多方案联合处理土岩组合地基效果研究*

吴仁广 王东 欧明喜

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

土岩组合地基是指在建筑地基主要受力层范围内，下卧基岩表面坡度较大、石牙密布并有出露或大块孤石或个别石岩出露的地基［1］。我国西南地区存在较多的岩溶强发育区，这种半岩半土的地质条件给房屋建筑的地基设计和施工带来了诸多困难，土岩组合地基的设计难题主要出现在土岩接触面附近的差异沉降难以控制。目前对于半岩半土地基的处理，国内外也有很多学者开展了相关的研究［2-5］，多数研究工作者通常采用单一常规的地基处理方式进行加固处理，即只对深厚土层进行加固处理，这种处理方式在大多数情况下可以使地基满足整体沉降的要求，但是因为基岩上部仍存在一定厚度的土层，若不进行一定的加固处理措施，会使深厚土层和基岩上部土层存在较大的刚度差，可能导致基岩陡坎处附近产生比较大的差异沉降。为了解决土岩组合地基的不均匀沉降问题，需要进行刚度调平，从而减小地基的不均匀沉降。

通过大量总结前人对土岩组合地基的处理方法，以某岩溶地区的建筑工程为背景，本文提出采用CFG桩、旋挖桩和换填垫层法相结合的地基处理方法，拟减小土岩组合地基的不均匀沉降。通过结合现场的地质情况，针对由混砾石黏土、粉土、粉质黏土及灰岩组成的土岩组合地基，对深厚土层分别采用CFG桩和旋挖桩进行加固，而基岩上部的浅层地基土则采用换填垫层的方法进行处理。通过这种方式调节土岩分界面两侧地基土体的刚度，使其刚度差异减小，从而使得基岩陡坎处附近的差异沉降减小，满足建筑地基的不均匀沉降要求。

1 工程概况

1.1 工程简介

某市拟建一栋城市商业综合体，高23.3 m，地上8 层，地下3 层（深11.1 m），主体采用框架结构体系，基础形式采用筏板基础，地基基础设计等级为甲级，设计要求地基的最大沉降量不得超过建筑高度的1/300，即地基的最大沉降量不能超过77.67 mm。因拟建商业楼的地基为土岩组合地基，其在土岩分界面处的刚度差异较大，后期可能造成过大的差异沉降从而导致建筑物无法满足安全使用的要求。原设计方案有2 种地基处理方案，方案1 为在土岩组合地基上全部使用CFG桩进行加固，形成CFG桩复合地基；方案2 为在整个土岩组合地基使用旋挖转孔灌注桩进行加固，旋挖钻孔灌注桩在有岩区域入岩深度不小于4 m。采用上述2 种方案处理的土岩组合地基能增加地基的承载力和提高地基的稳定性，但由于土岩组合地基的基岩上部土层厚度不大，对于此部分土体是否有必要全部使用CFG 桩或旋挖桩加固，从经济实用性角度分析，对土岩组合地基基岩上部厚度较小的土体进行换填处理是否同样也能达到刚度调平的目的，因此本文提出不同于单一的地基处理方式的基于CFG 桩、旋挖桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基处理方案，拟解决因地基刚度突变而引起的不均匀沉降问题。

1.2 工程地质条件

拟建场地岩溶发育等级为岩溶强发育区，揭露灰岩，部分地段缺失，其埋深起伏较大，局部形成了较陡的临空面。根据周边地质资料和本工程场地钻孔揭露的土壤特性，建筑场地土层主要为第四系冲、湖积（Qa1+1）层粉土和粉质黏土，下伏基岩主要为二叠系阳新组灰岩（P1y2）。在进行有限元计算分析时，地基土体弹性模量的选取对模拟结果准确性的影响至关重要，梁发云［6］通过大量总结前人的研究成果，基于多孔介质理论，综合考虑多种因素的影响，得到土体变形模量与室内压缩模量比值基本位于1.2~2.5，经综合考虑，本文地基土体的弹性模量取值为1.5 倍的压缩模量值。

