湿陷性黄土地区地基处理方案选择分析

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

湿陷性黄土是指被水浸渍后，在其自重或其他附加应力作用下，土体压缩性提高、地基承载力显著降低的黄土。湿陷性黄土广泛存在于山西、甘肃、宁夏、陕西、内蒙古等中西部省份地区，地基处理难度大，对于拟建工程项目的顺利实施及安全使用是一个很大的考验。实施地基处理方案，不仅要提高地基承载力，而且要有效削减地基土的湿陷性，降低不均匀沉降。

地基处理的基本原理是破坏土体的结构，提高土的工程性质，降低土壤的透水性和压缩性，部分或完全消除其溃散性。对湿陷性黄土的处理方案有很多种，其设计思路一般有如下三种。

(1)使用稳定性较好的砂石、素黏土、灰土等材料采用换填垫层法或挤密桩复合地基，同时对建筑物底板及外墙做好防水措施，以消除或削减黄土层的湿陷性，提高土体承载力。

(2)地基处理穿透湿陷性黄土层，利用非湿陷性土层或承载力较高的土层承担上部结构荷载。常用的方法是桩基，该方案在重要的结构基础上应用较广泛。

(3)采用强度更高的碎石桩或水泥土深层搅拌桩处理地基，利用桩体本身较高的承载力及施工中挤密后的桩间土组成的复合地基提高地基承载力，降低沉降量[1]。

本文结合实际工程案例，就湿陷性黄土地基处理方案的选择依据进行了分析，以期为其他类似工程项目的建设实施、地基处理方案的选择提供思路和技术参考。

1 工程概况

某工程建筑性质为公共建筑，地下一层为车库，1～4层为商场，5～15层为公寓和酒店，结构类型为框架剪力墙结构。建筑面积：地上41 856.13 m2，地下4 283.48 m2。建筑规模：地上15层，建筑高度64.4 m；地下1层，层高7.5 m。基础形式为钢筋混凝土筏板基础；抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级。基坑安全支护等级为二级；基坑侧壁安全等级为二级。

该工程项目±0.000标高相当于城市绝对高程921.60 m，自然地坪标高920.60 m，基底标高916.6 m。土层参数见表1。

表1 土层参数

勘察期间，该场地水位埋深在13.5～12.4 m，根据探井取土土样分析，场地杂填土以下第②层土具有湿陷性，湿陷类型为自重湿陷性黄土，综合湿陷性等级为II级。

2 地基处理方案的初选及技术性对比

常用的湿陷性黄土地基处理方案包括换填垫层法、强夯法、素土、灰土挤密桩复合地基、碎石桩等。但由于该项目地基处理范围内土层有地下水存在，结合土层湿陷性黄土种类、湿陷等级及土层处理深度，初步选择灰土挤密桩+CFG桩复合桩、碎石桩、钢筋混凝土灌注桩、PHC预制预应力管桩四种地基处理方案进行比选。

2.1 灰土挤密桩+CFG桩复合桩地基处理法

根据地质勘察报告，该项目地基处理范围内存在湿陷性黄土层，且属于II级自重式湿陷性黄土，同时考虑到上部结构对地基承载力同样有较高要求，故在选择地基处理方案时应在保证提高地基承载力的前提下，有效消除土的湿陷性。结合当地常用机械类型以及现场施工组织的便利性，拟选用灰土挤密桩+CFG桩的复合桩地基处理法进行地基加固处理，并消除黄土湿陷性。桩位布置图如图1所示。按照设计，先组织施工灰土挤密桩，通过灰土基桩及挤密后的桩间土消除黄土的湿陷性；然后按照桩位布置图组织CFG桩施工，以满足地基承载力的设计要求；灰土挤密桩和CFG桩的桩径均为400 mm，桩中心间距均为1.2 m，正方形布桩。灰土挤密桩沿基坑长度方向采取由远端向近端的施工顺序，挤密桩分区域完成，3天后可进行CFG桩施工[2]。

图1 桩位布置平面图

灰土挤密桩利用机械洛阳铲设备成孔，孔径400 mm，孔深13 m，成孔后于孔内以300 mm高度分层回填三七灰土，并采用500 kg落锤，以≮1 000 mm的落距，将三七灰土夯实5～8遍。夯实后，利用灰土桩提高地基承载力，并使桩间土得以挤密，消除黄土湿陷性。

CFG桩即水泥、粉煤灰、碎石桩，采用长螺旋钻孔机械现场钻孔，在拔出长螺旋钻头的同时，将已按设计强度要求配制完成的水泥、粉煤灰、碎石混合物灌入孔内，利用成桩后桩体、加固后桩间土及褥垫层组成的复合地基承受及传递上部结构荷载。CFG桩处理方案为：直径400 mm、桩长16 m、桩中心间距1.2 m的CFG桩，桩身混凝土强度为C20，且单桩承载力特征值≮520 kN，上部采用200 mm厚级配砂石褥垫层施工。

