教学楼地基基础工程设计优化研究

程 磊

（准格尔旗国立房地产开发有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

1 教学楼项目所在地场地条件

为确保工程项目的顺利实施，开展研究前，应明确工程项目所在地的地貌单元属于II 级的阶地，整体场地经过平整处理后，起伏相对较小。对场地进行地质勘查，勘查后，不同土层的物理特性如表1 所示。

表1 勘查后不同土层的物理特性

掌握土层基本情况后，对项目所在地的水文地质条件进行分析，相关内容见表2。

表2 项目所在地的水文地质条件

2 教学楼地基基础工程设计优化

2.1 设计参数优化

针对上述教学楼地基基础工程，结合其施工需要，对设计参数进行优化。在进行对该工程项目的地基基础施工时，将其分为两个部分：其中一部分为CFG 桩施工区域，另一个部分为碎石桩施工区域[1]。针对第一个部分，首先，结合桩身强度需要，确定桩体混合料的配比。桩体材料中的水泥含量与其他材料的配比，决定桩身强度。在后续开展CFG 桩施工时，采用级配碎石，选择粒径范围在20～50 mm 的级配碎石，选用磨细的干灰作为粉煤灰的原材料，选择级配豆石尺寸在2.2～10.0 mm 范围内的石屑[2]。按照28 d 混合料试块的强度，确定水灰比。确定CFG 桩的桩径为450 mm，两个桩结构之间的距离设置为1.20 mm，床垫的厚度设定在220 mm。床垫采用的是级配沙砾、碎石等，其最大粒度不超过2.5 cm。按照规范及设计规定，确定复合地基承载力：压缩模量不小于12 MPa；承载力特征值不小于260 kPa。

在自然条件下，土层的分层情况和处理后的复合土层的分层情况中，压缩模量的取值应相同。同时，经过复合地基处理后的土层，其产生的压缩模量数值应当为本层地基土层自然条件下地基的n倍[3]。n可由复合地基的承载力特征量与基底下自然地基的承载力特征量之比来确定[4]。根据上述计算方法，得出上述教学楼地基基础工程中各个土层的复合压缩模量，如表3 所示。

表3 教学楼地基基础工程CFG 桩施工区域各土层复合压缩模量

表3 中Es代表天然土层压缩模量；fk代表天然土层承载力特征值；fspk代表复合土层承载力特征值；Esi代表复合土层压缩模量；S代表模量提升系数。

针对第2 个部分，对其碎石桩的参数进行优化设计。碎石桩采用满堂布置方式，其布桩的范围应不小于基底范围处理宽度的1～3 排，且应当超过处理深度的1/2。碎石桩的间隔距离设置为1.2 m，每根桩的长度为4.5 m，桩的横截面直径为400 mm[5]。在桩顶和基础层之间铺设厚度为400 mm 的碎石垫层。桩体材料选用粒径范围在20～50 mm 的卵石。在经过处理后，根据设计和规范要求，设置其复合地基的承载力特征值为：复合地基压缩模量不小于12 MPa，复合地基的承载力特征值不小于280 kPa[6]。CFG 桩中的石子一般都是20～50 mm 的级配碎石，粉煤灰也可以用研磨好的干灰来代替，石屑可以用2.5～10 mm 的级配，水泥可以用425～10 mm 的硅酸盐水泥来代替。通过计算，得到第2 部分区域土层复合压缩模量，如表4 所示。

表4 教学楼地基基础工程碎石桩地基处理施工区域各土层复合压缩模量

2.2 碎石桩地基处理施工

结合上述教学楼地基基础工程设计参数优化结果，确定碎石桩地基处理的基本流程如图1所示。

图1 碎石桩地基处理施工流程图

对图1中主要工序进行详细设计说明：首先，在测量放线阶段，依据桩身位置设计图，每个桩身位置偏差不得超过20 mm。在场平完毕的现场，对建筑轴线进行定位，然后对独立地基或条状地基进行定位。其次，针对取土后成孔的施工，应当在施工前确保打桩设备安装就位，使用取土装置取土到达设计要求的深度[7]。再次，在向孔结构中填充碎石料时，填入碎石料的量应根据现场测试或估算，再将计算出的桩孔容积乘以充盈系数，一般，充盈系数取1.2～1.4。同时，在施工过程中，也要留意地面的状况，一旦地面出现隆起，沉降等情况，则要适当地降低回填的数量。填料的施工方法是在钻孔到达适当的地基深度后，将其填入孔中，通过控制锤击次数、重锤高度来控制碎石桩桩体的压实度。碎石桩的施工顺序，应当按照从中间向四周或隔排进行。最后，在确认碎石桩施工完毕后，需要通过机械装置对施工场地内的弃土进行清理，并采用压路机对施工现场进行场平碾压[8]。在碾压后，挤密土体，确保达到土体性质和预加固要求的效果，再开展后续的施工工序。