地基岩土层的承载力特征值、黏聚力、内摩擦角等相关数据是根据原位测试、理论计算和工程经验综合分析确定的，对于地勘报告中未给出设计参数的部件及岩土体，参照《工程地质手册》（第五版）及《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）进行取值，拟建场地各岩土层及各结构部件的主要物理力学设计参数建议值如表1 所示。

表1 岩土层及桩体材料参数

2 有限元计算

2.1 有限元模型的建立

为了研究使用CFG 桩、旋挖桩和换填垫层法联合处理土岩组合地基的适宜性，使用ABAQUS有限元分析软件建立桩土复合地基模型。分别建立天然地基模型、深厚土层使用CFG 桩加固而基岩上部土层未经处理或采用0.5 m 厚粗砂换填处理的土岩组合地基模型、深厚土层使用旋挖桩加固而基岩上部土层未经处理或采用0.5 m 厚粗砂换填处理的土岩组合地基模型，对比分析其处理土岩组合地基不均匀沉降的效果，研究使用CFG 桩、旋挖桩和换填垫层法联合处理土岩组合地基不均匀沉降的规律。

取基岩陡坎处局部具有代表性的3×6 颗多桩模型进行模拟分析，在建立模型时因CFG 桩和旋挖桩的桩距不同，在保证相同桩数的情况下，使用旋挖桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基的处理区域要大于使用CFG 桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基的处理区域，因此以下模型的筏板尺寸、换填垫层尺寸、地基岩土体尺寸和边桩距筏板边缘距离括号里的数字代表使用旋挖桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基各部件的尺寸。所建有限元模型部件包括地基岩土体、桩体、筏板、褥垫层、混凝土垫层及换填垫层6 个部分，其中褥垫层尺寸为17 m×4 m×0.2 m（长×宽×厚），筏板尺寸为17（27.2）m×4（6.4）m×0.5 m（长×宽×厚），CFG桩身直径为0.5 m，桩长为15 m，桩距为1.5 m，旋挖桩身直径为0.8 m，桩长为15 m，桩距为2.4 m，换填垫层尺寸为8.5（13.6）m×4（6.4）m×0.5 m（长×宽×厚），混凝土垫层尺寸为27.2 m×6.4 m×0.2 m（长×宽×厚），边桩距筏板边缘距离为0.5（0.8）m。岩土体边界尺寸的取值原则为计算的结果不随边界尺寸的变化而变化即可，经试算，将基岩土体的长度方向取筏板长度方向的3倍，宽度方向取筏板宽度方向的5 倍，深度方向取不小于桩长的2 倍即可；最终确定地基岩土体的尺寸为51（81.6）m×20（32）m×32 m（长×宽×厚），此时地基岩土体的边界尺寸对计算结果的影响已经可以忽略不计。为使所建立的有限元模型更加贴近实际工程，地基土层的本构关系采用弹塑性Mohr-Coulomb 模型；地基岩层、桩体、筏板、混凝土垫层、褥垫层及换填垫层本构关系采用线弹性本构模型。由于拟建模型的CFG 桩和旋挖桩的桩距不同，导致其模型大小有所区别，其中CFG 桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基的模型平面布置图及点位分布图如图1所示。

图1 基础平面布置及点位分布（单位：mm）

2.2 荷载及边界条件

为提高模型的计算精度，模型中各部件之间均采用“表面-表面”的离散化方法模拟各部件之间的接触效应，滑移公式选择“有限滑移”，切向力学模型采用“罚”函数来设置；摩擦系数取为0.4，法向力学模型采用硬接触。桩侧和桩侧土体之间的接触为切向接触，其余各接触对均设为法向硬接触。在接触对中进行“主-从”接触面的选择时，为了防止因穿透现象而导致数值模拟结果出现误差，一般将刚度较大的面选为主面，而将刚度较小的面选为从面，在划分网格时将靠近地基处理区域的网格划密，而远离处理区域的网格划分的大些，模型的网格划分如图2所示。

