静压预制桩复合地基在湿陷性黄土地区的尝试

马 亮

在我国陕西省、山西省、甘肃省等地区的阶地上分布着厚度较大的黄土地层,一般都具有自重湿陷性,湿陷等级多为Ⅱ级～Ⅲ级,随着现代城市建设的迅速发展,高层建筑愈来愈多,采用常规的垫层法、灰(素)土挤密桩或类似的方法已不能满足设计要求,强夯法受环境影响无法实施,预浸水法受施工条件和经济指标的限制又不适用,究竟怎样处理这种场地值得我们深思。

1 工程概况

某拟建高层建筑物地处太原市东山地区,地上30层,地下2层,总高度90.9 m。结构形式为剪力墙结构,基础形式为筏板基础。根据岩土勘察报告,场地自上而下各主要土层的工程地质特征如下：第①层杂填土;第②层湿陷性粉土;第③层湿陷性粉土;第④层湿陷性粉土;第⑤层粉质黏土+粉土;第⑥层粉质黏土;第⑦层粉质黏土+粉土;第⑧层粉土;第⑨层粉质黏土+粉土;第⑩层粉质黏土;第○11层粗砾砂。

场地为自重湿陷性黄土场地,地基湿陷等级为Ⅱ(中等)级。

基础持力层位于第②层,天然地基承载力特征值为140 kPa,经修正后地基承载力不满足设计要求,另基底下还有约20 m厚的湿陷性黄土,需进行地基处理。

2 地基处理方案的确定

拟建建筑物按GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范分类为甲类建筑,按规范6.1.1条甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或采用桩基础穿透全部湿陷性土层,或将基础设置在非湿陷性黄土层上。

湿陷性黄土地基常用的处理方法：垫层法(可处理的湿陷性黄土层厚度为1 m～3 m)、强夯法(可处理的湿陷性黄土层厚度为3 m～12 m,受环境限制无法实施)、挤密法(如灰(素)土挤密桩等一般可处理的湿陷性黄土层厚度为5 m～15 m)、预浸水法(受施工条件的限制无法实施)等,都已经无法满足本工程的设计要求,需要另觅处理方法。现根据场地条件及建筑物的性质,有以下几种方案,一一列出进行比较,以确定出最合理的方案。

方案一：桩基础。

桩基础分为钻孔、挖孔、挤土成孔灌注桩或静压、打入的预制钢筋混凝土桩。不管哪种桩基础,其工作原理都是桩穿透全部湿陷性土层,把上部荷载传递到深层土中,计算方法基本一致,在此仅以钻孔灌注桩为例介绍桩基设计参数的确定,其余不再赘述。

假设桩身直径取800 mm,满堂梅花形布置,桩筏基础,间距2.4 m,以第⑧层粉土作为桩端持力层,桩入土深度52.0 m(桩端进入持力层的深度对于黏性土、粉土不小于2.0d)。依据GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范第5.7.5条的规定,在自重湿陷性黄土场地,除不计湿陷性黄土内的桩长按饱和状态下的正阻力外,尚应扣除桩侧的负摩擦力。桩侧负摩擦力根据GB 50025-2004表5.7.5中自重湿陷量计算值大于200 mm时平均负摩擦力特征值按15 kPa考虑,桩侧20 m厚的湿陷性黄土,负摩擦力为15×20=300 kPa。

根据JGJ 94-2008建筑桩基技术规范式5.3.6,即单桩竖向承载力特征值Ra估算：Ra=qpkAp+u∑qsikLi-负摩擦力=1200×π×0.42+π×0.8×30×(52-20)-300=2 716 kPa(其中,1 200为桩端阻力特征值;30为湿陷性黄土下部土层的桩侧阻力特征值)。灌注桩采用C35混凝土,桩体强度控制承载力按GB 50007-2002建筑地基基础设计规范式 8.5.9 Q＜Apfcψc=0.42×π×16.7×0.60=5 036 kN,满足 Q＞Ra,取单桩竖向承载力特征值Ra=2 700 kPa。

经电算,单桩竖向承载力特征值取2 700 kPa,满足设计要求,方案可行。由于考虑地沟和管道等漏水仍可自其侧向渗入土中对地基产生不利影响,基础边缘外围均设置三排护桩,护桩可采用灰(素)土挤密桩,直径取400 mm,间距1.2 m,梅花形布置,桩长可适当减短,不必穿透全部湿陷性土层。

采用桩基础的优点是：处理深度大,施工成孔容易,可操作性强,适用范围广。缺点是：由于不计湿陷性黄土内的桩长按饱和状态下的正阻力外,尚应扣除桩侧的负摩擦力,导致桩长很长,经济性差。

