疏桩复合地基不均匀沉降原因分析及处理

郭绍强 余楷勤 周尚宪 颜雨 黄家诚

摘要：沿海深厚软土地区常面临地基不均匀沉降问题，当天然地基承载力满足承载要求或相差不大的情况下，综合考虑工期等因素选用疏桩复合地基是比较合理的，一般选用4～6倍桩距（D=4d～6d）的疏桩布置，摩擦桩与桩间土共同承担上部荷载构成复合地基。工程实践过程中受气候、环境、施工工艺等多种因素影响，复合地基所设想的桩-土协同工作较难实现，刚性桩与桩间土的沉降差易出现不均匀沉降问题。本文通过对工程实例的分析，初步阐述了该工程复合地基出现不均匀沉降的原因及后续处理措施，不断完善疏桩复合地基处理方法。

Abstract： Non-uniform settlement of the foundation is often faced in deep soft soil along the coast. When the natural foundation bearing capacity meets the bearing requirements or there is not much difference， it is reasonable to consider the construction period and other factors to select sparse pile composite foundation. Generally， 4～6 times the pile spacing  （D=4d～6d） is used for the sparse pile layout. The friction pile and the soil between the piles jointly bear the upper load to form a composite foundation. Affected by many factors such as climate， environment， and construction technology during engineering practice， the pile-soil cooperative work envisaged for composite foundations is difficult to achieve， and the settlement difference between rigid piles and soil between piles is prone to uneven settlement problems. Through analysis of engineering examples， this paper preliminarily elaborates the reasons for the uneven settlement of the composite foundation of the project and the follow-up treatment measures， and continuously improves the treatment method of sparse pile composite foundation.

关键词：减沉疏桩复合地基;桩-土协同受力;不均匀沉降;加固处理

Key words： sparse pile composite foundation;pile-soil cooperative stress;uneven settlement;reinforcement treatment

中图分类号：TU472.3                                   文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2020）21-0098-04

0  引言

珠江三角洲地区位于珠江出海口的冲积平原上，软弱地基广泛分布，在地基主要受力层范围内，软弱土层分布自上而下主要为饱和软土（淤泥或淤泥质土）以及饱和砂土。本项目涉及的饱和软土地基预处理技术正是针对这种特殊的软弱地基而提出的。当软土层天然地基承载力基本满足要求的情况下，为减少沉降选择疏桩减沉复合地基方案进行处理，本方案参照上海地标《地基基础设计规范》DGJ08-11[1]及《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008[2]中相关复合地基设计的相关条文选择6倍桩径的疏桩基础减沉方案（图1），设想通过摩擦桩与桩间土协同工作共同承担上部荷载，达到加固软弱地基提高承载力并减少沉降的目的。复合地基在上部荷载作用下桩-土受力机理非常复杂，受外部环境、施工等因素影响较大，很难达成协同工作状态，尤其施工过程中考虑工期采用高强度管桩（PHC）后，光滑的桩壁与含水率较大的软土难于形成桩-土协同工作，桩侧摩檫力很难保证有效传递荷载，管桩刺入土体后还导致土体固结加速，最终多种因素导致本项目局部区域地基出现不均匀沉降，本文针对项目处理失效的原因进行了初步分析，并详细记述了相关整改方案，希望通过本次实例不断完善改进地基处理方法，以便后续项目中优化改进，取得更好的处理效果。

1  项目概况

本项目位于广州市番禺区，靠近莲花山水道，原地貌属于冲积平原地貌（勘察钻孔标高6.36～6.98m），根据钻孔揭露，该区地层按地质成因依次分为：第四系填土层（Q4ml）、第四系冲积土层（Q4al）、第四系残积土层（Q4el）和基岩（粉砂岩）风化岩带（K）。因拟建场地内存在深厚流塑淤泥、淤泥质软土层（详见图2），含水量高，孔隙比大，软土在受荷载后易发生压缩变形导致出现不均匀沉降。根据业主提供的地质勘察报告显示填土下的软弱土层主要是淤泥、淤泥质土，灰黑色，饱和，流塑，粘性好，含少许薄层粉砂，稍具臭味。层面埋深3.40～7.10m，平均5.38m;层厚8.70～21.60m，平均厚度15.42m;主要物理指标平均值为：ω=48.11%，e=1.432，IL=1.40，ES=2.91，aV=0.89，标准值C=6.6，Ф=4.2。标准贯入试验81次，其击数一般N=1～3击，平均1.3击;修正后击数N=0.7～2.2击，平均值为N=1.0击。建议地基承载力特征值fak=70kPa。淤泥层下依次为粉质粘土、中砂、粗砂及粉砂岩等风化岩层。其中砂土轻微液化是主要不良地质作用，后续出现不均匀沉降也与砂土轻微液化有关。

