施工顺序对软土地坪复合地基的影响探讨

2021-03-02魏海涛

岩土工程技术 2021年1期

魏海涛蔡智

(中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098)

0 引言

近年来，沿海地区工业厂房、机场建设步伐加快，建设用地多为软土地基，地层具有承载力较低、高压缩性的特点。一般来说，设计地坪标高往往高于自然地面，建设初期需要回填土方至一定的标高。大面积地坪后期填土和使用荷载引起的附加荷载沿深度衰减缓慢，影响深度较大，因此变形控制是个难点。

近海软土区域的地坪地基常用的处理方式有换填垫层、强夯或强夯置换、预压法、复合地基及结构地坪等。其中水泥土搅拌桩复合地基是使用频率相对较高的一种处理方法[1-2]，该法在有效提高地基承载力的同时，增大搅拌范围内的变形模量并能有效控制搅拌范围内的沉降。但是受到工艺条件、工艺流程和施工管理水平等的影响，水泥土搅拌桩处理的软土地坪地基也出现了不少问题[3-4]。

众多近海软土地区的工业厂房和机场机坪工程实践表明，对于场地原地面低于设计标高的地坪工程，除了水泥土搅拌桩分项本身的设计、施工质量以外，后填土压实、后填土与水泥土搅拌桩的处理先后顺序也是影响地基处理效果的重要因素[5]。

结合天津地区工程项目，对水泥土搅拌桩和后填土施工顺序对地基处理效果的影响进行探讨。采用数值模拟方法，对不同填土厚度下两种工况的地基沉降进行计算，验证了前述分析结论，为合理设计方案的确定提供了重要的参考依据。

1 工程概况及工程地质条件

某工业厂房项目位于天津空港物流加工区，本工程三栋单层大跨厂房单体面积较大，均不小于15000 m2，厂房主体采用框架混凝土结构，基础采用桩基础或独立柱基形式。考虑到工业装配厂房对地坪的变形、平整度要求，需要对室内外地坪地基进行处理以控制沉降和差异沉降。

建设场地地形平坦，勘察深度范围主要地层如下：黏土②层，软塑—可塑；淤泥质黏土③1层，流塑—软塑状，局部夹淤泥质粉质黏土薄层；粉质黏土④层，可塑，局部夹黏土和粉土薄层。典型地质剖面见图1,主要地层物理力学参数见表1。

图1 典型地质剖面图

表1 地层物理力学参数

拟建场地浅部地下水为潜水，静止水位埋深2.0～2.4 m。地下水对混凝土结构有弱腐蚀性，在干湿交替的情况下对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性。

2 地坪地基处理

2.1 地坪地基处理设计方案

本工程场地平均高程2.45 m，地坪设计标高为4.75 m，考虑地坪板结构层0.3 m，整体回填土厚度约2.0 m，回填材料以粉质黏土为主。设计地坪使用荷载50～70 kPa，要求地基处理后承载力不低于100 kPa，工后沉降不大于100 mm。根据地坪对处理地基的要求，综合工程工期及造价，总体上拟采用水泥土搅拌桩复合地基处理方案。

水泥土搅拌桩复合地基设计参数：设计桩径500 mm，桩间距1500 mm，正方形布置，桩长不小于12.0 m，并保证桩端进入粉质黏土④层不小于1.0 m，桩身水泥掺量不小于15%，水泥土90 d立方体抗压强度不小于1.5 MPa。

回填土设计参数：回填土料采用粉质黏土，有机质含量不大于5%，要求控制填料最优含水量，现场以“手捏成团，落地为花”控制，分层回填厚度不大于0.3 m，分层压实系数不小于0.94。

原设计复合地基处理施工工序：抽水清表，整平处理后，进行水泥土搅拌桩施工，水泥土搅拌桩分段检测、验收合格后，进行回填土碾压处理。

2.2 地坪地基处理效果及原因分析

本工程1#、2#厂房先期施工，按照原设计工序进行施工，回填土期间，由于工期和场地道路条件，3#厂房区域一并完成了场地回填土处理，水泥土搅拌桩在回填土检测合格后施工。工程整体施工完成投入使用1年后，1#、2#厂房地坪局部出现了沉降开裂，见图2，而同期投入使用的3#厂房地坪未见明显差异沉降，使用状况良好。

图2 局部地坪表面开裂

由于区域沉积地层较为稳定，1#、2#、3#厂房范围地层差别较小，各分项施工均采用同种工艺，主要区别在于回填土和水泥土搅拌桩施工顺序不同。根据现场调查，产生变形的地坪存在填土下沉脱空的现象，局部水泥土搅拌桩桩顶断裂、倾斜。分析认为产生不均匀沉降变形的主要原因，除回填土的压实效果不佳外，回填土碾压施工过程对部分水泥土搅拌桩桩体产生了一定的扰动，局部形成不了完善的复合地基，从而导致地坪地基在使用阶段产生不均匀沉降。

