多种地基处理形式联合设计方法的应用研究

黄河，冯雁波，杨鹏，简廷新，缪俊

（中建二局第一建筑工程有限公司，广东深圳518000）

1 引言

工程建设阶段，地基处理效果关系着整个建筑的质量安全、使用寿命长短。科学的地基处理施工一定要满足上部结构对地基基础提出的要求。近些年，我国建筑行业蓬勃发展，各种新工艺、新技术陆续被开发。地基处理是一门实践性很强的技术，现实应用中应结合地层、承载力的差异，变形要求，施工场区条件等进行选择。各种地基处理技术均有优有弊，在建设一些工程项目时，组合使用不同地基处理方法，能优化基础建设效果，协助施工方节省工程成本，加速建设进程。

2 工程概况

本工程是以高层商业楼，建筑物地下、地上分别有1层、18层，建筑高49.5 m，选用了框架剪力墙结构，建设了筏板基础，基底绝对标高56.90 m，地基承载力设计要求≥250 kPa。

施工场地地面标高52.62～56.93 m，基础持力层范畴不均匀分布：①层人工堆积而成的黏质粉土填土、①1层房渣土、②层黏质粉土与砂质粉土、④层为碎石、⑤1层分布着侏罗系强风化-中风化火山角砾岩。

拟建建筑物各位置对地基变形的要求如下：地基最终沉降量≤30 mm，倾斜≤2°，条基和室内地坪板之间的差异沉降≤10 mm。

3 地基处理设计方案

3.1 方案概述

换填垫层、CFG桩、碎石桩复合地基及强夯法等均是当下施工方处理地基时的常用工法。碎石桩能促进地基土固结过程，但无法大幅度提高地基承载力；CFG桩能弥补碎石桩的不足，但不能对地基土起到较明显的固结作用；换填垫层工法在荷载较小的建筑体、地坪、道路工程等的地基处理领域中有较广泛的应用，处理成效较理想，能创造一定的经济效益；强夯法能明显提升软弱地基的承载能力，在100～200 t/m夯实能量的作用下，通常能获得3～6 m的有效夯实深度。

从经济性、技术性2个方面对比不同地基处理工法的优缺点，本工程决定联合使用CFG桩、碎石桩、换填垫层及强夯法处理地基，具体操作如下[1]：

1）停车楼、车间、办公楼、餐厅处应用CFG桩复合地基处理，有助于增强地基承载力，管控建筑物的变形问题。

2）车间地坪板之下用扩孔碎石桩复合地基处理，增强地坪板范畴承载能力，减少车间各处不均匀变形。

3）基于不同载荷要求，应用配比有差异的灰土换填垫层、强夯法工法处理建筑不同位置基底之上及地坪板范畴，不仅能提升地基承载能力，还能精准地控制沉降差问题。

3.2 CFG桩复合地基设计

1）挖方：当基岩面标高＞55.00 m时，以55.00 m为标准控制挖方底标高；若基岩面标高≤55.00 m，基于基岩面控制挖方底标高。基础范畴中填土①层、①1层，要整体挖除，直至见原状土层。

2）CFG桩地基加固：针对部分基岩埋深偏深的位置，在土方挖掘工序结束后，加强对施工作业CFG桩的变形控制。桩径400 mm，桩中心距1.4 m×1.4 m，作业桩长5.0～6.5 m。作业桩长进到⑤1层的强风化基岩或④层碎石的深度≥50㎝，确保有效桩长≥4.0 m。混凝土强度等级C15。布桩范畴是以30号钻孔为限以东的区域，施工场区验槽确定地基土层是②层粉质黏土的范畴。

3.3 碎石桩复合地基

为确保本工程车间基础与地坪板的差异沉降量符合设计要求，应用柱锤夯扩碎石桩法处理车间地基。碎石桩的主要参数设计情况如下：桩身材料：粒径20～50 mm碎石，桩径540 mm，桩间距1.50 m×1.50 m，保护/有效桩长1.0 m/4.50 m，设计桩长5.4 m，桩顶相对标高-1.0 m，地坪板垫层底/施工作业面相对标高90.3/±0.000 m。

3.4 换填垫层设计

因为地坪板的不同位置的载荷要求存在着差异，为更好地满足建筑体不同位置沉降差＜10 mm的设计要求，于独立基础上部、条形及周围无基础地坪板范畴中，按照荷载设计要求分别用1∶9或2∶8灰土换填垫层的方法处理地基，进而更好地控制建筑体差异沉降情况[2]。

