多桩型复合地基在湿陷性黄土地基处理中的应用

黄文德

我国湿陷性黄土分布面积约占黄土分布面积的60%左右，为27万km2，大部分在黄河中游区域，北起长城附近，南达秦岭，西自乌鞘岭，东至太行山，即北纬34～41°、东经102～114°之间。目前消除湿陷性黄土湿陷性的方法主要有复合地基法、浸水法、强夯法等。浸水法及强夯法均不适于在城市居民密集的地区使用，目前使用较为广泛的是利用复合地基处理湿陷性黄土。随着复合地基处理技术的日益成熟，人们开始结合工程实际，利用多桩型复合地基进行地基处理。多桩型复合地基逐渐在国内大量使用，如CFG桩+灰土挤密桩复合地基、CFG桩+水泥土桩复合地基、CFG桩+土挤密桩复合地基[1]等各种型式，解决了传统复合地基不能很好解决的问题，取得了良好的工程和经济效益。

本文首先介绍了湿陷性黄土的特性和多桩型复合地基的机理，并通过工程实例探讨了多种类型多桩型复合地基在湿陷性黄土地区的应用，阐述了个人对此问题的观点，以期有助于多桩型复合地基在湿陷性黄土地基处理中的应用发展。

1 湿陷性黄土的工程特性

1.1 湿陷性黄土的颗粒组成特性

湿陷性黄土具有大孔隙，肉眼可见，发育垂直节理，能抵抗压密的非饱和欠压密土。在天然状况下，其压缩性比较低，强度很高。但遇水湿润后，可溶性盐类溶解，强度显著降低。在自重压力和附加压力共同作用下，原状结构很快破坏，孔隙率变小，造成地基不均匀沉降，对建筑物的安全性危害特别大。

我国湿陷性黄土以粉粒为主，约占50～70%，而粉粒中又以0.01～0.05mm的粗粉粒为主，约占40～60%，小于0.005mm的粘粒较少，大于0.25mm的中砂颗粒较少见。湿陷性黄土的颗粒组成分布特征为由西北向东南有逐渐变细，比较契合风成学说。

1.2 黄土的湿陷性

黄土是干旱、半干旱气候条件下形成的沉积物，其颗粒以粉粒为主，粉粒、粘粒和砂粒排列稀疏，形成结构性孔隙。干旱条件使土中盐类析出，胶体凝结，产生了颗粒间起加固作用的粘聚力，在天然条件下，土体强度较大，稳定性好，承载力较高。黄土浸水后，由于盐类和胶体溶解，在自重应力和附加应力的作用下，骨架颗粒重新排列，土中孔隙减小，土体整体产生沉降，称这种现象为湿陷性。不同地区黄土形成时的自然气候条件差异比较大，因此也形成了较大差别的湿陷性。自重湿陷性黄土是受水浸湿后在土的自重应力下就产生湿陷，非自重湿陷性黄土是受水浸湿后只有在土的荷载作用下才产生湿陷。黄土开始湿陷时的相应压力称为湿陷起始压力，可当作黄土浸湿后的结构强度，当实际受压应力大于等于湿陷起始压力，土体开始湿；当小于湿陷起始压力，不产生湿陷变形，仅发生压缩变形。

通过室内试验或现场浸水试验测得的湿陷系数、自重湿陷系数可以确定黄土的湿陷类型和湿陷等级，湿陷性等级分为弱、中、强湿陷性三个等级。湿陷性与土的形成历史、颗粒组成、湿度密度都有一定的关系。湿陷变形与压缩变形不同，其典型特点是：变形量特别大，常为压缩变形的几倍，甚至几十倍；发生速度快，一般在浸水1～2h后就开始出现湿陷，发展速度也很快，1～2d内就可能产生的变形量达20～50cm，这种速率快、量大、不均匀的变形经常使建筑物发生严重变形破坏。

2 多桩型复合地基的机理

2.1 多桩型复合地基的基本概念

复合地基能充分利用桩间土和桩体共同作用以及相对低廉的工程造价，使其广泛的应用于各个地区。但因其结构模式单一，所能解决的地基问题也比较局限[2]。近十几年来，随着高大建筑的不断出现，为了充分发挥地基土的承载力，提高复合地基承载能力、节约地基处理造价，工程师开始采用多桩型复合地基。多桩型复合地基[1～4]是地基处理中采用两种或两种以上类型的桩体，或采用几何尺寸不相同的两种或两种以上同一类桩体构成的复合地基。通常称桩身强度较高的桩称为主桩或强桩，强度较低的桩称为次桩或弱桩。

2.2 多桩型复合地基的加固机理特点

多桩型复合地基的加固机理仍处于试验研究阶段。目前研究表明：各桩型按其各自的性态特点在土中发挥其加固作用，其加固可以近似为各型桩加固的综合叠加。荷载仍然由桩与桩间土共同承担，这一基本原则没有改变。由于不同桩型间刚度的差异，不仅桩、土间分担的荷载有不同，各桩型之间分担的荷载也有不同。

3 多桩型复合地基的工程应用

3.1 灰土挤密桩与CFG桩复合地基

三门峡某工程[3]地下1层，地上32层，平均基底压力为540kPa，筏板基础，基底标高-7.360m，地基基础设计等级为甲级。拟建场地为自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级达Ⅱ（中等）～Ⅲ级（严重），自重湿陷性黄土最大深度达25.50m。拟建建筑物不能直接利用天然地基，应当进行地基处理，以消除所有湿陷性。若采用桩基础透过整个湿陷性土层，场地自重湿陷性土层25.5m，深度较大，导致桩长过大。且由湿陷性造成的桩侧负摩擦力比较大，单桩承载力损失较多，需另外增加桩长以弥补损失，工程投资不经济。经过反复比较，最终确定采用灰土挤密桩与CFG桩复合地基，先用灰土挤密桩处理地基土，以消除地基土的湿陷性，将桩侧的负摩擦力转化为正摩擦力，以此来解决单桩承载力损失的问题，然后再用CFG桩复合地基处理。

