某工程地基处理方案选型分析

王林国

(中机十院国际工程有限公司，河南 洛阳 471003)

1 工程概况

某公司办公楼位于洛阳市高新技术开发区，建筑物地上3层，高度16.2 m，建筑平面尺寸为60 m×24 m，结构形式为现浇钢筋混凝土框架结构，基础形式为柱下独立基础。基础埋深1.2 m，基底绝对标高为157.3 m。根据岩土工程勘察报告，地基土各层情况如下:杂填土:黄～黄褐色，分布于地表。土中夹杂有较多砖瓦块及零星碎石，结构疏松。层厚1.0 m～1.5 m。黄土状粉质粘土:黄褐～浅黄褐色，坚硬状，局部硬塑状，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，中压缩性。该层层厚1.1 m～1.5 m。承载力特征值fak=110 kPa，桩周侧阻力特征值为qsia=15 kPa。黄土状粉质粘土:黄褐色、褐色，硬塑～坚硬状，局部可塑状，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等，中压缩性。该层层厚2.9 m～3.5 m。承载力特征值fak=130 kPa，桩周侧阻力特征值为qsia=20 kPa。黄土状粉土:黄色～浅黄色，湿，稍密～中密。摇振反应中等，无光泽，干强度低，韧性低，中压缩性。湿陷性程度轻微～中等。该层层厚 1.7 m～2.4 m。承载力特征值 fak=125 kPa，桩周侧阻力特征值为qsia=15 kPa，桩端阻力特征值为qpa=350 kPa。卵石:杂色，主要成分以石英石、石英砂岩、安山岩、斜长斑岩及暗色岩石为主，一般粒径2 cm～5 cm，最大8 cm，磨圆度较好，多呈亚圆形。分选一般，不良～良好级配，填充物主要以中细砂及砾石为主，上部填充物中含有少量泥质成分。该层卵石不均匀，局部地带夹圆砾和中砂微薄层。稍密，未揭穿，最大揭露厚度4.4 m。

场地地下水稳定埋深在7.84 m～8.0 m之间。地下水类型属孔隙潜水，主要受洛河水侧向渗透和大气降水补给。3年～5年最高水位为6.5 m～7.0 m。根据室内试验资料，地基土的湿陷性系数小于0.015，场地不具湿陷性，但地质勘察单位根据地方经验，提出本建筑场地应按非自重湿陷性场地对待，地基湿陷性为Ⅰ级(轻微)。

2 地基处理

本建筑场地为非自重湿陷性场地，地基湿陷性为Ⅰ级(轻微)。依据GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范，该建筑不宜采用天然地基浅基础，且结构设计要求地基承载力特征值不小于220 kPa，天然地基不能满足要求，因此需对地基进行处理，要求处理后的地基须既消除湿陷性又提高地基承载力。依据GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范和JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，湿陷性黄土地基常用的处理方法有强夯法、垫层法、挤密法、预浸水法等。结合本工程的建筑物类别和场地土实际情况，并考虑施工设备、施工进度、材料来源、当地环境等因素影响[1]，本工程初步考虑采用换填垫层法或挤密法进行地基处理，下面就此两种处理方法做详细的技术经济分析，以确定最优的地基处理方案。

2.1 换填垫层法

换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理[2]。换填垫层法包括土垫层和灰土垫层。当仅要求消除基底下1 m～3 m湿陷性黄土的湿陷量时，宜采用局部(或整片)土垫层进行处理，当同时要求提高垫层土的承载力及增强水稳性时，宜采用整片灰土垫层进行处理。

2.1.1 换填垫层法设计

根据场地工程地质条件，采用三七灰土垫层换填对地基进行处理。根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，垫层的厚度应根据需置换软弱土的深度或下卧层的承载力确定，并符合式(1)要求[3]:

其中，pz为相应与荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值，kPa;pcz为垫层底面处土的自重压力值，kPa;faz为垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。