3.5 强夯法

这种地基施工技术处理以石土、碎砂石、粉土及饱和度偏低的黏性土、素填土等为主。具体应用时，其配合应用起重机设备，把10～25 t大吨位夯锤提升到与地面相距10～25 m的高度，随后使其自由下落，结合其自由落体过程中生成的强大夯击能、冲击波共同夯实建筑地基。通过反复采用以上操作，能明显提高地基土质的密实度，增强其承载能力，使地基更加稳定。在具体强夯施工前，要指派工人探查现场地质状况，针对存有砂卵石石夹层的标段要适度提升夯击能量，遇到障碍物时要及时清除掉；对于锤重、落距、夯击遍数等参数，强夯前要通过试夯、测试的方法设计；两遍强夯操作要间隔一定时间，地质条件较好且没有地下水的土层，时间间隔可以为1～2 d，如果是黏土或者冲击土，通常设定为3 d。

4 建筑工程沉降量分析

4.1 测算工具箱中心点沉降量

具体是依照现行规范要求，利用分层总和法进行测算分析。本建筑工程结合现有规范标准[3]依次计算了建筑物地坪板、换填垫层、独立及筏板基础等位置的中心点沉降情况。具体测算结果被统计在表1内[4]。

表1 沉降量计算结果统计

4.2 MI DAS-GTSNX地基沉降数值分析

4.2.1 建模

1）模型范畴

本工程项目结合有关设计图纸对建筑整个区域进行三维立体建模，场区地层、独立及条形基础、换填垫层、碎石桩、CFG桩等均是模型单元。

2）网格规划

具体是应用四面体单元划分了施工场区地层及基础部分，而对碎石桩、CFG桩运用一维梁单元，桩、桩端单元分别进行网格划分。

3）材料本构模型

为基础单元配置了线弹性材料本构模型，且赋予了相对应的钢筋混凝土强度等级参数；下方敷设的碎石桩、CFG桩统一应用了线弹性材料本构模型，并且参照桩体强度的差异性赋予相对应的参数[5]。摩尔-库伦模型仿真模拟了原状土层、换填土，严格依照工程建设前期形成的勘察报告与地基处置设计方案测算出各土层对应的参数。

4）边界与荷载条件

约束模型周边的有限土体X、Y向的位移情况；地面是铰支座，为桩单元统一施加旋转进行约束。关于荷载条件相关问题，将自体持有的重力施加给整个模型，基础上施加了相对应的结构荷载，合理设计了地面超载的程度。

5）模拟工况

在本模型内共计布置了如下5个工况[6]：

工况Ⅰ：激活了开挖施工前的原状土体，科学分析其初始应力，并且对形成的位移量进行清零；

工况Ⅱ：碎石桩与局部桩施工作业时，同步开挖处理施工场区南北两部分；

工况Ⅲ：场地南北2部分与筏板基础的CFG复合桩施工；工况Ⅳ：基础施作以及换填操作；

工况Ⅴ：整体分析施用结构以及地坪荷载，并且还要考虑、重视后续工程结构与室内地坪各自的沉降值及差异性沉降情况。

4.2.2 分析结果

总结本次计算分析情况，利用有限元计算方法模拟了推行联合地基处理方案后，不同建筑物基础各自的沉降量以及室内地坪的沉降量。具体结果如下：

基础底地基、地坪板的最后沉降量分别是5.22～15.8 mm、3.50～15.50 mm，办公楼（C区）是出现最大沉降量的位置。

参照以上模拟计算所得结果，可以认定地基沉降量符合其处理后各位置地基沉降量≤30 mm，不同区域差异沉降量＜10 mm的设计要求。利用数据证实，应用多种地基处理技术联合设计的方法具有较高的可行性，能较好地符合工程设计要求。

4.3 2种计算和实测值的比较分析

对比结果如图1所示[7]。

图1 建筑物沉降量的对比图

观察图1不难发现，利用规范计算法、MIDAS-UTSNX 软件计算所得的建筑物最大沉降量分别是16.79～29.73 mm、13.00～16.71 mm，而施工场区内实测到建筑物的最大沉降量是6.11～17.91 mm。图1内停车楼、车间、餐厅位置应用规范计算法计算出的沉降量值最大，其次是数值分析计算值，实测值最小，只在办公楼一处出现了实测值高于数值分析计算结果的情况。不管应用哪种计算方法，办公楼（C区）均是建筑物最大沉降量位置[8]。

5 结语

当建筑地基形式多样、对地基承载能力提出的要求有差异、差异沉降要求较为严格时，可以联合使用CFG桩、换填垫层及强夯法等多种地基处理技术进行设计，不仅能较明显地提升地基承载能力，还能较好地满足变形控制的要求。采用规范计算法、数值分析法分别计算建筑同一位置的沉降量，并对比分析测算值与实测值，发现数值分析计算所得结果更贴近实测值，其更能清晰地呈现出不同节点沉降量信息，为工程设计提供科学的指导信息，在建筑行业内可以尝试普及使用。