素土擠密樁在處理厚濕陷性粉土中應用

金燦國，王建華

（1、廣東省建筑設計研究院 廣州510010；2、清華大學建筑設計研究院有限公司 北京100012）

1 工程概況

某工程位于山西省太原市小店區，學府東街以北，太堡路以東。包括6#～9#四棟高層住宅，C4#樓（商業）、D2#（地下車庫）共6 個子項（見圖1），總建筑面積約12.4萬m2，如圖1所示，其中6#樓32層，總高96.25 m；7#樓31 層，總高93.30 m；8#樓29 層，總高95.80 m；9#樓31層，總高95.80 m；地下車庫頂板上覆土厚2 m；每棟樓均設2 層地下室。住宅采用剪力墻結構，基礎采用墻下布樁承臺，地下車庫采用框架-剪力墻結構，基礎采用樁基礎。承臺底絕對標高802.35～804.75 m。

圖1 住宅和地下車庫平面布置Fig.1 Layout Plan of Residence and Underground Garage

2 地質條件

圖2 典型工程地質剖面Fig.2 Typical Engineering Geological Profile

表1 各土層參數指標Tab.1 Parameters of Each Soil Layer

表2 樁基設計參數Tab.2 Design Parameters of Pile Foundation

圖2為場地內典型工程地質剖面，各土層參數指標詳見表1，樁基設計參數詳見表2，天然地基綜合評價及全部消除濕陷性時濕陷處理建議深度詳見表3。擬建場地未見地下水，地基土對混凝土具微腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性，對鋼結構具微腐蝕性。

表3 天然地基綜合評價及濕陷處理建議深度Tab.3 Recommended Depth of Comprehensive Evalua?tion and Collapse Treatment of Natural Foundation

3 地基處理方案

依地勘報告可知，第②層濕陷性粉土、第③層濕陷性粉土，為本場地自重濕陷土層，6#、7#及9#樓地基濕陷等級為Ⅲ級，8#樓地基濕陷等級為Ⅳ級，C-4#樓地基濕陷等級為Ⅱ級，D-2#樓（地下車庫）地基濕陷等級為Ⅲ級～Ⅳ級。

《濕陷性黃土地區建筑規范：GB 50025-2004》［1］第6.1.1條規定，甲類建筑應消除地基的全部濕陷性或采用樁基礎穿透全部濕陷性黃土層，或將基礎設置在非濕陷性黃土層上。

本項目主樓地基基礎落在第2 層濕陷性粉土層，地基承載力特征值為145 kPa，下臥層為第3 層濕陷性粉土層，地基承載力特征值為180 kPa，濕陷性粉土評價為自重濕陷Ⅲ級或Ⅳ級。本項目基底反力最大的樓棟為6#樓，地上32 層，地下2層，1 m 厚的基礎，假定標準層荷載15 kN∕m2，地下層荷載20 kN∕m2，基礎容重25 kN∕m3；高層住宅剪力墻結果，基礎第一方案采用筏板基礎，基礎埋深7 m。

基底反力標準值初估為：32×15+2×20+1×25=545 kPa；修正后地基承載力特征值：fak=145+0.3×20×（6-3）+1.5×20×（7-0.5）=358 kPa＜545 kPa。

采用天然地基承載力不能滿足設計要求，需要進行地基處理或采用樁基礎解決承載力問題；［2］同時6#～9#樓基底下濕陷性粉土厚15～19 m，需要解決土層濕陷性問題，解決濕陷性問題有3種方法：采用復合地基消除濕陷性、采用樁基礎穿透全部濕陷性土層或將基礎設置在非濕陷性土層上；故采用復合地基和樁基礎均能解決承載力和土層濕陷性：2種問題。