2.3 CFG 桩施工工艺

对于CFG 桩施工区域，应当严格按照图2所示的流程进行。

图2 CFG 桩施工流程图

在现场测量放线环节，需要根据设计图纸要求，将桩位的误差控制在0～20 mm 范围内，在开展第一步施工时需要按照各个轴线到各个桩结构之间的距离，放置桩结构。在开始测量时，需要确保场平完成，先将建筑物的轴线设置在现场，之后按照轴线放置独立基础和条形基础的轴线。在打桩机械装置就位后，利用取土装置将土取到设计图纸的标高位置，完成成孔工作。在处理地基时，确保土层深度符合设计要求，将混凝土拌和材料投入到孔结构中，并通过高锤的锤击次数和高度实现对CFG 桩密实度的控制，每一层都必须振捣密实，不得出现漏振的情况。在施工的过程中，需要确保每一次的锤击高度、锤击次数和投料量都严格按照规定要求设置，锤击的高度不得超过3～6 m 的范围，针对每一组锤击，次数都应当在6 次以上，每次填筑投料量都应当为0.05 m3。

3 工程质量检验

掌握教学楼项目所在地场地条件与地基工程优化施工方法后，对地基进行静载荷试验，以此种方式，进行工程项目的质量验收。载荷试验的实质上是一种大型模拟试验方法，主要用于地基条件松软或土体不均匀的关键施工部位，其主要目标是研究土体在多种状态下的强度和变形特性，对多种土体的研究，都有很高的实用价值，试验的结果也比较准确，并且可以作为其他试验的依据。

为确保试验的顺利实施，试验前，对教学楼地基所在位置进行分析，见图3。

图3 教学楼地基所在位置

在此基础上，进行静载荷试验的布置，布置方式如图4 所示。

图4 静载荷试验布置方式

根据上述图4 布置的内容，在进行地基基础工程的载荷试验中，需要进行传压系统的持续加荷处理（传压系统为千斤顶），通常采用百分比来探测承压板的变形状况，其基本原理是通过油压千斤顶增加荷载，然后使用斜撑式或锚式反力装置，将力传递到承压板上。

同一地基上的承压板尺寸不同，其沉降值也不同，也就是说，由于承压板尺寸效应的影响，最理想的承压板尺寸应与地基的尺寸相等，但在实践中很难实现。经实践证明，普通的细颗粒土承压板的面积应为50 cm×50 cm 或70.7 cm×70.7 cm。试验中，所选的试点地基对应的软土层面积应当达到100 cm×100 cm，为确保试验结果的准确性与可靠性，设计承压板的厚度通常为40 ～50 cm。此外，选择具有更高刚性的圆形或正方形钢材质板块作为承压板。

试验中，利用施力设备对承压板进行逐级加荷，直到最后一级荷载土体被破坏为止，对各级载荷下的沉降量随着时间变化进行分析，对稳定后的荷重压力和对应稳定时间的沉降量进行测量，通过此种方式，掌握地基结构的荷载压力-沉降量关系曲线，根据这些曲线，可以对桩基相关力学参数进行确定。

通过上述方式，完成试验设计，现已知桩基的荷载设计值为2 500 kPa，对施工后的试点桩基荷载进行测试，测试结果如表5。

表5 桩基荷载测试结果

4 结语

根据大量的工程实践可知，桩基础在地质结构层中，具有较强的适应性、较高的延展性、稳定性、承载能力。其抗爆炸和抗震能力较好，这是桩基非常重要的特性。为规范桩基施工，本文以某教学楼工程为例，开展了如上文所示内容的研究。

完成研究后，根据表5 桩基荷载测试结果，得到如下所示的结论：本次实验选用了1～9 桩基进行测试，测试后9 根桩基的荷载值均＞2500kPa，说明本文设计的方法可以实现对基础工程施工的优化，以此种方式，提高地基的荷载力，为上部结构施工提供稳定的支撑。