教學樓地基基礎工程設計優化研究

程 磊

（準格爾旗國立房地產開發有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

1 教學樓項目所在地場地條件

為確保工程項目的順利實施，開展研究前，應明確工程項目所在地的地貌單元屬于II 級的階地，整體場地經過平整處理后，起伏相對較小。對場地進行地質勘查，勘查后，不同土層的物理特性如表1 所示。

表1 勘查后不同土層的物理特性

掌握土層基本情況后，對項目所在地的水文地質條件進行分析，相關內容見表2。

表2 項目所在地的水文地質條件

2 教學樓地基基礎工程設計優化

2.1 設計參數優化

針對上述教學樓地基基礎工程，結合其施工需要，對設計參數進行優化。在進行對該工程項目的地基基礎施工時，將其分為兩個部分：其中一部分為CFG 樁施工區域，另一個部分為碎石樁施工區域[1]。針對第一個部分，首先，結合樁身強度需要，確定樁體混合料的配比。樁體材料中的水泥含量與其他材料的配比，決定樁身強度。在后續開展CFG 樁施工時，采用級配碎石，選擇粒徑范圍在20～50 mm 的級配碎石，選用磨細的干灰作為粉煤灰的原材料，選擇級配豆石尺寸在2.2～10.0 mm 范圍內的石屑[2]。按照28 d 混合料試塊的強度，確定水灰比。確定CFG 樁的樁徑為450 mm，兩個樁結構之間的距離設置為1.20 mm，床墊的厚度設定在220 mm。床墊采用的是級配沙礫、碎石等，其最大粒度不超過2.5 cm。按照規范及設計規定，確定復合地基承載力：壓縮模量不小于12 MPa；承載力特征值不小于260 kPa。

在自然條件下，土層的分層情況和處理后的復合土層的分層情況中，壓縮模量的取值應相同。同時，經過復合地基處理后的土層，其產生的壓縮模量數值應當為本層地基土層自然條件下地基的n倍[3]。n可由復合地基的承載力特征量與基底下自然地基的承載力特征量之比來確定[4]。根據上述計算方法，得出上述教學樓地基基礎工程中各個土層的復合壓縮模量，如表3 所示。

表3 教學樓地基基礎工程CFG 樁施工區域各土層復合壓縮模量

表3 中Es代表天然土層壓縮模量；fk代表天然土層承載力特征值；fspk代表復合土層承載力特征值；Esi代表復合土層壓縮模量；S代表模量提升系數。

針對第2 個部分，對其碎石樁的參數進行優化設計。碎石樁采用滿堂布置方式，其布樁的范圍應不小于基底范圍處理寬度的1～3 排，且應當超過處理深度的1/2。碎石樁的間隔距離設置為1.2 m，每根樁的長度為4.5 m，樁的橫截面直徑為400 mm[5]。在樁頂和基礎層之間鋪設厚度為400 mm 的碎石墊層。樁體材料選用粒徑范圍在20～50 mm 的卵石。在經過處理后，根據設計和規范要求，設置其復合地基的承載力特征值為：復合地基壓縮模量不小于12 MPa，復合地基的承載力特征值不小于280 kPa[6]。CFG 樁中的石子一般都是20～50 mm 的級配碎石，粉煤灰也可以用研磨好的干灰來代替，石屑可以用2.5～10 mm 的級配，水泥可以用425～10 mm 的硅酸鹽水泥來代替。通過計算，得到第2 部分區域土層復合壓縮模量，如表4 所示。

表4 教學樓地基基礎工程碎石樁地基處理施工區域各土層復合壓縮模量

2.2 碎石樁地基處理施工

結合上述教學樓地基基礎工程設計參數優化結果，確定碎石樁地基處理的基本流程如圖1所示。

圖1 碎石樁地基處理施工流程圖

對圖1中主要工序進行詳細設計說明：首先，在測量放線階段，依據樁身位置設計圖，每個樁身位置偏差不得超過20 mm。在場平完畢的現場，對建筑軸線進行定位，然后對獨立地基或條狀地基進行定位。其次，針對取土后成孔的施工，應當在施工前確保打樁設備安裝就位，使用取土裝置取土到達設計要求的深度[7]。再次，在向孔結構中填充碎石料時，填入碎石料的量應根據現場測試或估算，再將計算出的樁孔容積乘以充盈系數，一般，充盈系數取1.2～1.4。同時，在施工過程中，也要留意地面的狀況，一旦地面出現隆起，沉降等情況，則要適當地降低回填的數量。填料的施工方法是在鉆孔到達適當的地基深度后，將其填入孔中，通過控制錘擊次數、重錘高度來控制碎石樁樁體的壓實度。碎石樁的施工順序，應當按照從中間向四周或隔排進行。最后，在確認碎石樁施工完畢后，需要通過機械裝置對施工場地內的棄土進行清理，并采用壓路機對施工現場進行場平碾壓[8]。在碾壓后，擠密土體，確保達到土體性質和預加固要求的效果，再開展后續的施工工序。