首先考慮采用復合地基，根據《建筑地基處理技術規范：JGJ 79-2012》［3］可知，復合地基承載力不宜大于天然地基承載力的3 倍，145×3=435 kPa＜545 kPa，復合地基無法滿足承載力要求，故考慮采用樁基礎，為了最大化提高樁使用效率，樁徑暫取700 mm（樁徑盡量小于800 mm，避免因為大直徑樁進行樁基承載力折減降低樁使用效率），樁長取40 m（保證長徑比小于60，避免樁曲屈），樁端持力層為粉土，樁端持力層極限端阻力標準值1 600 kPa，偏小，屬于端承摩擦樁，經計算單樁承載力特征值1 200 kPa，根據《建筑樁基技術規范：JGJ 94-2008》［4］，樁間距取3 倍的樁徑，單樁受荷標準值為2.1×2.1×sin60°×545=2 403 kPa ＞1 200 kPa，仍不滿足地基承載力要求；經過分析發現由于濕陷性粉土層厚15～19 m，這部分土層不僅不能提供正摩擦阻力，還會產生負摩阻力，故我們通過采用素土擠密樁的方式處理濕陷性，濕陷性粉土層樁側負摩阻力轉化為樁側正摩阻力，此時計算單樁承載力特征值為2 300 kPa ＞2 196 kPa，滿足地基承載力要求，故第一種基礎方案主樓采用滿堂樁筏基礎，同時采用素土擠密樁消除濕陷性［5］，提高單樁承載力；車庫采用柱下樁基+防水板，但不消除土層濕陷性。

經過與甲方溝通，當地后注漿技術比較成熟，甲方建議采用后注漿工藝提高單樁承載力特征值，減少樁數；在甲方的建議下，我們仍采用素土擠密樁的方式處理濕陷性，同時結合樁側樁端后注漿及干作業的施工方式進一步提高單樁承載力［6］，經計算此時單樁承載力特征值可達3 500 kPa，基礎型式可由滿堂樁筏基礎改為聯合承臺樁基礎+防水板，同時減少樁數，如圖3 所示；車庫仍采用柱下樁基+防水板，不消除土層濕陷性的方案；此種方案作為第二方案供甲方比選。

圖3 6#樓樁基布置示意圖Fig.3 Pile Foundation Layout of Building 6

甲方預算部門經過比選，第二種基礎方案省近1 000萬元，選擇第二種基礎方案更為安全經濟合理。

本工程主樓6#～9#樓參考地勘建議，根據地方經驗，采用素土擠密樁消除地基土層濕陷性，土擠密樁樁徑依經驗取0.40 m，正三角形布置，樁體材料為素土，壓實系數不宜小于0.97；依據文獻［3］第7.5.2 條，樁孔按照等邊三角形布置，ρdmax及ρd由地勘單位提供，ηc取0.95，樁孔間距布置估算如下：

式中：s為樁孔之間的中心距離（m）；d為樁孔直徑（m）；ρdmax為樁間土的最大干密度（t∕m3）；ρd為地基處理前土的平均干密度（t∕m3）；ηc為樁間土經成孔擠密后的平均擠密系數，不宜小于0.93。

如表4所示，經過估算后樁間距取0.90 m；主樓基底下濕陷性粉土厚16～19 m，最初素土擠密樁樁長取19 m，由于施工機械及施工成本方面考量，甲方建議樁長取14 m；查地勘報告，勘察未見地下水，且14 m以下濕陷性系數很?。?］，經復核14～19 m 此范圍自重濕陷量小于5 mm，對樁基承載力影響極小，故最終選擇素土擠密樁樁徑取0.40 m，樁距0.9 m，樁長14 m，同時采用2種措施防止水進入濕陷性土體內［8］：

