基于强夯的地基处理组合技术应用研究

潘 忱,王迎丰,梅 军,曾华健,张小莉

(1.江苏省岩土工程公司,江苏 南京 210019;2.江苏省地质工程勘察院,江苏 南京 211102)

大型物流仓储地坪在使用过程中对地基承载力及沉降变形有一定要求,尤其是高标准、智能化仓储、高精密叉车或机器人作业仓库,对地面平整度要求较高。针对填土或淤泥质土等软弱地层,若地基处理不到位,仓库地坪在使用荷载作用下将产生较大沉降变形,并出现翘曲变形,影响仓库正常使用。目前,地基处理常用方法为强夯法、预压法、水泥搅拌桩、高压旋喷桩、CFG桩、微型桩[1-5],上述方法在工期、造价及环境影响等方面有一定局限性。

基于强夯法形成的一套地基处理组合新技术,即普通强夯联合CFG桩、孔内强夯碎石桩、孔内强夯碎石桩联合CFG桩等技术[6-11],具有针对性强、施工便捷高效、造价低、节能环保的优点,可处理一定厚度回填土、淤泥质土及有机黏土或泥炭质土夹层等软弱地基。本文从工艺参数、加固机理、工程应用及处理效果4个方面出发,对该组合技术进行介绍,为大型物流仓储软弱地基处理提供技术支撑。

1 技术特点与施工工艺

1.1 普通强夯联合CFG桩技术

1.1.1 加固机理

针对上部为薄层填土下部为一定厚度饱和黏土、淤泥质土、泥炭土等软弱夹层的地基,采用普通强夯联合CFG桩复合地基进行处理。普通强夯处理上部表层素填土,提高其密实度和承载力,同时提高CFG桩在该土层的侧摩阻力;CFG桩穿透软弱夹层,有效减小软弱土层的压缩变形,使地基承载力和沉降满足要求。

将普通强夯与CFG桩联合使用,先进行普通强夯施工,再进行CFG桩施工,形成复合地基。其中普通强夯处理上部厚度小于6 m的填土,CFG桩处理下部10～20 m范围内的有机黏土或泥炭质土软弱夹层。

1.1.2 工艺参数

(1)先施工两遍普通强夯,夯击能量3 000 kN·m,第二遍夯点在第一遍夯点间梅花形内插,夯点间距4 m×4 m,正方形布设。(2)普通强夯施工完成后,以1 000～1 500 kN·m的能量满夯一遍并碾压。(3)施工CFG桩,桩间距3 m×3 m,正方形布设;桩径400 mm,桩长15～25 m,桩端进入持力层2～4 m,桩身材料为水泥、粉煤灰、碎石、石屑加水拌和而成的混凝土(为便于施工可采用C20或C25素混凝土替代)。(4)施工完成后,分层回填碾压至设计标高。

1.2 孔内强夯碎石桩技术

1.2.1 加固机理

孔内强夯碎石桩是利用强夯法加固饱和黏性土或粉土时,在夯坑内不断填入石块、碎石或其他粗粒材料,强行夯入周边软土,并在软土地基中形成大于夯锤直径的碎石桩。一方面,由于碎石桩体为“漏斗状”且桩端进入较好土层,在起置换作用的同时也作为上部建筑的主要承载体;另一方面,碎石桩在强夯过程中,对周围土体进行冲击和挤密,起到加固桩间土的作用。

孔内强夯碎石桩是一种新型强夯置换改进工艺,桩体主要由散体材料构成,在挤密软土的同时形成一个大直径竖向排水通道,加速软土在强夯过程中和夯后的排水固结,提高桩间土强度。能够处理6～10 m厚度的填土及淤泥质土地层。

1.2.2 工艺参数

(1)采用长螺旋钻机或旋挖钻机预成孔,成孔直径800～1 200 mm,孔深6～10 m,桩端进入持力层1～2 m。(2)孔内回填碎石、砖渣或混凝土块等硬质材料,填至孔口或2/3孔深处。(3)采用橄榄锤以800～1 500 kN·m的能量分次夯击,每次3～5击,并不断补料重复夯击,达到设计击数后收锤,成桩直径1.4～1.5 m。(4)两遍布点,第二遍夯点在第一遍夯点间梅花形内插,夯点间距4 m×4 m,正方形布设。(5)大面积成桩后以1 000～1 500 kN·m的能量满夯一遍并进行碾压,分层回填碾压至设计标高。

