夯实水泥土桩在湿陷性黄土地区的应用

2014-04-07成晓萍

山西建筑 2014年5期

成晓萍

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 夯实水泥土桩复合地基的设计理念及作用机理

设计理念:夯实水泥土桩复合地基在湿陷性黄土地区对地基进行加固时，主要是利用它在机械成孔时，对夯实水泥土桩的夯实、挤密、置换作用，来消除地基以下各土层的全部湿陷或是其下部的剩余湿陷量以满足设计要求。

作用机理:将相对单一的土质材料与水泥按一定的配合比充分拌合均匀形成水泥土，然后分层向孔内夯填，挤密而制成水泥土桩，并与桩间土及其上部铺填的褥垫层形成复合地基。由于成桩过程中桩间土受到挤密、置换，使得桩间土的强度得到了一定的提高，同时土与水泥在拌合过程中产生的物理化学反应，使得水泥土桩体本身的强度得到提高。即复合地基的强度及抵抗变形的能力也显著提高。

2 夯实水泥土桩复合地基的设计方法

夯实水泥土桩是具有一定压缩性的一种柔性桩。一般情况下，荷载大部分由桩承担，通过与土的侧阻力与端阻力传至深层土中。同时，在桩、土的共同受荷作用下，土的高压力区增大，提高了地基承载力，减少了地基的沉降变形。根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范中第十章夯实水泥土桩法的要求，夯实水泥土桩可只在基础边线范围内布置，便可满足上部荷载对复合地基的要求。而在湿陷性黄土地区，除了满足建筑物下承载力、变形、湿陷系数等的要求，还应考虑到建筑物侧向防水、止水等问题，所以，在基础外边缘不小于2 m的范围内也应布置一定范围的灰土挤密桩(2排～3排)，以形成止水帷幕。

3 工程实例

3.1 工程概况

某高层住宅18层(带地下1层)，纯剪力墙结构，7度设防，地基基础设计等级为乙级;根据GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范，该建筑物为乙类。剪力墙的抗震等级为三级，基础为剪力墙下筏板基础。该住宅的平面呈矩形，长67 m，宽17 m，建筑总高度为:60 m。基础宽度:68 m×18 m，基底反力320 kPa，基础埋深5.0 m，基底位于第二层湿陷性粉土。

3.2 地质概况

①杂填土(Q4ml):灰褐色，黄褐色，稍密，稍湿，主要由粉土组成，含砖块、石块、煤屑等，局部为素填土。该层厚度及层底埋深0.3 m ～3.4 m。

②湿陷性粉土(Q3al+pl):褐黄色，稍密，稍湿，无光泽，无摇振反应，干强度低，韧性低，该层厚度6.1 m ～9.2 m，层底埋深9.5 m ～10.5 m，天然地基承载力特征值为fak=180 kPa，桩极限侧阻力标准值50 kPa。

③粉土(Q3al+pl):褐黄色，灰绿色，稍密，稍湿，干强度低，韧性低，变为粉质粘土。该层厚度10.5 m～11.5 m，层底埋深20.0 m～22.0 m，天然地基承载力特征值为fak=190 kPa，桩极限侧阻力标准值55 kPa，极限端阻力标准值1 400 kPa。

④粉质粘土(Q3al+pl):黄褐色，灰褐色，可塑，干强度中等，韧性中等。

该层未揭穿，揭露最大厚度15.0 m。天然地基承载力特征值为fak=230 kPa，桩极限侧阻力标准值55 kPa，极限端阻力标准值1 300 kPa。

3.3 夯实水泥土桩的设计与施工

根据本工程的地质勘察报告，本工程基础持力层位于第二层，该土层为非自重湿陷性粉土，湿陷深度最深达9 m左右，湿陷等级为Ⅱ级;该层天然地基承载力特征值为180 kPa，而基底反力为320 kPa，显然天然地基承载力达不到设计要求，需对地基进行处理。考虑到场地要持力层范围为湿陷性黄土，且考虑到周边环境条件及工程特性，拟采用夯实水泥土桩+外围2排～3排灰土挤密桩(止水帷幕)这种复合地基进行加固处理。

夯实水泥土桩设计前必须先在实验室进行配比实验。

根据建筑物所在场地的地基土特性，水泥选用P.O32.5普通硅酸盐水泥，土料为场地现有的粉土及粉质粘土，土料中的有机物质含量不得超过5%，不得含有冻土或膨胀土，使用时应过10 mm～20 mm的筛。经现场试验，在混合料最优含水量ωop=17%，即此时配合比为:水泥∶土∶水 =1∶5∶0.74的情况下，达到设计要求提供的水泥土的无侧限抗压强度fcu=4.5 MPa，夯实水泥土桩体强度取28 d龄期试块的立方体抗压强度平均值。

初步设计时，夯实水泥土桩径选用400 mm，桩距1.1 m，根据勘察报告，处理深度暂定桩长8.5 m(根据施工时成桩工艺选用冲击挤密成孔，预留松动层厚度为1 m)，有效桩长7.50 m。此时，桩端持力层进入第3层粉土约1 m，且其下部无软弱下卧层。在基础范围内呈正三角形布桩;又考虑到场地土的湿陷性，在基础范围外扩3排布灰土挤密桩，其布置也为正三角形布置，目的是止水帷幕及护桩作用。