根据业主方的要求和专业咨询公司意见，为了满足国际足联相关认证要求须对场地中四块标准足球场区域进行地基加固处理，我方综合现场条件及工期等因素建议处理方案如下：

方案一 采用表层换填处理方式。施工前清理平整场地至广州高程6.5m，选用3：7人工级配砂石分层回填（其级配砂砾要求颗粒尺寸在0.5～4cm之间），分层压实厚度不大于300mm，用振动压路机或振动碾反复碾压密实，级配砂石换填至球场夯土面标高。

方案二 挖除场地回填土层，整平场地后打入直径400mm的PHC400AB95型高强度混凝土管桩，按桩间距2.4m×2.4m正方形布置，加固软土地基形成桩-土复合地基，管桩顶面设1.4m×1.4m正方形桩帽，桩帽施工完成后铺设50cm厚碎石垫层，中间铺设两层土工格栅并采用冲击碾压压实形成褥垫层，桩基及桩帽布置详见图4。待碎石垫层施工完成后，方可进行后续上部球场种植层施工，回填层要求采用分层碾压，密实度满足球场种植、坡度等要求。

2  方案比选及经济性分析

国际标准足球场积规格为：长105m、宽68m，面积7140m2。标准场地处理范围外扩1m，面积共计约7490m2，四个标准球场处理面积共计∑S=7490*4=29960m2。

方案一为表层换填处理方式。施工前平整场地至广州高程6.5m，选用3：7人工级配砂石分层回填（其级配颗粒尺寸在0.5～4cm之间），分层压实且每层厚度不大于300mm，用振动压路机或振动碾反复碾压密实，级配砂石换填至球场夯土面标高。换填材料厚度约1070mm，换填方量=29960*1.07=32057.2m3

根据材料单价=215.53元/m3

共计=32057.2*215.53=6909288元

方案一预估工程造价约690万。

本方案可以与场地平整同时进行，可以大面积施工，施工单位要求较低，施工工期预估30天。

方案一经济指标统计表见表1。

方案二选疏桩复合地基（PHC400AB管桩正方形布置），正方形布置，桩间距2.4m，桩头设置1.4m*1.4m宽桩帽，预计桩长约22m，承台间回填碎石分层压实至设计标高。四块场地处理面积共计29960m2，经测算疏桩复合地基单价约978元/m（该场地内高强管桩桩长约22m，按当时信息价单根造价4180元）。复合地基预估造价约2930万。

上述软土处理方案中，方案一施工方便，造价低，但其处理范围有限，难以满足标准球场验收要求。方案二造价高、工期长，但施工质量可控，处理范围较深，在大面积施工中，可通过增加设备数量来使刚性桩复合地基和方案一换填处理方案的工期相近。此外业主方要求该球场需3个月内交付使用，还需考虑坪养护时间，因此我方考虑工期、造价因素，经与业主、专业咨询公司沟通决定采用方案二对该区域软土进行处理。

3  复合地基不均匀沉降原因分析

2018年5月1号球场区域全部管桩施工完成，7月初完成了承台间级配砂石回填并移交球场专业公司进行球场基层施工。随后1号球场区域东侧地下车库基坑开挖，基坑深度5.3m，止水帷幕未出现渗漏水，基坑监测数据均正常，平面位移累计3cm。球场完工后进行了培植养护工作，10月中下旬现场巡查发现1号球场西侧临近地下室基坑的半幅球场局部出现不均匀沉降，主要为承台间局部凹陷，桩间土体固结沉降后与承台处最大高差约5cm。近一周内分三次进行了沉降观测，数据表明1号球场未继续发生沉降。

球场处理区域发生局部不均为沉降后，业主组织多位专家召开现场会议，分析疏桩复合地基出现不均匀沉降的原因，主要为以下几个方面：

①勘察资料与现场情况有差異，报告中所述淤泥质土受降水等因素影响含水率、饱和度均较大，加之本方案对孔隙水压力和桩间土隆起等问题估计不足，桩基压桩时挤压土体导致弱透水性土层中出现超静孔隙水压力，桩基压桩施工困难，管桩与桩间土未按照预想形成共同承担荷载的复合地基。施工完成后随着孔隙水压力消散、土层再固结沉降产生负摩阻力及桩间土固结下沉[4]，局部承台间土体出现较大不均匀沉降。

