素土挤密桩在处理厚湿陷性粉土中应用

金灿国，王建华

（1、广东省建筑设计研究院 广州510010；2、清华大学建筑设计研究院有限公司 北京100012）

1 工程概况

某工程位于山西省太原市小店区，学府东街以北，太堡路以东。包括6#～9#四栋高层住宅，C4#楼（商业）、D2#（地下车库）共6 个子项（见图1），总建筑面积约12.4万m2，如图1所示，其中6#楼32层，总高96.25 m；7#楼31 层，总高93.30 m；8#楼29 层，总高95.80 m；9#楼31层，总高95.80 m；地下车库顶板上覆土厚2 m；每栋楼均设2 层地下室。住宅采用剪力墙结构，基础采用墙下布桩承台，地下车库采用框架-剪力墙结构，基础采用桩基础。承台底绝对标高802.35～804.75 m。

图1 住宅和地下车库平面布置Fig.1 Layout Plan of Residence and Underground Garage

2 地质条件

图2 典型工程地质剖面Fig.2 Typical Engineering Geological Profile

表1 各土层参数指标Tab.1 Parameters of Each Soil Layer

表2 桩基设计参数Tab.2 Design Parameters of Pile Foundation

图2为场地内典型工程地质剖面，各土层参数指标详见表1，桩基设计参数详见表2，天然地基综合评价及全部消除湿陷性时湿陷处理建议深度详见表3。拟建场地未见地下水，地基土对混凝土具微腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。

表3 天然地基综合评价及湿陷处理建议深度Tab.3 Recommended Depth of Comprehensive Evalua⁃tion and Collapse Treatment of Natural Foundation

3 地基处理方案

依地勘报告可知，第②层湿陷性粉土、第③层湿陷性粉土，为本场地自重湿陷土层，6#、7#及9#楼地基湿陷等级为Ⅲ级，8#楼地基湿陷等级为Ⅳ级，C-4#楼地基湿陷等级为Ⅱ级，D-2#楼（地下车库）地基湿陷等级为Ⅲ级～Ⅳ级。

《湿陷性黄土地区建筑规范：GB 50025-2004》［1］第6.1.1条规定，甲类建筑应消除地基的全部湿陷性或采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层，或将基础设置在非湿陷性黄土层上。

本项目主楼地基基础落在第2 层湿陷性粉土层，地基承载力特征值为145 kPa，下卧层为第3 层湿陷性粉土层，地基承载力特征值为180 kPa，湿陷性粉土评价为自重湿陷Ⅲ级或Ⅳ级。本项目基底反力最大的楼栋为6#楼，地上32 层，地下2层，1 m 厚的基础，假定标准层荷载15 kN∕m2，地下层荷载20 kN∕m2，基础容重25 kN∕m3；高层住宅剪力墙结果，基础第一方案采用筏板基础，基础埋深7 m。

基底反力标准值初估为：32×15+2×20+1×25=545 kPa；修正后地基承载力特征值：fak=145+0.3×20×（6-3）+1.5×20×（7-0.5）=358 kPa＜545 kPa。

采用天然地基承载力不能满足设计要求，需要进行地基处理或采用桩基础解决承载力问题；［2］同时6#～9#楼基底下湿陷性粉土厚15～19 m，需要解决土层湿陷性问题，解决湿陷性问题有3种方法：采用复合地基消除湿陷性、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土层上；故采用复合地基和桩基础均能解决承载力和土层湿陷性：2种问题。