方案二：静压预制桩复合地基。

复合地基和桩基础其工作机理是有很大区别的,复合地基是部分土体被加强为增强体,由增强体和周围地基土共同承担荷载的地基,黄土地区因地基土有湿陷性,所以必须处理其湿陷性;而桩基础是桩把上部荷载传递到深层土中,不考虑桩周围地基土的作用。湿陷性黄土之所以会产生湿陷,都是由于孔隙比大,干密度小所致,所以复合地基加固土的目的就是增大干密度,减小孔隙比,同时提高复合地基的承载力。

山西地区一般当土的干密度大于1.6 g/cm3时,土的湿陷性就消除了,假设一根桩承担的加固面积为1,置换率为 m,则加固前土的干密度=(1-m)×加固后土的干密度,可得：

m=1-加固前土的干密度/加固后土的干密度。

从地质报告中可看出基底下湿陷性黄土的干密度最小值为1.392 g/cm3,若采用边长400 mm的预制方桩,置换率m=1-1.392/1.60=0.13,假设采用桩距 1.2 m,正三角形布桩,实际置换率m=0.128,预制方桩长度伸入非湿陷性土层0.5 m即可,取20.5 m。

桩间土挤密消除湿陷后,桩侧阻力特征值取30 kPa,桩端阻力特征值取1 000 kPa,则根据JGJ 94-2008式5.3.6 Ra=qpkAp+u∑qsikLi=1 000×π×0.22+π×0.4×30×20.5=898 kPa。预制桩采用C30混凝土,桩体强度控制承载力按GB 50007-2002建筑地基基础设计规范式 8.5.9 Q＜Apfcψc=0.22×π×14.3×0.75=1 348 kN,满足 Q＞Ra,取单桩竖向承载力特征值Ra=898 kPa。复合地基承载力特征值按JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范式 9.2.5,取 β=0.75,Ra=898,Ap=898,fsk=140,m=0.128,f=m×Ra/Ap+β×(1-m)fsk=1 000 kPa,经验算,承载力满足设计要求,方案可行。

考虑本方案为复合地基,充分发挥桩土的共同作用,桩顶需设置150～300厚3∶7灰土褥垫层。同样考虑地沟和管道等漏水仍可自其侧向渗入土中对地基产生不利影响,基础边缘外围均设置三排护桩,护桩可采用灰(素)土挤密桩,直径取400 mm,间距1.2 m,梅花形布置,桩长可适当减短,不必穿透全部湿陷性土层。

采用静压预制桩复合地基的优点是：处理深度较大,湿陷性消除彻底,适用范围广,经济效益可观。缺点是：桩入土深度范围内局部有坚硬土层时,压桩较困难,如确有困难可采用预钻孔钻透坚硬夹层回填素土后再压桩。

方案三：灰(素)土挤密桩+CFG桩复合地基。

采用灰(素)土挤密桩是黄土地区行之有效的一种方法,但是用于高层建筑时,复合地基承载力特征值一般无法满足强度要求,所以必须再结合另外的措施来提高复合地基承载力,而灰(素)土挤密桩主要用来消除湿陷性。灰(素)土挤密桩+CFG桩复合地基就是充分利用了两种桩的特性衍生而来。

灰(素)土挤密桩+CFG桩组合型复合地基其设计原理和静压预制桩复合地基设计原理基本一致,只是在按JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范式9.2.5初估复合地基承载力特征值时,公式改为 f=m1×Ra1/Ap1+m2×Ra2/Ap2+β×(1-m1-m2)×fsk,公式中字母下的1和 2小标分别为灰(素)土挤密桩、CFG桩相应的各项参数。中间步骤不再赘述。

灰(素)土挤密桩可处理的地基深度一般不大于15 m,对于本工程来说不能彻底消除湿陷性,还将残留有一定的剩余湿陷量,不满足GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范对甲类建筑的要求,所以该方案不可行。

采用灰(素)土挤密桩+CFG桩处理地基的优点是：施工工艺简单,经济效益可观。缺点是：处理深度不大,湿陷性消除不够彻底,需两次施工工序。

经上述几种方案对比后,确定采用方案二(静压预制桩复合地基)。按此方案施工后,经检测,其静压预制桩桩间土挤密效果、湿陷性消除情况以及复合地基承载力特征值均达到了设计要求。

3 结语

采用静压预制桩在湿陷性黄土地区,且作为复合地基是一个新课题,采用此法处理地基,既可消除湿陷又可提高承载力,可谓一举两得,再加上静压桩桩身质量好,施工无噪声,施工进度快,与其他地基处理方法相比有一定的优势。

[1] JGJ 79-2002,建筑地基处理技术规范[S].

[2] GB 50025-2004,湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[3] 高明巧.湿陷性黄土地基的几种处理方法[J].山西建筑,2008,34(9)：132-133.