刘佑祥, 王发玲, 刘忠富, 郭 运, 龙晓东, 陈 凯
(中南勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430071)
削山填谷的山区新填土区域,由于山地的起伏变化,导致填土厚度变化大,且大部分填土为削山碎石土,粒径变化大,回填方式多为随意抛填,未进行分层碾压夯实。此类回填土一是回填时间短,未能完成自重作用下的固结沉降;二是密实度差异大,均匀性差。若不进行合理的地基处理,极容易导致地基上方的建(构)筑物产生大的整体沉降和差异沉降。根据这类回填土地基的特性,可采用变刚度[1]复合地基进行加固处理。
大量的试验和工程实例研究表明,采用变刚度复合地基处理方法,既能满足荷载与抗力的整体平衡,又能兼顾荷载与抗力的局部平衡,减小差异变形。陈龙珠等[2]根据基底反力的分布特征,利用有限元对变刚度复合地基进行分析,提出地基变刚度调平处理的优化设计原则。乔京生等[3]通过模型和模拟试验研究了群桩复合地基产生差异沉降的原因,认为改变桩长是实现变刚度的最佳选择。李卫民等[4]针对新填土地基提出采用低能级强夯+CFG桩的地基加固处理方案。张武等[5]通过模型试验方法研究了变刚度复合地基的承载特征、沉降分布、变形影响范围、桩土荷载分担比及基桩荷载传递特性。吴旭君等[6]针对新建城区大面积填土地基提出采用CFG桩加固处理的方案。江立群[7]针对山区新填土地基提出采用强夯联合注浆的加固处理方案。李继才等[8]根据大型储罐CFG桩复合地基的应力分布特征,提出大型储罐复合地基空间变刚度调平设计方法。安明[9]对超大粒径块石抛填地基采用强夯法进行加固处理。
本文以十堰基地迁建项目为依托,对削山填谷区域的地基处理方法进行了深入的研究,提出采用不同能级强夯+注浆+潜孔冲击高压旋喷桩(以下简称DJP桩)的变刚度复合地基处理方案,以达到提高地基承载力、减小整体沉降和差异沉降的目的,为山区建设中削山填谷区域地基处理提供了新的思路和经验。
图1 场区典型地质剖面
十堰基地迁建项目原始地貌为丘陵沟谷相间分布,经开山填谷造地,逐步整平形成。该项目规划用地总面积1.497 km2,总投资210 807万元。场区典型地质剖面图如图1所示。填土主要为开山片岩块石、碎石,粒径变化大,最大填土厚度约50 m,回填方式多为随意抛填,未进行分层碾压夯实。
根据地质条件和上部建(构)筑物的使用要求,设计应在保证地基承载力满足要求的前提下,以变形控制为主要设计目标。为此提出采用不同能级强夯+注浆+DJP桩的变刚度复合地基设计理念。通过强夯在上部形成硬壳层,解决表层土体的结构架空问题;对强夯影响深度范围以下的土体,采用注浆法,增强土颗粒间的联结,提高土体强度;对于变形要求严格的区域,需同时设置DJP桩来减小沉降变形。
具体设计方法如下:
(1)由于填土松散,填土厚度差异大,且处理后要求达到的技术指标不同,因此采用不同能级的强夯进行加固处理[10-11],不同强夯能级选取的原则:填土厚度大的强夯能级高,填土厚度小的强夯能级低。
(2)根据研究[12],12 000 kN·m能级的强夯对碎石土的有效加固深度约为11.0 m,影响加固深度约15 m。因此,对强夯影响深度以下的土层,即对埋深超过15 m的填土,进行注浆加固,以减小填土的颗粒孔隙,提高土体密实度。
(3)对变形比较敏感的建(构)筑物区域,根据填土深度设置不同桩数、直径和桩长的DJP桩进行加固处理,以达到控制整体沉降和不均匀沉降的目的。
以总装车间为例,采用变刚度地基处理的示意图如图2~图4所示。
图2 总装车间分级强夯平面布置图
图3 部分总装车间DJP桩平面布置图
图4 总装车间注浆平面布置图
根据填土厚度不同,分别选取2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 kN·m能级进行强夯。4 000、6 000 kN·m能级为第一类夯点,采用4遍成夯,第1、2遍为主夯,第3、4遍为满夯;8 000、10 000、12 000 kN·m能级为第二类夯点,采用5遍成夯,第1、2遍为主夯,第3遍为加密夯,第4、5遍为满夯。强夯施工参数详见表1。
图5 10 000 kN·m 能级平板载荷试验曲线图
表1 强夯能级分区设计参数表
图6 10 000 kN·m能级动力触探测试对比图
(1)在施工完成后7~14 d内采用平板载荷试验进行地基承载力检测。试验加载过程中承压板四周未出现侧向挤出现象,未出现沉降骤然增大现象, 加载至400 kPa后卸载,直至试验结束。其中以10 000 kN·m能级为例,其P-s曲线如图5所示。
由图5可以看出,强夯后的地基承载力大于200 kP,满足设计要求。建筑物外道路、停车场及绿化场地(处理后地基承载力特征值fak不小于120 kPa)等对承载力要求小并对差异沉降不敏感的区域可以直接采用强夯后的人工地基。
(2)强夯地基均匀性采用动力触探进行检验。取夯前1个测试孔、夯后各能级1个测试孔(在施工完成后7~14 d内测试)进行对比分析。以10 000 kN·m能级为例,强夯前后超重型动力触探对比曲线如图6所示。从图6可以看出,夯后土体动探击数(修正击数)平均整体有所提高,土体均匀性有所改善,基本可达到中密状态。
图7 注浆前后动力触探测试对比图
