天津市某工程复合地基处理方案优化分析

2011-07-30张建新方福选

天津城建大学学报 2011年3期

刘彬，张建新，方福选

(1. 天津城市建设学院，天津 300384；2. 中国化学工程第一岩土工程有限公司，河北沧州 061001)

天津滨海新区属典型的软土地基，在这样的地基上修建建(构)筑物，经常会因为天然软弱地基的承载能力达不到设计要求而需要进行处理，以便大幅度提高地基承载力，减少地基沉降．近年来，软土地基处理技术得到了快速发展[1-4]，不仅反映在设计理论、施工工艺、建筑材料、现场监测技术等方面的不断更新和进步，而且反映在多种软土地基处理方法的综合应用方面．

笔者结合天津市某实际工程，并对该工程所拟选复合地基处理方案分别进行详细的设计计算，并进行对比分析，选出了技术经济效益最佳方案，为该工程的方案选择提供了理论计算依据．

1 工程概况

天津市某高速互通式立交桥，位于滨海新区，标准宽度为8.25 m，结构采用20 m跨现浇混凝土箱梁，共 9跨．本工程采用满堂支架施工工艺，支架延顺桥向布置间距为 90 cm，横桥向腹板处布置间距为60 cm，箱室及翼板处布置间距为 90 cm，总布置宽度为 10.5 m．该段桥下方全部为围海吹填区域，该区域地表面有一层厚度一般为0.5 m左右的硬壳层，下面则为深灰、暗灰的淤泥，地质情况不理想．根据建筑荷载情况(见表1)，要求工程的地基承载力不小于155 kPa，地基变形不大于5 mm．为确保施工过程中地基承载力和变形能满足施工要求，需要对桥下不良软土地基进行处理．

2 工程地质条件

根据钻孔所揭露的地层(见表2)情况，该场地第①层土为杂填土，土质不均，结构杂乱，工程性质差，不宜作为满堂支架基础持力层．第②层土强度低，压缩性较高，且其下第④层土为大厚度高压缩土层，天然地基也无法满足建筑荷载的要求．同时，根据满堂支架施工工艺要求，在保证满足地基承载力的同时，支架基础的沉降量也要小于5 mm．综合上述因素，需要对天然地基进行处理．

表1 荷载情况统计 kN/m2

3 地基处理方案比较分析

根据场地岩土工程情况和建筑物的荷载情况以及当地的工程经验，本工程拟选用水泥土搅拌桩复合地基、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基及多桩型复合地基等处理方案．笔者通过初步设计计算确定不同方案的合理设计参数，并结合这三种方案的技术特点，对三种方案进行全面对比分析，以达到选取技术经济最佳方案的目的．

3.1 水泥土搅拌桩复合地基方案分析

水泥土搅拌桩复合地基加固软土地基是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深部就地将软土和水泥浆强制拌合，使软土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量．其适用于正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无地下水的饱和松散沙土等地基．根据本工程情况，该复合地基方案设计如下：

表2 工程地质情况统计

(1)桩径．桩径取决于所选用的机械设备，根据当地施工经验，设计桩径为600 mm；

(2)桩身强度．固化剂选用强度为 425的普通硅酸盐水泥，水泥掺入量由实验确定，要求桩身强度等级为2.0 MPa以上；

(3)桩长．搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并且穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层．根据该场地的岩土工程特性和建筑物的荷载条件，并经过对处理后的地基进行变形计算，初步确定合理桩长为6.7 m，桩端进入持力层2.0 m．

(4)桩距．取决于设计要求的复合地基承载力及变形．

初步设计时复合地基承载力[5]可按(1)式计算

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为桩身断面面积，m2；β为桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，本计算取0.8；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，本计算取天然地基承载力．

按(2)、(3)式估算单桩竖向承载力特征值Ra按桩周土计算，其公式为

按桩身强度计算，其公式为

二者计算取小值．

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；up为桩的周长，m；n为桩身范围内所划分的土层数；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；li为第i层土的厚度，m；α为桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.4～0.6，承载力高时取低值，本计算取0.5；qp为桩端土未经修正的地基承载力特征值，kPa；Ap为桩身断面面积，m2；fcu为桩身立方体抗压强度标准值，kPa；η为桩身强度折减系数，本计算取0.3．