首先考虑采用复合地基，根据《建筑地基处理技术规范：JGJ 79-2012》［3］可知，复合地基承载力不宜大于天然地基承载力的3 倍，145×3=435 kPa＜545 kPa，复合地基无法满足承载力要求，故考虑采用桩基础，为了最大化提高桩使用效率，桩径暂取700 mm（桩径尽量小于800 mm，避免因为大直径桩进行桩基承载力折减降低桩使用效率），桩长取40 m（保证长径比小于60，避免桩曲屈），桩端持力层为粉土，桩端持力层极限端阻力标准值1 600 kPa，偏小，属于端承摩擦桩，经计算单桩承载力特征值1 200 kPa，根据《建筑桩基技术规范：JGJ 94-2008》［4］，桩间距取3 倍的桩径，单桩受荷标准值为2.1×2.1×sin60°×545=2 403 kPa ＞1 200 kPa，仍不满足地基承载力要求；经过分析发现由于湿陷性粉土层厚15～19 m，这部分土层不仅不能提供正摩擦阻力，还会产生负摩阻力，故我们通过采用素土挤密桩的方式处理湿陷性，湿陷性粉土层桩侧负摩阻力转化为桩侧正摩阻力，此时计算单桩承载力特征值为2 300 kPa ＞2 196 kPa，满足地基承载力要求，故第一种基础方案主楼采用满堂桩筏基础，同时采用素土挤密桩消除湿陷性［5］，提高单桩承载力；车库采用柱下桩基+防水板，但不消除土层湿陷性。

经过与甲方沟通，当地后注浆技术比较成熟，甲方建议采用后注浆工艺提高单桩承载力特征值，减少桩数；在甲方的建议下，我们仍采用素土挤密桩的方式处理湿陷性，同时结合桩侧桩端后注浆及干作业的施工方式进一步提高单桩承载力［6］，经计算此时单桩承载力特征值可达3 500 kPa，基础型式可由满堂桩筏基础改为联合承台桩基础+防水板，同时减少桩数，如图3 所示；车库仍采用柱下桩基+防水板，不消除土层湿陷性的方案；此种方案作为第二方案供甲方比选。

图3 6#楼桩基布置示意图Fig.3 Pile Foundation Layout of Building 6

甲方预算部门经过比选，第二种基础方案省近1 000万元，选择第二种基础方案更为安全经济合理。

本工程主楼6#～9#楼参考地勘建议，根据地方经验，采用素土挤密桩消除地基土层湿陷性，土挤密桩桩径依经验取0.40 m，正三角形布置，桩体材料为素土，压实系数不宜小于0.97；依据文献［3］第7.5.2 条，桩孔按照等边三角形布置，ρdmax及ρd由地勘单位提供，ηc取0.95，桩孔间距布置估算如下：

式中：s为桩孔之间的中心距离（m）；d为桩孔直径（m）；ρdmax为桩间土的最大干密度（t∕m³）；ρd为地基处理前土的平均干密度（t∕m³）；ηc为桩间土经成孔挤密后的平均挤密系数，不宜小于0.93。

如表4所示，经过估算后桩间距取0.90 m；主楼基底下湿陷性粉土厚16～19 m，最初素土挤密桩桩长取19 m，由于施工机械及施工成本方面考量，甲方建议桩长取14 m；查地勘报告，勘察未见地下水，且14 m以下湿陷性系数很小［7］，经复核14～19 m 此范围自重湿陷量小于5 mm，对桩基承载力影响极小，故最终选择素土挤密桩桩径取0.40 m，桩距0.9 m，桩长14 m，同时采用2种措施防止水进入湿陷性土体内［8］：