②高强度预应力管桩原施工方式为锤击跳打，后因周边噪声控制改用步履式静压桩机施工，其自重远大于锤击打桩机，静压桩机未按规定路线退打避让已施工区域，导致桩身上浮、移位和地面隆起，刚性桩对桩间土挤密效果有限，无法有效形成复合地基。因此，软土区域桩基施工应严格控制成桩速度，每天成桩根数、成桩速度（一般0.8～1.2m/min）[5]、复压次数都应明确规定，施工时按技术方案进行跳打，合理安排工序和打桩线路，避免出现桩基偏位上浮及地面隆起等现象。

③场地内存在大量原建筑基础承台，拆除承台后仅用杂填土回填后即开始基础施工未进行加固或换填，基础挖除过程中对原状地面土体有扰动，后续不均匀沉降的也主要在这片区域。广州夏季降雨偏多，2018年6～7月间降雨尤其频繁，场地内多次浸水致土体下陷，虽后期碎石垫层碾压加固了表层土体，但是深层扰动欠固结土层压缩沉降引起了表层不均匀沉降。深厚软土地区开挖过程中扰动后的土层，应进行加固换填处理，基坑回填也不应使用原状软土，应严格按照图纸规范要求选用含水率较低的粘土回填，必要时可使用砂石回填挤密。

④褥垫层的影响。褥垫层厚度及褥垫层的材料都将影响复合地基的承载力和沉降特性。褥垫层太薄，桩与桩间土的差异沉降会比较大，不能很好的发挥桩周挤密土的承载力，褥垫层厚度太大，不仅不经济而且有时候还会起到反作用，褥垫层自身也会导致不均匀沉降。本项目中砂石级配垫层压实挤密后承载力满足设计要求，但因台风天气强降雨较多，砂层逐步被冲涮流失，无法到达密实，导致出现不均为沉降。

4  改进措施

根据上述分析，疏桩复合地基失效的原因主要是刚性桩刺入破坏、桩间土鼓胀破坏和整体剪切破坏和滑动破坏，施工过程中主要表现为静压桩送桩困难和桩间土受刚性桩挤压后隆起。方案前期未考虑软土土工参数特性和地下水位等因素，计算时仅计算了复合地基加固区压缩量s1，忽略了隆起桩间土的沉降（砂石褥垫层的压缩量很小，可以忽略不计）。因此，整改方案为原球场处理桩承台面增设一层100mm厚现浇板，结构板预留PVC泄水孔，板上铺土工布防止砂石下漏，球场排水盲沟处结构板下凹满足排水要求。此方案既保证了工期又合理利用了原有桩承台，隔离了桩间土区域，保证上部球场种植层不出现不均匀沉降。目前该项目已通过验收，未出现沉降问题。

5  结论

疏桩减沉复合地基运用到建筑地基是一种新型的软土地基处理方式，其传力模式介于浅基础与桩基础之间，一般选择摩擦桩与土桩通过摩阻力形成协同受力。疏桩复合地基的破坏模式主要有：①刚性桩刺入破坏或因负摩阻力导致桩体下沉;②桩间土体隆起或固结下沉导致不均匀沉降;③刚性桩与土体共同破坏。

复合地基的破坏形式大多数情况下是桩体先破坏，引起复合地基全面失效，而本项目上部荷载不大，主要表现为桩间土隆起破坏，刚性桩并未出现明显下沉。因此，疏桩复合基础实际运用当中应更加关注不同地区的气候、水文条件和地层差异，重视勘察、物探资料的准确性、时效性，方案计算时考虑桩间土体压缩量和下卧层压缩量的叠加，避免出现沉降值大于计算的情况。施工前做好技术交底，详细宣贯设计意图及技术要求，施工时严格执行复合地基方案相关技术要求，合理安排工期及施工顺序，不得随意压缩工期、缩减工序，现场发现问题必须及时调整，重新复核方案可行性。软土地基处理是一项复杂的系统工程，牵涉因素繁多，需要工程人员不断的尝试积累经验，完善优化此项技术，使之能够更加有效的运用到工程实践当中。

参考文献：

[1]DGJ08-11-2017，（上海）地基基础设计规范[S].

[2]JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[3]GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[4]刘金砺，邱明兵.软土中群桩承载变形特性与减沉复合疏桩基础设计计算[J].岩土工程学报，2008，30（1）：51-55.

[5]庞刚.浅谈减沉复合疏桩基础的设计[J].公路，2015（9）：59-61.

[6]肖贤.减沉复合疏桩基础在软土地基中的应用[J].江苏建筑，2015（5）：86-87，111.

[7]杨磊.刚性疏桩复合地基桩土荷载分担的实用计算方法[J]. 四川建筑科学研究，2017，43（1）：76-80.