浅谈软土场地地基基础方案选择

朱佩宁

软土在我国分布十分广泛,软土是指在滨海、湖沼、谷地、河滩等区域近代沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。软土由于其低抗剪强度、高压缩性和弱透水性,工程力学性质很差,直接影响结构工程的稳定性和耐久性。软基处理不当,会严重影响工程质量和使用功能,甚至造成工程事故,损失惨重,教训很多。软土地区地基基础方案的选择是一个复杂的问题,应该在安全—工期—经济的思想指导下考虑软土地区地基基础方案。常用的地基基础方案有:1)直接采用原土地基——结构物基础采用浅基础。2)加固原土地基——结构物基础利用加固的地基做持力层。3)结构物基础采用桩基础。

1 工程概况

1)地理概况。某开发区位于广州东南部珠江出海口,拟建建筑物10层。场地地质上处于珠江河口三角洲与剥蚀残丘交界。

2)场地工程地质概况。根据该开发区规划勘察时,对其工程地质分区,属于工程地质条件差,地基条件复杂一级场地。场地广泛分布着第四系Q4和Q3两层淤泥和淤泥质软土层,软土层厚度为15 m～43.9 m,总平均厚度达30 m。特别是顶部新近沉积的5 m～8 m淤泥,为第四系全新世海陆交替相约2500年前新沉积的淤泥层,含水率高,孔隙比大,强度低,欠固结,压缩性高,高灵敏度,易触变。当地质环境改变时,可能受到强烈的破坏,属不良地质现象发育阶段。从垂直与水平固结和渗透试验结果分析,具有明显的各向异性。

2 地基基础方案的讨论

2.1 浅基础

该地区软土层较厚,工程地质条件差,因此采用浅基础无法满足地基承载力和变形的要求,从工程的安全角度考虑,不采用浅基础。

2.2 加固地基或采用复合地基

2.2.1 真空—堆载预压法

结合本场地的情况,淤泥层较厚,含水率高,孔隙比大,压缩性高,强度低,无侧限抗压强度 qu＜30 kPa,欠固结,可用真空—堆载预压法处理。

采用真空—堆载预压法处理软土地基,必须考虑软土次固结沉降。软土地基在荷载的作用下发生的沉降主要由三部分组成,即瞬时沉降sd,主固结沉降sc和次固结沉降ss。加荷的瞬间主要按弹性模式发生沉降,然后按主固结沉降发展,最后主要按次固结沉降模式(土骨架的蠕动变形等形成的沉降)。次固结沉降是一个时间很长的过程,往往被一些工程技术人员忽略。经验表明,珠江三角洲地区的软土次固结沉降占最终沉降的10%左右[1]。

通过对工程实践研究表明,次固结系数有以下特点:

1)软土的次固结系数随时间的增加有较大减小。2)次固结系数与压缩指数之比基本是一个常数。3)超载预压可减小软土的次固结系数,减小程度与超固结比有关。

通过加大堆载和加长堆载的持荷时间,可降低次固结系数并加快次固结沉降的发生,且通过超载预压可减少使用荷载下的次固结沉降[3]。真空—堆载预压这一方案时间较长,若工期允许的话可采用此方案。

2.2.2 搅拌桩

通过搅拌机械将胶结材料与地基的软土搅拌成桩柱体,这种桩柱体称为水泥搅拌桩,石灰黏土桩或某些胶结物黏土桩,它具有一定的强度和稳定性。由搅拌桩体与四周软土组成复合地基,可以提高地基承载力,减小地基沉降,阻止水体流动,增强地基的稳定性,阻止地下水的渗透。

本地区花斑状粉质黏土层,其顶面埋深一般小于18 m,最大不超过20 m,其标准贯入试验结果统计分析如表1所示。

表1 标贯试验统计分析表

考虑到花斑状粉质黏土层桩端阻力建议值为950 kPa,而且本场地软土层较厚,可以采用水泥深层搅拌桩复合地基基础方案,但应查明水、土的酸碱度可能对水泥强度造成的影响。

2.3 桩基础

桩基础在软土地基上是常用的基础形式。就端承桩和摩擦桩作比较,端承桩尖落在基岩上,沉降可忽略不计,但长度(约55 m)和承受的负摩阻力均比摩擦桩大。

当采用预应力管桩(PHC)基础方案时,以全、强、中风化花岗岩或密实粗砂、砾砂层作为桩端持力层,从将来建筑物沉降变形讲,无疑比较小,安全度大。有以下问题必须注意。

桩基的沉降(考虑负摩阻力)由四部分组成:1)桩尖以下土层在地面荷载作用下的沉降;2)桩在桩顶荷载作用下的沉降;3)桩在负摩阻力作用下的沉降;4)桩身的压缩变形。

由于场地还需要排水固结,完全可能出现桩周土的沉降超过桩基沉降,设计时应考虑桩侧的负摩阻力作为附加荷载进行桩的承载力和变形设计。

负摩阻力在丹麦等国的设计规范里面已经具体规定,单桩负摩阻力有下列算法:

1)根据土的竖向有效应力:

其中,β为负摩擦力系数,饱和软土为0.15～0.25,黏土为0.2～ 0.25,粉土为 0.25～ 0.35,砂土为 0.35～ 0.50;σ′v为地基中的有效垂直应力;fn为负摩阻力。

2)可由无侧限抗压强度计算[5]:

其中,qu为无侧限抗压强度;fn为负摩阻力。

求得负摩擦力标准值后,由下式就可以求出作用于桩身的下拉荷载Fn:

其中,fn为中性点以上n层土侧负摩阻力强度的标准值,kPa;U为桩的周长,m;ln为地面至中性点n层土厚度。

由 qu=13.7 kPa,软土层厚30 m左右,可得中性点深度 ln=18 m,管桩直径500 mm左右,可以计算出:Fn=194 kN。

由此可以看出,本区软土对桩的负摩阻力不可忽视,设计时必须作为附加下拉荷载考虑。

3 结语

通过以上分析讨论,以点带面,对珠江三角洲深层软土地区基础方案的选择有以下几点体会:1)控制地基基础的沉降和不均匀沉降是设计的主要问题。2)对于第四纪软土层较厚的软土地基,采用复合地基或桩基础是比较经济、安全的基础方案。3)软土地区必须考虑次固结沉降的影响,次固结沉降一般占总沉降10%左右。4)对软土厚度大的建筑物场地,桩基础设计时要考虑桩的负摩擦力,作为附加下拉荷载进行桩的承载力和变形设计。

[1]刘开元,王 洋.路堤荷载作用下次固结沉降分析[J].岩土工程技术,2004(4):192-194.

[2]张晓青.浅谈几种软土地基处理的方法[J].山西建筑,2009,35(6):153-154.

[3]《地基处理手册》编委会.地基处理手册[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2000:59-60.

[4]江苏沪宁高速公路股份有限公司,河海大学.交通土建软土地基工程手册[M].北京:人民交通出版社,2001:44.

[5]史佩栋.桩基工程手册[M].北京:人民交通出版社,2008:179-180.