1.3 孔内强夯碎石桩联合CFG桩技术

1.3.1 加固机理

针对上部为填土下部为一定厚度饱和黏土、淤泥质土、泥炭土等软弱夹层的地基,采用孔内强夯碎石桩联合CFG桩复合地基进行处理。孔内强夯碎石桩处理上部素填土,大幅提高表层素填土密实度和承载力,同时也增大CFG桩的侧摩阻力,为优化CFG桩的桩径和桩点间距提供有利条件;CFG桩穿透软弱夹层,有效减小软弱土层的压缩变形,使地基承载力和沉降满足要求。

孔内强夯碎石桩与CFG桩联合使用,先施工孔内强夯碎石桩,再施工CFG桩,形成复合地基。其中孔内强夯碎石桩处理上部6～10 m厚的填土及淤泥质土地层,CFG桩处理下部10～20 m范围内的有机黏土或泥炭质土软弱夹层。

1.3.2 工艺参数

(1)第一遍先施工孔内强夯碎石桩,夯点间距4 m×4 m,正方形布设,其余施工参数与前述一致。(2)强夯碎石桩施工完成后,以1 000～1 500 kN·m的能量满夯一遍并碾压。(3)在碎石桩间梅花形内插CFG桩,桩点间距4 m×4 m,正方形布设;桩径400 mm,桩长15～25 m,桩端进入持力层2～4 m。(4)孔内强夯碎石桩和CFG桩全部施工完成后,分层回填碾压至设计标高。

2 工程概况

2.1 工程地质条件

项目位于昆明市呈贡新城马金铺片区,场地总占地面积118 900.58 m2,一期工程(1、2号仓库及综合楼)用地面积63 696.98 m2,二期工程(3、4号仓库)用地面积55 204 m2。根据勘察资料,地层分布自上而下依次为:

(1)素填土:松散～稍密,可塑～硬塑,稍湿;填埋时间低于5 a,层厚6.80～1.50 m,全场地均有分布。

(2)耕土:软塑～可塑,湿;层顶埋深6.50～1.50 m,层厚0.90～0.50 m,全场地局部有分布。

(3)黏土:可偏硬塑,湿;中压缩性,局部高压缩性;层顶埋深8.50～2.20 m,层厚8.90～0.70 m,全场地均有揭露。

(4)③-1黏土:硬塑为主,局部可塑,湿,中压缩性;层顶埋深10.50～4.10 m,层厚7.20～1.00 m,全场地大部分地段有揭露。

(5)③-2有机质黏土:软～可塑,湿,高压缩性为主,局部中压缩性;层顶埋深9.10～5.40 m,层厚2.80～0.80 m,全场地部分地段有揭露。

(6)④黏土:可偏硬塑,湿,中压缩性为主,局部夹高压缩性;层顶埋深19.60～7.80 m,层厚11.80～0.80 m,全场地局部有分布。

(7)④-1泥炭质土:软～可塑,湿,高压缩性为主,局部中压缩性;层顶埋深21.70～8.20 m,层厚7.80～0.60 m,全场地大部分地段有揭露。

(8)⑤黏土:硬塑为主,局部可塑,湿,中压缩性;层顶埋深30.20～18.50 m,层厚8.30～1.00 m,全场地均有揭露。

(9)⑤-1圆砾层:中密,局部密实,湿;层顶埋深28.60～20.60 m,层厚6.60～6.60 m;全场地均有揭露。

拟建场地内存在一条宽约10～20 m的灌溉沟渠,与场地地下水存在一定水力联系。经勘测,所有钻孔均观测到稳定地下水,测得钻孔地下水位初见水位在1.60～4.50 m,稳定水位在2.00～5.50 m。场地内地下水主要赋存于人工填土(素填土)、圆砾层及泥炭质土层中,为场地内主要含水层,除圆砾层透水性较强外,其余土层均为弱或不透水层,类型为第四系上层滞水及微承压孔隙型潜水,其富水性和地下水活动主要受第四系松散层孔隙及地形控制。