注浆加固是将水泥浆或其他化学浆液注入地基土层中,以此增强土颗粒间的联结,提高土体强度,减小变形,降低土体的渗透性[13-15]。对埋深超过15 m的填土,强夯完成后进行注浆加固,注浆孔按穿透填土厚度不小于0.5 m控制,注浆孔间距2.5 m,按矩形布置。注浆压力、水泥掺量等施工参数根据注浆试验确定。
注浆效果采用动力触探进行检验[16]。取注浆前1个测试孔、不同强夯能级下注浆后1个测试孔(施工完成28 d后测试)进行对比分析。以10 000 kN·m能级强夯后的注浆孔为例,超重型动力触探对比曲线如图7所示。从图7可以看出,注浆后土体动探击数(修正击数)平均整体有所提高,土体密实度提高。
潜孔冲击高压旋喷桩(DJP),是一种将潜孔锤与高压旋喷桩相结合的新型工法[17]。根据《建筑地基基础设计规范》,单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩荷载试验确定,也可按式(1)、式(2)估算,取其中较小值。
Ra=ηfcuAp
(1)
(2)
式中,fcu为与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(边长为70.7 mm的立方体)在标准养护条件下28 d龄期的立方体抗压强度平均值;η为桩身强度折减系数,可取0.33;Ap为桩的截面积;up为桩的周长;n为桩长范围内所划分的土层数;li为桩长范围内第i层土的厚度;qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)有关规定或地区经验确定;αp为桩端阻力发挥系数,按地区经验确定;qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007)的有关规定确定。
以总装车间为例,取桩径0.6 m,桩长12 m的DJP桩估算单桩承载力,Ra=140 kN。
根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)对有粘结强度增强体复合地基承载力计算
(3)
图8 单桩静载试验曲线图
式中,fspk为复合地基承载力特征值;m为面积置换率;Ra为单桩承载力特征值;Ap为桩的截面积;β为桩间土承载力折减系数,可根据试验或类似土质条件工程经验确定,无经验时可取0~0.5,承载力较低时取低值;fsk为处理后桩间土承载力特征值,应按静载荷试验确定,无试验资料时可取天然地基承载力特征值。
以总装车间为例,取桩径0.8 m、桩长17 m、梅花形布桩的复合地基承载力fspk=220 kPa。
图9 复合地基平板载荷试验曲线图
(1)单桩竖向承载力在成桩28 d后通过单桩静载试验进行检验。以总装车间桩径0.6 m、桩长12 m的DJP桩为例,单桩静载试验结果如图8所示。从图8可以看出,Q-s曲线呈缓变型, 单桩竖向承载力Ra>140 kN,满足设计要求。
(2)复合地基承载力在成桩28 d后通过平板载荷试验进行检验。同样以总装车间桩径0.6 m、桩长12 m的DJP桩处的复合地基为例,平板载荷试验结果如图9所示。从图9可以看出,P-s曲线呈缓变型,取s/b=0.006对应的荷载为复合地基承载力,fspk>220 kPa,满足设计要求。
根据《建筑地基基础设计规范》和《建筑地基处理技术规范》计算复合地基压缩模量
Espi=ξEsi
(4)
ξ=fspk/fak
(5)
式中,Espi为第i层复合土层的压缩模量;ξ为复合土层的压缩模量提高系数;fspk为复合地基承载力特征值;fak为基础底面下天然地基承载力特征值。强夯、DJP工法桩、注浆加固处理部分处理区域沉降变形,采用复合地基最终变形量进行估算
S=ψspS′
(6)
根据不同填土厚度、不同荷载对地基沉降的影响,选取有代表性的区域总装车间进行地基的整体沉降计算,其加固设计方案如图2~图4所示,计算结果详见表2。
表2 总装车间基础DJP工法处理区地基最终变形量估算
由表2可以看出,在采用不同能级强夯+注浆+DJP桩变刚度复合地基处理后,总装车间地基的最大沉降为15.59 mm,满足规范和设计要求。
根据《建筑地基基础设计规范》5.3.4条规定,工业与民用建筑相邻柱基的沉降差不大于0.002l(l为相邻柱基的中心距离)。由表2可以看出,相邻柱基的沉降差最大为5.21 mm,小于0.002×24 000=48 mm,满足规范和设计要求。
采用不同能级强夯+注浆+DJP桩的变刚度复合地基处理方案,考虑了强夯、注浆和DJP桩的优缺点。强夯的作用是消除表层~中深部填土地基的湿陷性,降低填土的压缩性,使上部土体形成“硬壳层”,可抵抗上部荷载传递的应力作用;注浆加固主要是减少了超出强夯处理深度范围外土体的架空现象,避免深部地基因未完成自重固结而造成上部建(构)筑物的不均匀沉降及局部倾斜;DJP桩主要是控制填土深度大的重要建(构)筑物区域的整体沉降及差异沉降。
通过对工程实例的研究分析,得出以下结论:
(1)变刚度复合地基处理方案以变形控制为设计依据,总体思路是处理后地基刚度与荷载效应相匹配,荷载大的区域地基刚度大,荷载小的区域地基刚度小,以达到控制差异沉降的目的。
(2)采用不同能级强夯+注浆+DJP桩的变刚度复合地基处理方案,能有效解决削山填谷区域建筑地基整体沉降和差异沉降过大的问题,满足建(构)筑物的使用要求。
(3)该项工程应用证明,不同能级强夯+注浆+DJP桩的变刚度复合地基处理技术,是一种行之有效的新组合、新工艺,为山区建设中削山填谷区域地基处理提供了新的思路和经验。