该方案的优点：不论挤密桩还是CFG桩，其桩体质量稳定，能有效提高地基承载力，降低不均匀沉降，灰土挤密桩可有效消除黄土湿陷性，且施工速度快、周期短，施工用材料可就地取材。缺点：CFG基桩施工中场地泥泞、杂乱，不易满足文明施工要求；CFG成桩后桩头需截去至设计桩顶标高，桩身完整性易受影响；桩身强度达到设计要求强度的时间长；现场施工采用两种机械先后交叉作业，机械进出场费用增加，施工现场组织、材料进场布置难度加大；成桩后需做单桩承载力试验及复合地基承载力试验等相关试验，试验周期长，费用高。

2.2 碎石桩法

根据现场地质条件，也可选用碎石桩进行地基处理方案设计。将场地平整、清理后，进行碎石桩桩位放线，一般采用振动或锤击沉管成孔，成孔后分步灌入粒径≤50 mm的碎石，分步采用机械振动夯实。碎石桩直径500 mm，桩长13 m，间距1.5 m，呈梅花形布置，桩顶均匀布设200 mm厚级配砂石垫层。

该方案的优点：材料可就地取材，施工工艺简单，碎石桩桩体强度高且成桩过程对桩间形成挤密效益，复合地基承载力高。缺点：成桩过程机械成孔，碎石分步夯实，造成噪声大、振动大；桩体材料对碎石粒径及含泥量的要求高且质量不稳定；成桩过程质量控制点多且需专人把控，尤其是对孔内回填材料检验、回填量及夯实遍数等参数要重点控制，桩体质量不稳定，容易忽视孔底覆土的清除，易造成单桩承载力试验失败。

2.3 钢筋混凝土灌注桩

钢筋混凝土灌注桩也可应用于该项目地基处理。采用旋挖钻机成孔，现场绑扎钢筋笼，浇筑混凝土成桩。主要参数为：桩径700 mm，桩长16 m，采用柱下单桩承台，剪力墙下桩间距设置为1.8 m。该方案的主要优点：地基处理效果好，不均匀沉降小；采用交叉作业，成桩速度快，桩身质量可控；适合水下成孔成桩，采用旋挖钻机成孔，成孔成桩过程基本无噪声。缺点：桩体大量用到钢筋及混凝土，成本大幅度提升；桩身质量控制难度大，需每道工序把关；成桩周期长；现场场地杂乱。

2.4 PHC预制预应力管桩

采用PHC预制预应力管桩，利用静压桩机将桩身静压并穿越湿陷性黄土，将桩尖沉设至坚硬、稳定的地下硬土。采用直径400 mm、壁厚120 mm、桩长17 m、桩径1.5 m、呈梅花形布置的预制预应力管桩施工。该方案的优点：施工周期短、速度快，施工方便；现场施工无噪声、无振动；成品桩体质量稳定且施工过程质量较易把控。缺点：静压桩机进出场费用高，管桩材料费、运输费用高；静压桩机施工边桩时需要较大的工作面；施工过程中易出现断桩、桩尖无法达到设计标高、造成截桩而破坏桩身完整性；成桩过程需接桩，焊接作业量大[3]。

3 地基处理方案的经济性对比

对四种地基处理方案的每延米桩成本进行比较，结果见表2。

表2 四种地基处理方案每延米桩成本比较1)

4 方案确定

将以上四种地基处理方案进行对比，分析各方案的技术操作性及优缺点，并核算各方案的每延米桩成本。可以看出，碎石桩复合地基虽然经济成本低，但其质量不稳定，且施工过程中噪声大，振动大；高层建筑如考虑复合地基方案时，灰土挤密桩与CFG桩均属较常使用桩型，在充分考虑提高地基承载力及消除地基湿陷性的设计要求、施工现场条件及施工经济性等条件后，采取灰土挤密桩+CFG桩的复合桩地基处理法，可充分发挥两种地基处理方法的优势。具体施工参数：两种桩桩径400 mm，桩距1 200 mm，正方形布桩，挤密桩桩长8 m，CFG桩有效桩长按16 m考虑，桩端持力层位于第⑧层粉质黏土中。

5 结语

地基处理必须遵循实事求是的原则。必须充分分析项目的性质、地质结构、地形地貌，根据项目建设标准的要求，结合地基基础和上部结构条件，合理选择地基处理方案。

在确定地基处理方案时，进行多角度、多层次的方案设计及分析对比尤为重要。在湿陷性黄土地区进行湿陷性黄土地基处理时，为了提高地基承载力，降低不均匀沉降，可采用的较为经济、有效的方法是灰土挤密桩+CFG桩的复合桩地基处理法。