分别进行了灰土挤密桩、CFG桩的单桩静载载荷试验，还做了多桩型复合地基的静载载荷试验。灰土挤密桩3个试点的总沉降量分别为6.51mm、6.62mm、6.58mm。CFG桩3个试点的总沉降量分别为5.76mm、7.22mm、10.17mm。多桩型复合地基3个试点总沉降量分别为8.42mm、7.29mm、7.37mm。通过静载试验看到，处理后的地基承载力完全满足建筑物荷载设计的要求。无论从经济、施工速度、对周边环境的影响都有表现出比较好的效果。

3.2 土挤密桩与CFG桩复合地基

兰州某高层住宅[4]，层数26层，主体结构总高度76.75m，上部结构为剪力墙结构，地下室2层，基底埋深-8.0m，基底荷载设计值480k Pa。工程场地属黄河南岸四级阶地后缘，地基土组成由至上而下分别为：①黄土状粉土，Ⅳ级（很严重）自重湿陷性，层厚20.0～22.0m，承载力特征值fak=120kPa；②黄土状粉土，层厚约9.0～10.0m，承载力特征值 fak=150kPa；③粉土，层厚16.0～20.0m，50m深度以下呈饱和状态，承载力特征值fak=180kPa；④卵石，冲洪积成因，中密-密实，由花岗岩及石英岩碎屑组成，层面平坦，埋深55.7～61.4m。拟建场地属于Ⅳ级（很严重）自重湿陷性黄土场地类型，湿陷性下限深度为-22.0m，建筑物基底埋深为-8.0m，基底下剩余的湿陷性土层最大厚度约为14.0m。基底荷载效应标准组合值为480kN，采用挤密法虽然可以有效消除地基土湿陷性，但挤密后的人工地基作为持力层仍不能满足设计要求。根据场地土的物理力学性质，上部结构形式和当地施工经验，最后采用CFG桩-素土挤密桩多桩型复合地基。素土挤密桩作短桩，可完全消除黄土湿陷性，充分发挥天然土层作用。CFG桩体经挤密后的地基土桩侧摩擦力增大，在桩长较短的情况下，仍可获得较高的承载力，同时起到减沉桩的作用，减少地基基础不均匀沉降。在复合地基褥垫层的作用下，充分挖掘CFG桩、素土桩、桩间土的潜力，使三者共同分担荷载，在保证承载力和沉降满足设计要求的前提下，能大幅度降低工程造价。

现场试验结果表明：经素土挤密桩处理后，地基土湿陷性全部消除，挤密效果好。CFG桩-素土挤密桩多桩型复合地基承载力特征值为640kPa，满足上部结构对地基承载力要求。CFG单桩承载能力特征值达920kN。挤密土桩处理后，侧摩阻力提高程度较大，极限侧阻力标准值由28kPa提升至72kPa。CFG桩与素土挤密桩多桩型复合地基很好的消除了湿陷性，地基承载力提升范围大，在湿陷性黄土地区具有广阔的应用前景。针对地基承载力需求高，且浅部无稳定的桩基持力层的湿陷性黄土场地，采用CFG桩-素土挤密桩多桩型复合地基作为基础持力层具有良好的技术、经济效益。

3.3 夯实水泥土与CFG桩复合地基

洛阳某工程[5]地上12层，地下1层，埋深-4.5m，总高52.5m，地基基础设计等级乙级。场地为Ⅰ级非自重湿陷性黄土场地，勘察期间，场地区地下水稳定水位在地面下19.3～19.8m。工程选用CFG桩与夯实水泥土桩结合的多桩型复合地基处理方案，夯实水泥土与CFG桩间隔布置，既提高了地基承载力，又消除了上部土层的湿陷性。

沉降观测共设了15个观测点，从首层框架施工结束开始，到主体竣工时，总沉降量为18.3～21.5mm，平均沉降为20.0mm，沉降差很小。目前该工程已投入使用多年，运行情况良好，地基处理效果满意。

4 结语

多桩型复合地基在湿陷性黄土地区应用能很好地消除湿陷性，地基承载力提高，工程造价降低，施工工期缩短，经济效果良好[6]。可满足建筑物地基承载力的要求，工程应用前景广泛。在湿陷性黄土地区高层建筑工程应用中，可根据湿陷性土层的厚度确定桩型、桩长和桩径。成孔工艺科根据当地的施工情况确定，一般施工工艺均可保证桩的质量。在具体工程应用中，应考虑工程实际，如建筑物结构类型、荷载特征、地质条件等，确定复合地基的具体类型和施工方案。

[1]张梅，王奔，韩高彬.湿陷性黄土地基处理的优化桩型设计及工程应用[J].河北农业大学学报，2012，35（6）：105～109.

[2]何广访，王洪有.多桩型复合地基的实用计算法[J].西部探矿工程，2006（3）：15～16.

[3]候威锋.多桩型复合地基处理湿陷性黄土实例[J].中华建设，2016：122～123.

[4]蒲忠，何有善，何腊平.CFG桩-素土挤密桩组合型复合地基处理湿陷性黄土应用[J].西部探矿工程，2013（3）：11～16.

[5]侯化坤.CFG 桩在湿陷性黄土地区的应用[J].建筑结构，2006，36（11）：45～47.

[6]苏迎社，陈林.挤密桩和CFG桩复合地基在湿陷性黄土地区的应用[J].施工技术，2012，41（362）：52～54.