2.2 物理力学参数

各土层的主要物理力学参数见表1。

表1 各土层主要物理力学指标参数表

3 地基处理方案

3.1 地基处理要求

(1)库房、室外及道路地基承载力特征值不小于100 kPa;回填区压实度不小于0.94。

(2)按建筑地基基础规范规定沉降差控制在3/1 000内。

(3)地基处理施工不能对项目周边大直径污水管、污水处理厂和在建药厂产生不利影响。

3.2 地基处理方案

场地各区域地基处理方案见表2。

表2 场地各区域地基处理方案汇总表

4 地基处理效果

4.1 孔隙水压力

在孔内强夯碎石桩施工区地表下2 m和4 m位置埋设孔压计,监测孔内强夯碎石桩施工过程中土体超孔隙水压力的变化情况,绘制时间-超孔隙水压力变化曲线见图1、图2。

图1 孔内强夯碎石桩区2 m埋深超孔隙水压力变化

图2 孔内强夯碎石桩区4 m埋深超孔隙水压力变化

由图1、图2可知:每遍强夯施工后埋深2 m和4 m处桩间土超孔隙水压力陡增且增幅较大,其中埋深2 m处超孔隙水压力最大增幅约14～17 kPa,埋深4 m处超孔隙水压力最大增幅约24～28 kPa;孔内强夯碎石桩施工后,埋深2 m和4 m处桩间土超孔隙水压力消散时间为5～7 d。上述结果说明孔内强夯碎石桩在施工过程中对桩间土挤密效果较为明显,同时在桩体形成的竖向排水通道作用下,挤密后桩间土的超孔隙水压力消散较快,加快土体夯后固结,反映出孔内强夯碎石桩工艺的可行性和有效性。

4.2 地基承载力

分别在普通强夯联合CFG桩、孔内强夯碎石桩和孔内强夯碎石桩联合CFG桩3个地基处理区域随机选点进行平板载荷试验,结果见图3～图5。

图3 普通强夯联合CFG桩区平板载荷试验P-S曲线图

图4 孔内强夯碎石桩区平板载荷试验P-S曲线图

图5 孔内强夯碎石桩联合CFG桩区平板载荷试验P-S曲线图

由图3～图5可知,平板静载试验的沉降曲线平稳,说明未出现地层剪切破坏。规范要求取s/b等于0.01所对应的压力值,但不应大于最大加载量的一半,由此可得出普通强夯联合CFG桩、孔内强夯碎石桩和孔内强夯碎石桩联合CFG桩地基承载力特征值大于设计要求的100 kPa。上述结果说明3种地基处理技术实施后地基承载力特征值均可达到设计要求,处理效果良好。

4.3 工后沉降

工程竣工后,分别在普通强夯联合CFG桩、孔内强夯碎石桩和孔内强夯碎石桩联合CFG桩区域布点进行工后沉降观测,结果见图6～图8。

图6 普通强夯联合CFG桩地基时间-沉降曲线

图7 孔内强夯碎石地基时间-沉降曲线

图8 孔内强夯碎石桩联合CFG桩地基时间-沉降曲线

由图6～图8可知:在仓库荷载作用下(30～50 kPa),普通强夯联合CFG桩地基使用4.5 a后沉降量在12～16 mm且逐渐趋于稳定;孔内强夯碎石桩地基使用4.5 a后沉降量在11～14 mm且逐渐趋于稳定;孔内强夯碎石桩联合CFG桩地基使用4.5 a后沉降量在14～17 mm且逐渐趋于稳定。上述结果说明3种地基处理技术实施后5 a内工后沉降小于20 mm,满足仓库正常使用要求,处理效果良好。

5 结论

(1)以昆明某物流仓库为例, 3种地基处理组合新技术应用效果良好。

(2)3种处理组合技术适用于上部填土(淤泥质土)厚度小于10 m、上部填土(淤泥质土)厚度小于10 m且下部10～20 m范围内为软弱夹层等地层的处理。

(3)孔内强夯碎石桩在挤密桩间土的同时形成竖向排水通道,加速孔隙水压力消散;3种组合技术处理地基后承载力特征值均大于100 kPa,地基5 a累计工后沉降均小于20 mm。