2.3 CFG 樁施工工藝

對于CFG 樁施工區域，應當嚴格按照圖2所示的流程進行。

圖2 CFG 樁施工流程圖

在現場測量放線環節，需要根據設計圖紙要求，將樁位的誤差控制在0～20 mm 范圍內，在開展第一步施工時需要按照各個軸線到各個樁結構之間的距離，放置樁結構。在開始測量時，需要確保場平完成，先將建筑物的軸線設置在現場，之后按照軸線放置獨立基礎和條形基礎的軸線。在打樁機械裝置就位后，利用取土裝置將土取到設計圖紙的標高位置，完成成孔工作。在處理地基時，確保土層深度符合設計要求，將混凝土拌和材料投入到孔結構中，并通過高錘的錘擊次數和高度實現對CFG 樁密實度的控制，每一層都必須振搗密實，不得出現漏振的情況。在施工的過程中，需要確保每一次的錘擊高度、錘擊次數和投料量都嚴格按照規定要求設置，錘擊的高度不得超過3～6 m 的范圍，針對每一組錘擊，次數都應當在6 次以上，每次填筑投料量都應當為0.05 m3。

3 工程質量檢驗

掌握教學樓項目所在地場地條件與地基工程優化施工方法后，對地基進行靜載荷試驗，以此種方式，進行工程項目的質量驗收。載荷試驗的實質上是一種大型模擬試驗方法，主要用于地基條件松軟或土體不均勻的關鍵施工部位，其主要目標是研究土體在多種狀態下的強度和變形特性，對多種土體的研究，都有很高的實用價值，試驗的結果也比較準確，并且可以作為其他試驗的依據。

為確保試驗的順利實施，試驗前，對教學樓地基所在位置進行分析，見圖3。

圖3 教學樓地基所在位置

在此基礎上，進行靜載荷試驗的布置，布置方式如圖4 所示。

圖4 靜載荷試驗布置方式

根據上述圖4 布置的內容，在進行地基基礎工程的載荷試驗中，需要進行傳壓系統的持續加荷處理（傳壓系統為千斤頂），通常采用百分比來探測承壓板的變形狀況，其基本原理是通過油壓千斤頂增加荷載，然后使用斜撐式或錨式反力裝置，將力傳遞到承壓板上。

同一地基上的承壓板尺寸不同，其沉降值也不同，也就是說，由于承壓板尺寸效應的影響，最理想的承壓板尺寸應與地基的尺寸相等，但在實踐中很難實現。經實踐證明，普通的細顆粒土承壓板的面積應為50 cm×50 cm 或70.7 cm×70.7 cm。試驗中，所選的試點地基對應的軟土層面積應當達到100 cm×100 cm，為確保試驗結果的準確性與可靠性，設計承壓板的厚度通常為40 ～50 cm。此外，選擇具有更高剛性的圓形或正方形鋼材質板塊作為承壓板。

試驗中，利用施力設備對承壓板進行逐級加荷，直到最后一級荷載土體被破壞為止，對各級載荷下的沉降量隨著時間變化進行分析，對穩定后的荷重壓力和對應穩定時間的沉降量進行測量，通過此種方式，掌握地基結構的荷載壓力-沉降量關系曲線，根據這些曲線，可以對樁基相關力學參數進行確定。

通過上述方式，完成試驗設計，現已知樁基的荷載設計值為2 500 kPa，對施工后的試點樁基荷載進行測試，測試結果如表5。

表5 樁基荷載測試結果

4 結語

根據大量的工程實踐可知，樁基礎在地質結構層中，具有較強的適應性、較高的延展性、穩定性、承載能力。其抗爆炸和抗震能力較好，這是樁基非常重要的特性。為規范樁基施工，本文以某教學樓工程為例，開展了如上文所示內容的研究。

完成研究后，根據表5 樁基荷載測試結果，得到如下所示的結論：本次實驗選用了1～9 樁基進行測試，測試后9 根樁基的荷載值均＞2500kPa，說明本文設計的方法可以實現對基礎工程施工的優化，以此種方式，提高地基的荷載力，為上部結構施工提供穩定的支撐。