基础埋深1.2 m，根据地质报告提供的各层地基土分析，需将第①层杂填土和第②层黄土状粉质粘土全部挖除，基础下做不小于1.5 m厚的三七灰土垫层，三七灰土垫层坐于第③层黄土状粉质粘土上。第③层黄土状粉质粘土的承载力特征值fak=130 kPa，由GB 50007-2011建筑地基基础设计规范，经深度修正后，垫层底面处的承载力特征值按式(2)计算[3]:

其中，fak为地基承载力特征值，kPa;ηd为基础埋置深度的地基承载力修正系数，kPa;γm为垫层底面下土的加权平均重度，kN/m3;d为基础埋深，m。

由式(2)计算可知，faz取值 161.4 kPa。

灰土体积比采用3∶7，压实系数不小于0.95时，灰土垫层承载力特征值fak可取220 kPa[2]。则根据PKPM软件的 JCCAD模块计算得出，基础底面尺寸为3.3 m×3.3 m。相应于荷载标准组合时，上部结构传至基础顶面的最大竖向力Fk=2 500 kN。基础底面压力按式(3)[3]计算:

其中，pk为相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值，kPa;Fk为相应于作用的标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值，kN;Gk为基础自重和基础上的土重，kN。

由式(3)计算可知，pk取值253.6 kPa。垫层底面处的附加压力值按式(4)计算[2]:

由式(4)计算可知，pz取值104.6 kPa。

垫层底面处土的自重压力值 pcz=19.6 ×(1.2+0.1+1.5)=54.9 kPa。

则垫层底面软弱层验算结果为:faz=161.4≥pz+pcz=104.6+54.9=159.5，满足规范要求。

2.1.2 换填垫层法施工及质量检验

垫层施工应根据不同的换填材料选择施工机械。粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯[2]。要求土的粒径不大于15 mm，选用不含松软杂质的粘性土，灰料应选用达到国家三等石灰标准的消石灰，粒径不应大于15 mm，灰土应拌合均匀。土料的施工含水量宜控制在最优含水量15%±2%的范围内。基坑开挖时应避免坑底土层受扰动，可保留200 mm厚的土层暂不挖去，待铺填垫层前再挖至设计标高。灰土垫层的压实系数应不小于0.97。

灰土的施工质量检验可采用环刀法、贯入法、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验检验。并均匀通过现场试验以设计压实系数所对应的贯入度为标准检验垫层的施工质量。垫层的施工质量检验必须分层进行。应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3点[2]。

2.2 挤密法

用挤密法处理湿陷性黄土地基时，孔内宜用素土或灰土，必要时可用强度高的填料如水泥土等。当防(隔)水时，宜填素土;当提高承载力或减小处理宽度时，宜填灰土、水泥土等[1]。结合本工程实际情况，需在处理地基土的湿陷性同时提高地基承载力，所以选择孔内夯填水泥土料，即夯实水泥土桩法进行地基处理。

2.2.1 夯实水泥土桩法设计

夯实水泥土桩法利用机械成孔或人工挖孔，然后将水泥和土按设计的比例拌合均匀，在孔内夯实至设计要求的密实度而形成的加固体和桩间土组成复合地基的地基处理方法[4]。

根据地质勘察报告分析，夯实水泥土桩持力层选择第④层黄土状粉土，桩长4.5 m，桩径400 mm，桩间距1.0 m，等边三角形布桩。根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，夯实水泥土桩单桩竖向承载力特征值可按式(5)计算:

其中，up为桩的周长，m;n为桩长范围内所划分的土层数;qsi，qp分别为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值，kPa;li为第i层土的厚度，m。

由式(5)计算可知，Ra取值150 kN。复合地基的面积置换率m可按规范计算为0.145。根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，夯实水泥土桩复合地基承载力特征值可按式(6)计算:

其中，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为桩的截面积，m2;β为桩间土承载力折减系数，取0.9;fsk为处理后桩间土承载力特征值，取天然地基承载力特征值110 kPa。

由式(6)计算可知，复合地基承载力特征值fspk=258 kPa，满足设计要求。根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范要求，夯实水泥土桩可只在基础范围内布桩，但考虑场地土的湿陷性，实际布桩范围为基础外扩1排～2排，总桩数796根。为保证桩土共同承担荷载，减少基础底面应力集中，同时调整竖向和水平向桩土荷载分担比例，在桩顶铺设200 mm厚褥垫层。褥垫层采用粒径不大于20 mm的碎石。

2.2.2 夯实水泥土桩法施工及质量检验

夯实水泥土桩成孔工艺有挤土成孔(沉管、冲击)和非挤土成孔(洛阳铲、螺旋钻)等方法。考虑到本工程地基土具有轻微湿陷性，采用冲击成孔工艺。

桩体材料采用塑性指数大于10的粘性土(土料应过10 mm～20 mm筛)与水泥(32.5级普通硅酸盐水泥)，土中的有机质含量不得超过5%，不得含有冻土或膨胀土。二者的配比根据实验室配合比试验确定为不小于1∶6(体积比)，混合料应拌合均匀，其含水量应为最优含水量15%±2%，桩体强度应满足式(7)的要求:

即桩体强度fcu≥3 600 kPa。

夯填桩孔时应采用机械夯实机具，要求锤重不小于1.5 t。锤的落距、锤击次数和填料厚度根据现场试验确定，混合料的压实系数不小于0.97。

成孔施工时要求桩孔中心偏差不超过100 mm，桩孔垂直度偏差不大于1.5%，桩孔直径和桩孔深度不得小于设计值。

施工过程中，对夯实水泥土桩的成桩质量，应及时进行抽样检验。抽检数量不小于总桩数的2%。可采用轻便触探要求成桩2 h内锤击数M10≥40击/30 cm。

夯实水泥土桩复合地基竣工验收时，承载力检验应采用单桩复合地基载荷试验。地基检验数量为总桩数的0.5%～1%，且不小于3点。

3 地基选型对比分析

对换填垫层法，本工程土方开挖量经计算约5 600 m3，石灰用量约600 m3，但其现场场地狭小，场地土无法现场堆放，需外运至1 km外的外场存放，混合料拌合也在外场拌合并运回。其直接费用经估算需80万元左右，且在北方秋冬季节，多风沙天气，采用现场大面积土方开挖进行换填垫层法施工，扬尘较大，对周围环境产生很不利影响，而该公司对厂区内的环境卫生要求很高，采用此法施工，不利于厂区环境卫生维护。

对夯实水泥土桩法，其现场土方开挖量经计算约为800 m3，开挖量远小于换填垫层法，现场可以堆放，水泥用量约为75 m3，混合料可在现场拌合。其直接费用经估算在50万元左右。采用此法施工，可避免大面积土方开挖和扬尘，对周边环境友好，采用大型机械施工，更能保证施工进度和质量。

经过对比分析可以看出，夯实水泥土桩法在技术经济各项指标均优于换填垫层法。所以，本工程最终采用夯实水泥土桩法进行地基处理。

4 结语

结合本工程的建筑物类别和场地土实际情况，并考虑施工设备、施工进度、材料来源、当地环境等因素影响，通过对换填垫层法和夯实水泥土桩进行详细的技术经济分析，本工程最终确定采用夯实水泥土桩法进行地基处理，达到了既处理地基湿陷性又提高地基承载力的目的，并且因其施工简便易行、质量容易保证、经济合理、环境友好，也受到建设方的肯定。

[1] GB 50025-2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[2] JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范[S].

[3] GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[4] 崔春桂，张 辉，唐文选，等.夯实水泥土桩处理湿陷性黄土地基的应用研究[J].城市建设理论研究(电子版)，2012(13):9-11.