⑴主楼及地下车库均设置防水板，防水板下均设置500 mm 厚3∶7 灰土垫层，压实系数不小于0.95；防止地下室内生活用水渗入土体内。

⑵在场地周圈采用直径为400 mm 的封闭桩，桩长为18 m，二排桩相切错位布置，桩长螺旋钻机成孔，防止场地外的水进入场地内。

表4 估算挤密桩间距Tab.4 Estimated Spacing of Compaction Piles

地基处理施工前，在现场选择有代表性地段进行试验或试验性施工，验证消除湿陷性的效果，再进行地基处理施工。

4 主楼地基处理后土层湿陷性检测结果

4.1 桩间土检测结果

4.1.1 桩间土湿陷性

根据4个探井（每个主楼下取一个探井）在桩长深度范围间隔1.0 m 所取土样进行湿陷性试验，结果如表5所示。

表5 湿陷性检测结果Tab.5 Test Results of Collapsibility

4.1.2 桩间土最小挤密系数

各探井桩间土最小挤密系数评价如表6所示。

表6 桩间土最小挤密系数Tab.6 Minimum Compaction Coefficient of Soil between Piles

4.2 桩体土检测结果

根据14 个桩体探土样的土工试验结果，各探井桩体土压实系数平均值评价如表7所示。

表7 桩体土压实系数Tab.7 Compaction Coefficient of Pile Soil

4.3 小结

⑴根据4个探井所取桩间土样的土工试验结果，在桩长深度范围内有3 个土样未消除湿陷，其余土样均消除湿陷，主楼桩基均不考虑桩顶1 m范围承载力。

⑵桩间土最小挤密系数平均值为0.95～0.99，满足规范和计算取值要求。

⑶桩体压实系数如表7所示，压实系数平均值为0.96～0.98，满足规范要求。

5.1 桩基检测

单桩竖向抗压静载荷试验，每栋楼均设有3 个单桩竖向抗压静载荷试验。

以7#楼为例，单桩竖向抗压静载荷试验现场共测试3 个载荷点，分别为ZH-1，ZH-2，ZH-3；具体设计参数和试验检测参数如表8、表9所示。

根据3根试桩的单桩竖向抗压静载荷试验结果，依据《建筑基桩检测技术规范：JGJ 106-2014》［9］第4.4.2条判定，结果如表10所示。

根据3 根试桩的单桩竖向抗压静载试验结果，依据文献［9］第4.4.3条规定：本批试桩（有效桩长41.0 m）的单桩竖向抗压极限承载力算术平均值为8 055 kN，极差为145 kN，其极差不超过平均值的30%，故取算术平均值8 055 kN 为本批试桩（有效桩长41.0 m）的单桩竖向抗压承载力极限值。大于设计要求的单桩竖向抗压承载力极限值7 200 kN，满足设计要求。

5.2 沉降观测结果

5 桩基检测及沉降观测结果

表8 设计参数Tab.8 Design Parameters

表9 试验检测参数Tab.9 Test Parameters

目前该小区各住宅楼及地下车库均已封顶，后浇带已封闭。现仍以7#楼为例，给出沉降观测结果。高层建筑沉降发展一般经历3 个阶段，即自重应力阶段、附加应力阶段和恒应力阶段，而自重应力阶段加附加应力阶段的沉降称为施工沉降。由表10 可知试验桩沉降值最大14.17 mm，计算沉降和施工沉降如表11所示，计算沉降，参考文献［10］，可认为主体封顶时完成的沉降量占最终沉降量70% 左右，因此预估本楼的最终沉降不超过18 mm，满足规范要求。

表10 单桩竖向抗压静载荷试验结果Tab.10 Test Results of Vertical Compressive Static Load of Single Pile

表11 沉降计算及观测Tab.11 Settlement Calculation and Observation

6 结论

结合在较厚湿陷性粉土上建设高层住宅这一工程实例，得出以下结论：

⑴本项目经过前期基础方案比选，采用素土挤密桩的方式处理深厚湿陷性粉土，同时结合桩侧桩端后注浆及干作业的施工方式，可以大幅度的提高单桩承载力，减少桩数，主楼基础型式可由满堂桩筏基础优化为联合承台桩基础+防水板，经甲方预算部门估算可节省近1 000万元。

⑵本项目采用2 种措施防止水进入湿陷性土体内：①主楼及地下车库均设置防水板，防水板下均设置500 mm 厚3∶7 灰土垫层，压实系数不小于0.95，防止地下室内生活用水渗入土体内；②在场地周圈采用直径为400 mm 的封闭桩，桩长为18 m，二排桩相切错位布置，桩长螺旋钻机成孔，防止场地外的水进入场地内。

⑶当湿陷性土层较厚时，素土挤密桩较长，基于施工机械及施工成本的考量，较深处土层湿陷性系数很小，自重湿陷量也很小，可以不处理，经湿陷性检测结果表明，四处探井处1 m 处外，均消除湿陷性，效果明显。

⑷对单桩进行竖向抗压静载荷试验，试验结果证明地基承载力及变形均能满足设计要求，且试验结果均好于计算结果；目前已封顶主体的沉降观测结果亦均小于计算结果。因此，在较厚湿陷性土中采用素土挤密桩消除湿陷性+后注浆+干作业施工可大幅度提高单桩承载力，由此证明这种处理方法是安全合理的，且该方法能够减少桩数、提高施工速度、降低成本等优点，可作为类似地质条件下地基基础处理方式之一。