图2 模型网格划分

首先对模型使用ODB 文件导入的方法进行地应力平衡，再考虑上部恒荷载和活荷载对地基的作用，地应力平衡后，使用pkpm 软件对上部结构进行竖向导荷，沿筏板z 向施加均布荷载。模型的上表面为自由边界，侧面为法向位移约束，底面为全位移约束。

3 结果分析

3.1 不同地基处理方式对土岩组合地基整体沉降的影响

提取有限元模拟结果z 方向的沉降数据，天然地基整体沉降云图如图3 所示，深厚土层使用CFG桩加固而基岩上部土层未经处理的土岩组合地基整体沉降云图如图4 所示，深厚土层使用CFG 桩加固而基岩上部土层采用0.5 m 厚粗砂换填处理的土岩组合地基整体沉降云图如图5 所示，深厚土层使用旋挖桩加固而基岩上部土层未经处理的土岩组合地基整体沉降云图如图6 所示，深厚土层使用旋挖桩加固而基岩上部土层采用0.5 m 厚粗砂换填处理的土岩组合地基整体沉降云图如图7 所示。通过沉降云图可以发现，土岩组合地基深厚土层一侧由于受附加应力影响较大，其云图变化范围较大，最大沉降发生在土岩分界面附近，远离土岩分界面周围的土体沉降量逐渐减小。

图3 天然地基沉降云图

图4 仅使用CFG 桩加固地基沉降云图

图5 CFG 桩和换填垫层法联合处理地基沉降云图

图6 仅使用旋挖桩加固地基沉降云图

图7 旋挖桩和换填垫层法联合处理地基沉降云图

由于加固处理的方式不同，从位移云图可以得出天然地基最大沉降量为89.8 mm，超过了设计要求的最大沉降量77.67 mm，深厚土层使用CFG桩加固而基岩上部土层未经处理的土岩组合地基，最大沉降发生在土岩分界面附近，最大沉降量为45.8 mm，深厚土层使用CFG 桩加固而基岩上部土层采用0.5 m厚粗砂换填处理的土岩组合地基最大沉降量为38.7 mm，深厚土层使用旋挖桩加固而基岩上部土层未经处理的土岩组合地基最大沉降量为59.5 mm，深厚土层使用旋挖桩加固而基岩上部土层采用0.5 m 厚粗砂换填处理的土岩组合地基最大沉降量为51.9 mm。可以得出使用桩体加固后的土岩组合地基，由于CFG桩和旋挖桩分担了部分荷载以及桩对桩间土的挤密作用，使得使用CFG 桩或旋挖桩加固后的土岩组合地基的整体沉降明显减小且最大沉降量均满足设计要求。

3.2 换填垫层对土岩组合地基整体沉降的影响

在模型中沿着筏板中心线从深厚土层一侧提取地表沉降数据，其中1~17 号点位位于深厚土层一侧，18~35 号点位从土岩分界面开始位于基岩上部土层一侧。对于CFG 桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基模型，每个点位之间间隔0.5 m，而对于旋挖桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基模型，每个点位之间间隔0.8 m，绘制模型的地基整体沉降曲线图，深厚土层使用CFG 桩加固而基岩上部土层未经处理或采用0.5 m 厚粗砂换填处理的土岩组合地基整体沉降曲线对比图如图8 所示，深厚土层使用旋挖桩加固而基岩上部土层未经处理或采用0.5 m厚粗砂换填处理的土岩组合地基整体沉降曲线对比图如图9 所示。

图8 CFG 桩和换填垫层法联合处理土岩组合地基整体沉降对比曲线

图9 旋挖桩和换填垫层法联合处理土岩组合地基整体沉降对比曲线

从图中可以得出，如果仅仅对深厚土层进行加固而不对基岩上部土层进行处理，虽然地基的最大沉降量满足设计要求，但由于土岩分界面两侧的刚度差异较大，会导致在土岩分界面附近产生较大的不均匀沉降，因此仅对土岩组合地基的深厚土层进行加固并不能很好地解决土岩组合地基的不均匀沉降问题，通过分析图8 和图9 还可以发现深厚土层部分使用旋挖桩加固的土岩组合地基，无论基岩上部土层是否采用换填处理，其地基的整体沉降均大于深厚土层部分使用CFG 桩加固的土岩组合地基，这是由于旋挖桩相较于CFG 桩的桩体模量要大，使得上部荷载很大一部分直接由桩身承担，而CFG 桩复合地基由于褥垫层的存在，在上部荷载作用下可以使得桩土间共同作用，进而最大地发挥桩和土的承载力优势。