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3 基于后填土与水泥土搅拌桩施工顺序的两种工况分析

鉴于以上分析，有必要对后填土与水泥土搅拌桩施工顺序进行比较分析。对于原地面低于设计地坪标高的条件，通常情况下，有两种地基处理思路，一种是先进行水泥土搅拌桩施工，然后再进行回填土施工，以下简称工况一，如图3所示；另一种思路是先进行压实回填土施工，检测合格后，进行水泥土搅拌桩施工，以下简称工况二，如图4所示。

图3 工况一先搅拌桩施工后填土

图4 工况二先填土后进行搅拌桩施工

3.1 两种工况施工对比分析

从施工的角度分析，工况一优点是可以快速进行搅拌桩施工，上部回填材料选择性大，可以采用山皮石、建筑垃圾等易压实的材料。缺点是水泥土搅拌桩施工后，后期回填土的施工工艺选择性小，在回填土运输、回填、碾压过程中可能对已有的搅拌桩桩体产生不可逆的破坏，且上部回填土的质量直接影响地坪地基的承载力及变形。

工况二考虑优先进行回填土施工，工艺上除了分层压实外，可以采用强夯、强夯置换等工艺，对上部回填土料进行压实处理的同时，对原软弱地基产生动力加固的效果；回填土施工完成后，水泥土搅拌桩施工期间，大型设备的行走，实际上对上部回填土也有二次压实的效果。但由于后期需要进行搅拌桩施工，对填料粒径有一定的限制。

3.2 两种工况设计对比分析

按照《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)的要求，水泥土搅拌桩复合地基承载力应按照式(1)进行计算。

(1)

式中：λ为单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值；Ra为单桩承载力特征值，kN；fsk为桩间土承载力特征值，kN；β为桩间土承载力发挥系数；m为面积置换率；Ap为桩截面面积，m2。

一般情况下，软土区水泥土搅拌桩单桩承载力由桩身强度控制，因此置换率、桩间土承载力fsk对复合地基承载力计算影响较大。工况一复合地基承载力应满足不小于地坪使用荷载+填土自重荷载，即便考虑大面积硬壳层作用下软土临塑荷载提高的作用[6]，计算置换率相对较大。而工况二复合地基承载力应满足不小于地坪使用荷载，填土经过处理后作为桩间土，承载力fsk相对工况一略高，因此计算置换率相对工况一偏小，当然考虑硬壳层作用下，下卧软土层的地基承载力也需要经过验算。

水泥土搅拌桩复合地基沉降计算包括搅拌桩加固复合土层的平均压缩变形与桩端下未加固土层的压缩变形，可分别按复合模量法和分层总和法进行计算。

(2)

如不考虑施工顺序，公式(2)附加压力P0取地坪使用荷载准永久组合，两种工况计算沉降差主要源自填土层是否为复合土层，工况一计算沉降要略大于工况二。

鉴于软土地基固结沉降与加载、时间关系的特点[7]，软土地坪复合地基沉降计算不应忽略施工顺序的影响。在工况二条件下，由于回填土先行施工，而大面积地坪地基水泥土搅拌桩施工工期较长，对于软土地基来说，尤其是场地表层存在欠固结填土的情况下，相当于堆载预压的过程，因此工况二比工况一施工期沉降和总沉降要大，但工后沉降相对小，而我们考察地坪地基处理效果，往往更多地关注工后沉降，也就是在地基处理完成后，地坪使用期的沉降。

3.3 两种工况数值分析对比

为了进一步验证两种工况下地基处理效果的不同，在该案例的基础上，采用GEO5有限元--固结分析模块对两种工况进行数值计算分析。

为了便于比较，模拟假设条件为：(1)不考虑两种工况条件下填土的压实效果的差异；(2)水泥土搅拌桩置换率、软土置换深度一致；(3)两种工况条件下，水泥土搅拌桩和回填土分项施工期一致，地基处理总工期按照75天计。数值计算的参数详见表1。限于篇幅，选取最直观的竖向变形特征指标进行分析。两种工况30年总固结沉降云图见图5、图6。经过分析计算，工况一地坪中心最大总沉降177.8 mm，工后沉降104.5 mm，工况二工后沉降地坪中心最大总沉降220.6 mm，工后沉降79 mm。计算结果与3.2节分析基本一致。