复合地基变形的计算公式为

式中：Pz为搅拌桩复合土层顶面的附加压力值，kPa；Pzl为搅拌桩复合土层底面的附加压力值，kPa；Esp为搅拌桩复合土层的压缩模量，MPa；Es为桩间土的压缩模量，MPa；Ep为搅拌桩的压缩模量，取120 fcu．

本工程拟采用正方形布桩．桩间距暂取0.9，1.0，1.1，1.2 m，分别按上述公式进行计算，计算结果见表3．

表3 水泥搅拌桩复合地基计算结果

从表3的计算结果中可以看出，本工程采用水泥搅拌桩进行地基处理时，合理的桩间距为 1 000 mm，经处理后复合地基承载力为 215.6 kPa，变形为4.83 mm，均满足设计要求，共需2 172根水泥搅拌桩．

3.2 水泥粉煤灰碎石桩复合地基方案分析

水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)是在碎石桩的基础上加进一些石屑或砂、粉煤灰和少量水泥，加水拌合制成的一种具有一定黏结强度的桩．CFG桩复合地基适用范围广，可用于杂填土、饱和及不饱和黏性土等地基中．

根据文献[5]的相关规定，结合当地工程施工经验，确定水泥粉煤灰碎石桩复合地基的初步设计参数为：CFG桩的桩径为400 mm；桩间距拟取为0.9，1.0，1.05，1.2 m；桩长取16 m；桩身强度等级为C20．正方形布桩．

根据初步确定的设计参数进行计算，复合地基承载力按文献[4]的相关公式计算，复合地基变形的计算公式为

式中：S为地基最终沉降量，mm；S′为按分层总和法计算出的地基沉降量，mm；sΨ为沉降计算经验系数，按《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)[6]表5.3.5采用；n为地基沉降计算深度范围内所划分的土层数；P0为对应于荷载效应准永久组合时的基础底面附加压力，kPa；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，MPa；Zi、Zi-1为基础底面至第 i层土、第 i-1层土底面的距离，m；ai、ai-1为基础底面计算点至第 i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数．

CFG桩复合地基计算结果见表4．

表4 CFG桩复合地基计算结果

从表4的计算结果可以看出，本工程采用水泥粉煤灰碎石桩进行地基处理时，合理的桩间距为1 100 mm，经处理后复合地基承载力为 612.5 kPa，变形为4.9 mm，均满足设计要求，共需1 991根CFG桩．

3.3 多桩型复合地基方案分析

多桩型复合地基[2-3]是相对于单一桩型复合地基而言的，由两种及两种以上桩型组成的复合地基，并且将复合地基中分担荷载比较高的桩型定义为主控桩，其余桩型为辅桩．主控桩一般选用刚性桩、半刚性桩，如预应力管桩、钢筋混凝土灌注桩、混凝土桩、CFG桩等，其长度一般不小于8 m，桩端坐落在较深的持力层中，其作用不仅是提高地基承载力，且可通过桩身将荷载向地基深处传送，减少压缩层变形，即起到减沉和控制地基变形的作用．短桩可选用石灰桩、灰土桩、水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、碎石桩等半刚性桩或柔性桩，其长度一般3～10 m，桩端坐落在较浅的持力层中，主要用来加固桩间土，提高地基承载力，增加长桩桩体摩阻力等．对于地基土要求较高或工况比较复杂的工程，多桩型复合地基更能充分发挥各桩型自身的特点，取得地基处理指标技术性和经济效益合理性的平衡．同时，考虑到施工难易程度、工程周期及综合造价等因素，实际工程中一般多采用两种桩型相结合的复合地基．

根据本工程所在地区各种桩基的使用情况、施工经验和综合造价等因素，结合上述对单一桩型复合地基方案的计算分析，确定采用水泥土搅拌桩作为辅桩，用以改善上部软土的竖向刚度，提高天然地基土的承载力，降低地基土的压缩变形；采用水泥粉煤灰桩作为主控桩，与辅桩共同组成复合地基，提高天然地基土的承载力，同时起到对辅桩的保护作用．

通过估算，确定主控桩和辅桩设计参数，见表5．