3.3 不均匀沉降的控制分析及评价

深厚土层部分的不同加固方式以及是否对基岩上部土层采用换填处理对土岩组合地基不均匀沉降的影响较大。采用《建筑地基基础设计规范》（GB 5007—2011）［1］中表5.3.4 中的建筑物地基变形允许值作为评价差异沉降的标准，根据本工程建筑物的结构形式及层高，采用整体倾斜控制地基的不均匀沉降，整体倾斜使用0.004 控制，结合地基沉降云图及沉降对比曲线，当深厚土层使用CFG 桩加固而基岩上部土层未经处理或采用0.5 m 厚粗砂换填处理时，最大沉降发生在换填处理区域距土岩分界面3 m的位置；对应点位为23 号点位，深厚土层使用旋挖桩加固而基岩上部土层未经处理或采用0.5 m 厚粗砂换填处理时，最大沉降发生在换填处理区域距土岩分界面3.2 m 的位置；对应点位为21 号点位，较小沉降都发生在筏板4 个角点以及距土岩分界面最近的边桩中心对应的筏板边缘，且较小沉降沿筏板长边中轴线呈对称关系，因此，选取上述位置作为沉降观测点，将其与地基最大沉降点对比计算不均匀沉降差。

经计算可得，当深厚土层区域采用不同加固处理方式而基岩上部土层未经处理或采用换填处理时，其不均匀沉降差变化规律如表2 所示，从表中可以得出，只对深厚土层部分进行加固的土岩组合地基在土岩分界面处的不均匀沉降差均不满足规范要求，分别对应23-B 及21-B 点位区间的不均匀沉降差，而对基岩上部较薄土层进行一定厚度的换填处理后，土岩组合地基在土岩分界面附近的不均匀沉降差均得到一定幅度的减小，各个点位区间的不均匀沉降差均满足规范要求。由此可知，对于土岩组合地基基岩上部土层的处理，可以使用换填垫层法换填一定厚度的软弱土层，使其刚度与使用CFG 桩或旋挖桩加固的深厚土层部分的刚度相平衡，从而实现对差异沉降进行控制，避免土岩组合地基因在土岩分界面两侧的刚度差较大而造成较大差异沉降，进而对建筑物造成破坏，影响建筑物的安全使用。

表2 不同处理方式不均匀沉降差变化规律

4 结论

本文以某岩溶地区的建筑工程为背景，对使用多种方案进行处理的土岩组合地基的不均匀沉降进行研究。主要结论如下：

1）从模拟结果分析，原地基处理方案并不为最优方案，全部使用CFG 桩或旋挖桩加固能提高地基的承载力和稳定性，但会造成较大的浪费，不符合绿色施工的理念，而较合适的桩长、桩径等部件的尺寸大小及地基处理方式还需根据相应的地质条件经过详细计算得出。

2）在处理土岩组合地基时，基岩上部软弱土层是否采用换填处理对地基的不均匀沉降影响较大，因此，在对深厚土层区域进行加固的基础上，对基岩上部的软弱土层进行一定厚度的换填处理，可以减小因土岩分界面两侧地基土体的刚度差异较大而产生的不均匀沉降。

3）不同的地基处理方式对土岩组合地基的整体沉降和不均匀沉降影响较大，CFG桩、旋挖桩和换填垫层法联合处理的土岩组合地基的不均匀沉降差均满足规范要求，但从经济实用性角度考虑，实际工程中可以参考使用CFG 桩和换填垫层法联合对土岩组合地基进行处理。

4）文中的桩长、桩径、褥垫层厚度和筏板厚度等都是在满足规范要求的不均匀沉降下的最小尺寸，在不同的实际工程中需根据现场的工程地质情况进行合理调整。