⑴主樓及地下車庫均設置防水板，防水板下均設置500 mm 厚3∶7 灰土墊層，壓實系數不小于0.95；防止地下室內生活用水滲入土體內。

⑵在場地周圈采用直徑為400 mm 的封閉樁，樁長為18 m，二排樁相切錯位布置，樁長螺旋鉆機成孔，防止場地外的水進入場地內。

表4 估算擠密樁間距Tab.4 Estimated Spacing of Compaction Piles

地基處理施工前，在現場選擇有代表性地段進行試驗或試驗性施工，驗證消除濕陷性的效果，再進行地基處理施工。

4 主樓地基處理后土層濕陷性檢測結果

4.1 樁間土檢測結果

4.1.1 樁間土濕陷性

根據4個探井（每個主樓下取一個探井）在樁長深度范圍間隔1.0 m 所取土樣進行濕陷性試驗，結果如表5所示。

表5 濕陷性檢測結果Tab.5 Test Results of Collapsibility

4.1.2 樁間土最小擠密系數

各探井樁間土最小擠密系數評價如表6所示。

表6 樁間土最小擠密系數Tab.6 Minimum Compaction Coefficient of Soil between Piles

4.2 樁體土檢測結果

根據14 個樁體探土樣的土工試驗結果，各探井樁體土壓實系數平均值評價如表7所示。

表7 樁體土壓實系數Tab.7 Compaction Coefficient of Pile Soil

4.3 小結

⑴根據4個探井所取樁間土樣的土工試驗結果，在樁長深度范圍內有3 個土樣未消除濕陷，其余土樣均消除濕陷，主樓樁基均不考慮樁頂1 m范圍承載力。

⑵樁間土最小擠密系數平均值為0.95～0.99，滿足規范和計算取值要求。

⑶樁體壓實系數如表7所示，壓實系數平均值為0.96～0.98，滿足規范要求。

5.1 樁基檢測

單樁豎向抗壓靜載荷試驗，每棟樓均設有3 個單樁豎向抗壓靜載荷試驗。

以7#樓為例，單樁豎向抗壓靜載荷試驗現場共測試3 個載荷點，分別為ZH-1，ZH-2，ZH-3；具體設計參數和試驗檢測參數如表8、表9所示。

根據3根試樁的單樁豎向抗壓靜載荷試驗結果，依據《建筑基樁檢測技術規范：JGJ 106-2014》［9］第4.4.2條判定，結果如表10所示。

根據3 根試樁的單樁豎向抗壓靜載試驗結果，依據文獻［9］第4.4.3條規定：本批試樁（有效樁長41.0 m）的單樁豎向抗壓極限承載力算術平均值為8 055 kN，極差為145 kN，其極差不超過平均值的30%，故取算術平均值8 055 kN 為本批試樁（有效樁長41.0 m）的單樁豎向抗壓承載力極限值。大于設計要求的單樁豎向抗壓承載力極限值7 200 kN，滿足設計要求。

5.2 沉降觀測結果

5 樁基檢測及沉降觀測結果

表8 設計參數Tab.8 Design Parameters

表9 試驗檢測參數Tab.9 Test Parameters

目前該小區各住宅樓及地下車庫均已封頂，后澆帶已封閉?，F仍以7#樓為例，給出沉降觀測結果。高層建筑沉降發展一般經歷3 個階段，即自重應力階段、附加應力階段和恒應力階段，而自重應力階段加附加應力階段的沉降稱為施工沉降。由表10 可知試驗樁沉降值最大14.17 mm，計算沉降和施工沉降如表11所示，計算沉降，參考文獻［10］，可認為主體封頂時完成的沉降量占最終沉降量70% 左右，因此預估本樓的最終沉降不超過18 mm，滿足規范要求。

表10 單樁豎向抗壓靜載荷試驗結果Tab.10 Test Results of Vertical Compressive Static Load of Single Pile

表11 沉降計算及觀測Tab.11 Settlement Calculation and Observation

6 結論

結合在較厚濕陷性粉土上建設高層住宅這一工程實例，得出以下結論：

⑴本項目經過前期基礎方案比選，采用素土擠密樁的方式處理深厚濕陷性粉土，同時結合樁側樁端后注漿及干作業的施工方式，可以大幅度的提高單樁承載力，減少樁數，主樓基礎型式可由滿堂樁筏基礎優化為聯合承臺樁基礎+防水板，經甲方預算部門估算可節省近1 000萬元。

⑵本項目采用2 種措施防止水進入濕陷性土體內：①主樓及地下車庫均設置防水板，防水板下均設置500 mm 厚3∶7 灰土墊層，壓實系數不小于0.95，防止地下室內生活用水滲入土體內；②在場地周圈采用直徑為400 mm 的封閉樁，樁長為18 m，二排樁相切錯位布置，樁長螺旋鉆機成孔，防止場地外的水進入場地內。

⑶當濕陷性土層較厚時，素土擠密樁較長，基于施工機械及施工成本的考量，較深處土層濕陷性系數很小，自重濕陷量也很小，可以不處理，經濕陷性檢測結果表明，四處探井處1 m 處外，均消除濕陷性，效果明顯。

⑷對單樁進行豎向抗壓靜載荷試驗，試驗結果證明地基承載力及變形均能滿足設計要求，且試驗結果均好于計算結果；目前已封頂主體的沉降觀測結果亦均小于計算結果。因此，在較厚濕陷性土中采用素土擠密樁消除濕陷性+后注漿+干作業施工可大幅度提高單樁承載力，由此證明這種處理方法是安全合理的，且該方法能夠減少樁數、提高施工速度、降低成本等優點，可作為類似地質條件下地基基礎處理方式之一。