施工工艺采用挤土成孔，选用沉管、冲击的方法。成孔挤密时，选用间隔成批进行跳打，成孔后对夯孔进行及时夯填。夯实机的夯锤质量为2 t。夯锤每次的提升高度为不低于1 m。夯实填料时，每级夯填料不应过多，否则，影响桩体的密实性及均匀性。严禁超厚度及突击填料。一般控制每级送料厚度为50 mm～80 mm。夯填混合料前应将孔底土夯实，有利于发挥桩端阻力，以提高复合地基承载力。夯填桩孔时，选用了机械夯实。桩顶夯填高度应大于设计桩顶标高200 mm～300 mm，垫层施工时应将多余桩体凿除，桩顶面应水平。雨期或冬期施工时，应采取防雨、防冻措施，防止土料和水泥受雨水淋湿或冻结。分段夯填时，夯锤的落距及填料厚度应根据现场试验来确定，混合料的压实系数λc不应小于0.93。在施工过程中，局部孔底的土层含水量较高。

在进行地基处理的大面积施工前，在现场选择了有代表性的地段进行试验或试验性施工。试验结果，试桩的所有参数均符合设计要求。

3.3.1 夯实水泥土单桩承载力标准值的计算通过现场实验确定，水泥土的无侧限抗压强度fcu=4.5 MPa。根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，当无单桩载荷试验资料时，可按式(9.2.6)及式(9.2.7)估算，并取较小值:

根据公式(9.2.7)Ra=(Ap× fcu)/3=(0.125 6 ×4 500)/3=188.4 kN。

根据公式(9.2.6)∑qsi× Li+qap×Ap=0.4×3.14×(15×6.5+25 ×1)+0.125 6 ×1 300=153.86+163.28=317.14 kN。

取二者中的较小值:Ra=188.4 kN，作为夯实水泥土桩的单桩承载力特征值。

3.3.2 面积置换率的确定

根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，面积置换率m=d2/=d2/(1.05s)2=0.42/(1.05 ×1.1)2=0.119 9。

其中，de(等效直径)=1.05s，s为正三角形布置时桩距。

3.3.3 复合地基承载力特征值的确定

根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，复合地基承载力特征值的估算值为:fspk=m×Ra/Ap+β(1－m)fak=0.119 9×188.4/0.125 6+1.0 × (1 －0.119 9)×190=346.85 kPa。

因为施工工艺采用挤土成孔，此处桩间土的承载力折减系数B 取1.0。

经现场载荷试验结果，复合地基承载力特征值为396 kPa，满足设计要求;且所要求测定的全部深度范围内桩间土挤密系数均不小于0.93;桩间土的湿陷系数小于0.015，也满足了设计要求。

3.3.4 止水帷幕——灰土挤密桩的设计

灰土挤密桩布置在基础范围以外2排～3排，其主要作用是止水帷幕及护桩。桩径也取400 mm，桩距1 000 mm，也为正三角形布置。所选材料为3∶7灰土，有效桩长同夯实水泥土桩。灰土挤密桩孔内填料也应且要求测定全部深度范围内桩体及桩间土的干密度、压实系数、挤密系数、桩间土的湿陷系数(应小于0.015)。现场检测，均满足设计要求，取得了较满意的结果。

3.3.5 褥垫层的设计

设置褥垫层，主要是为了调整基底压力分布，使荷载通过垫层传到桩和桩间土上，以保证桩间土承载力的有效发挥。

桩基完成并截桩至设计标高后，再铺300 mm厚碎石褥垫层，垫层材料中不得含有植物残体、垃圾等杂物，所选用的碎石最大粒径不大于20 mm，且铺设厚度应均匀，褥垫层的外扩宽度为300 mm，垫层铺设宜分层进行，且每层铺设应均匀。垫层铺平后应振实或夯实，其夯填度不得大于0.90。

3.3.6 地基处理后的变形计算

夯实水泥土桩复合地基的沉降由复合土层压缩变形与加固区下卧土层压缩变形量两部分组成。计算沉降时仍然采用分层总和法。

根据GB 50007建筑地基基础设计规范的有关规定，计算深度取30 m，又根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ=fspk/fak，经分层总和法算得，建筑物的最大沉降量为76 mm，满足了设计要求。

本工程不存在软弱下卧层。

3.3.7 夯实水泥土桩的质量检验

根据夯实水泥土桩的成桩以及桩体硬化特点，桩的夯实质量的检验在成桩的2 h内进行随机抽取检查。检查数量根据实际情况，一般取总桩数的2%，且不少于6根。检验方法有:取土测定法检测桩体材料的干密度，也可用轻型原锥动力触探法来检测桩体材料的N10击数。本工程是采用的环刀取样法来检测桩体材料的干密度，检测结果，干密度达到了1.60 g/cm3。

成桩后的复合地基工程验收时，采用了单桩与多桩复合地基竖向载荷试验，分别各取3组进行，均满足设计要求。