的单击夯击能。夯击能(kN·m)=夯锤重(kN)×提升高度(m)。

　　 图3 强夯标高关系图   

4.2 强夯施工需注意的问题

　　 (1)强夯施工前应先在场地内试夯,确定夯锤质量、落距、夯击次数、夯沉量、单击夯击能及夯点间距等参数。试夯结束后,应测定土的干密度、 压缩系数和湿陷性系数等指标以确定夯击参数是否合适。试验区面积不宜小于20m×20m。

　　 (2)最后两击平均夯沉量均要求不大于30mm。夯击点采用正三角形布置,夯点间距2.5d(d为夯锤直径)。

　　 (3)最后一遍夯击后,再以1 000kN·m能级满夯拍平,锤印搭接约d/3,每印痕连夯2～3击。

　　 (4)强夯时夯锤对地面冲击引起的振动非常强烈,约2km之外人体即可感知,距夯击点500m范围内搭设的临建振动明显。因此,强夯施工所引起的振动和侧向挤压对邻近建筑物产生不利影响时,应设置监测点,并采取挖隔振沟等防振措施。施工时应制定专项施工方案,合理安排夯击顺序。对有高差区域,应逐步放台。对处理外放重叠区域,按高等级的夯击能处理。为避免强夯时产生的振动对桩身造成损伤,应待场地内所有区域的强夯施工完毕并检测符合设计要求后方可施工CFG桩。

　　 (5)需通过土工试验确定场地含水量是否适宜强夯,以接近最优含水量为宜。

　　 (6)强夯施工结束后间隔14～28d按《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004) ^[7]第6.3.7条及《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012) ^[10]第6.3.14条的规定对处理后地基的质量进行检测,检测点的数量按每400m²一个且每个单体下不少于3个; 应挖探井取样对处理深度范围内的湿陷性处理效果做出评价,并采用浅层平板载荷试验测定处理后的地基承载力特征值。

4.3 强夯处理效果

　　 依据业主提供的强夯检测结果,处理深度范围内的湿陷性系数δ_s均小于0.015,湿陷性处理达到预期效果。

　　 地基承载力试验均加载到压力-沉降曲线(p-s曲线)有明显陡降段(比例极限拐点),检测结果显示承载力特征值最大可达到250kPa,综合分析后本工程按200kPa取值。

5 CFG桩复合地基的设计

5.1 CFG桩单桩承载力计算

　　 根据该项目地勘报告,选择强风化岩作为CFG桩端持力层,有效桩长按桩端进入持力层(强风化岩)不小于1 000mm控制。根据各单体基础底标高及土层剖面图显示的强风化岩层的起伏情况推断,各单体CFG桩长存在差异,在15～26m之间。桩径均取500mm。

　　 CFG桩单桩承载力特征值R_a计算公式为 ^[10]:

　　 Ra=up∑i=1nqsilpi+apqpAP         (1)Ra=up∑i=1nqsilpi+apqpAΡ         (1)

　　 式中:u_p为桩周长,m; q_si为桩侧第i层土的侧阻力标准值,kPa; a_p为桩端阻力发挥系数,本文取1.0; q_p为桩端阻力特征值,kPa; A_p为桩截面面积,m²; l_pi为第i层土厚度,m。

　　 以21#楼为例,有效桩长不小于15m,计算得出单桩承载力特征值R_a=650kN。

5.2 CFG桩复合地基桩间距计算

　　 南区高层靠小区西侧各单体与地下车库相连形成大底盘,靠小区东侧各单体与地下车库脱开,仅出入口通过连接通道相连,地下车库采用条形基础+构造防水板。施工时场地整体大开挖,待高层施工完毕再施工地下车库,最后回填高层与地下车库之间的基槽。因此,地基承载力计算时未考虑深宽修正。

　　 18层高层结构的地基承载力特征值f_a=f_spk=360kPa时可满足地基基础规范第5.2.1条P_k≤f_a及P_kmax≤1.2f_a的要求,其中P_k为相应于作用的标准组合时,基础底面处的平均压力值,kPa; P_kmax为相应于作用的标准组合时,基础底面边缘的最大压力值,kPa。

　　 CFG桩复合地基承载力特征值f_spk计算公式为 ^[10]:

　　 fspk=λmRaAP+β(1−m)fsk         (2)fspk=λmRaAΡ+β(1-m)fsk         (2)

　　 式中:λ为单桩承载力发挥系数,本文取0.85; m为桩面积置换率,m=d²/d²_e,其中d为桩身平均直径,d_e为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径,等边三角形布桩时d_e=1.05s,s为桩间距; β为桩间土承载力发挥系数,本文取0.95; f_sk为处理后桩间土承载力特征值,取200kPa。

　　 代入式(2)后,计算得到m=0.064,桩间距s=1 964mm。综合考虑场地地质条件及现场管理因素,各单体统一取桩间距为1 700mm,等边三角形布桩,桩排距1 470mm。

　　 按照地基基础规范第5.3.5条分层总和法进行沉降计算的沉降量为28mm,满足规范限值要求。

5.3 CFG桩桩身抗腐蚀性措施

　　 针对场地土具有腐蚀性,参考《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB 50046—2008) ^[11],桩身混凝土强度等级采用C35,采用抗硫酸盐硅酸盐水泥,也可在混凝土中掺加符合性能的防腐阻锈剂,混凝土抗渗等级不低于P8。

5.4 成桩工艺

　　 场地土层砂夹层较多且杂乱无章,成孔采用半挤土螺杆桩工艺,该工艺可提供更大的扭矩; 桩身填料采用管内泵压素混凝土成桩。

5.5 地基处理效果

　　 目前该小区已竣工并交付使用(图4)。从竣工验收时业主提供的沉降观测报告分析,采用该类型地基处理的高层建筑沉降量均小于设计时的计算值,沉降均匀并趋于稳定。

　　 图4 建成后实景  

6 结语

　　 本文以具体工程为例,详细介绍了强夯+CFG桩复合地基的设计过程。实践表明,在具有腐蚀性的湿陷性黄土场地使用该方法进行地基处理可行,承载力及沉降均可满足规范要求,可供类似场地的工程参考借鉴。