鄭建偉
(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司石家莊設(shè)計(jì)院,河北石家莊 050021)
近幾年來(lái),參加了許多坐落在沿江及沿海等大面積軟弱土地基上的冶金工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這些工程的地質(zhì)條件比較復(fù)雜,其地表除一層雜填土或耕植土外,下部均有較厚的軟土地層,深淺不一。堅(jiān)實(shí)的持力層,比如砂層、礫石層、巖層、風(fēng)化巖層埋藏較深。原料堆場(chǎng)要求地基承載力較高,一般天然地基很難滿足承載力要求,必須對(duì)較軟弱土層進(jìn)行地基處理,才能有效地作為上部結(jié)構(gòu)的地基持力層。地基加固處理的方法有很多種,大能級(jí)強(qiáng)夯置換法相比砂石樁置換法、真空降水+強(qiáng)夯擠密法、CFG樁法等,具有很多優(yōu)勢(shì),該方法因地制宜,就地取材,經(jīng)濟(jì)合理,綜合造價(jià)低,地基處理效果明顯,現(xiàn)結(jié)合具體工程詳述如下。
擬建某鋼鐵公司位于長(zhǎng)江流域,原料堆場(chǎng)部分要求地基承載力特征值不小于250 kPa,根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,原料堆場(chǎng)區(qū)域的持力層地基承載力特征值為80 kPa~120 kPa左右,場(chǎng)地必須進(jìn)行地基處理,才能滿足上部結(jié)構(gòu)的受力要求,并且處理后地基不能發(fā)生大面積滑動(dòng)失穩(wěn),并適當(dāng)控制沉降量,原料堆場(chǎng)的處理面積約為22萬(wàn)m2。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探原位測(cè)試及土工試驗(yàn)成果綜合分析,擬建場(chǎng)地土地層其土體結(jié)構(gòu)與特征自上而下描述如下:
第①層雜填土:雜~灰黃色,稍濕,呈松散~中密狀態(tài)。含少量磚塊、碎石及粘性土。層厚0.40 m~1.90 m,松散狀態(tài),土質(zhì)不均勻,無(wú)建筑意義。
第②層粉質(zhì)粘土:灰、灰黃色,濕,可塑狀態(tài)。層厚0.50 m~3.60 m,土層壓縮模量為4.77 MPa,屬高壓縮性土,承載力特征值為100 kPa,可作為一般建筑物天然地基持力層。
第③層粉土:黃、黃灰色,濕,中密狀態(tài)。層厚0.60 m ~4.60 m。土層壓縮模量為5.25 MPa,屬高壓縮性土,承載力特征值為120 kPa。
第④層粉砂:灰色,很濕,松散狀態(tài)。層厚2.90 m~16.90 m,承載力特征值為120 kPa。
第⑤層粉砂:灰色,很濕,稍密狀態(tài)。最大揭露層厚12.70 m,最低揭露層底標(biāo)高-19.50 m,承載力特征值為150 kPa。
第⑥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:灰色,很濕~飽和,流~軟塑狀態(tài)。最大揭露層厚19.10 m,最低揭露層底標(biāo)高-30.83 m。承載力特征值為80 kPa。壓縮模量為3.43 MPa。屬高壓縮性土,承載能力低。
第⑦層粉質(zhì)粘土:灰、灰黃色,稍濕,硬塑狀態(tài)。最大揭露層厚4.70 m,最低揭露層底標(biāo)高 -33.66 m,承載力特征值為160 kPa。壓縮模量為5.15 MPa。屬低壓縮性土,具有較高承載能力。
第⑧層含圓礫中砂:青灰~淺黃色,飽和,中密~密實(shí)狀態(tài)。最大揭露層厚9.40 m,最低揭露層底標(biāo)高-42.17 m,具有較高承載能力,承載力特征值為220 kPa,壓縮模量為8.66 MPa。
擬建場(chǎng)地地下水為孔隙潛水。地下水位受大氣降水、周邊地表水和長(zhǎng)江及青山河水位影響,勘察期間穩(wěn)定水位埋藏深度在-2.0 m 左右。
原料礦石堆場(chǎng)屬散料堆場(chǎng),散料堆場(chǎng)由它自身的生產(chǎn)工藝決定堆場(chǎng)荷載為大面積堆載,在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力傳遞深度大、收斂慢,在軟土地基中建設(shè)該類堆場(chǎng),不僅地基沉降大,而且地基的深層滑動(dòng)穩(wěn)定性差,一般均需作深層的地基加固處理,以滿足堆場(chǎng)的使用要求。
地基加固方案一般有強(qiáng)夯置換法、砂石樁置換法、真空降水+強(qiáng)夯擠密法、CFG樁法等。
砂石樁置換法由于采用沉管成樁等施工工藝,其加固深度可滿足深層加固的要求,該法不僅有置換作用提高地基極限承載力,而且還有排水固結(jié)效應(yīng),可使樁間土強(qiáng)度提高,從而顯著提高地基加固效果,但是,該加固方法綜合造價(jià)較高,施工速度較慢。
真空降水+強(qiáng)夯擠密法是利用強(qiáng)夯的沖擊能量對(duì)土層進(jìn)行擠密,對(duì)于加固地下水位高、滲透系數(shù)大于10-5以上的粉土層或砂層有很好的效果。根據(jù)本工程提供的鉆孔資料可以看出,本區(qū)域第②層粉質(zhì)粘土的滲透系數(shù)為2.5×10-7,采用真空降水+強(qiáng)夯擠密法施工,不適合本工程使用。
CFG樁法雖然加固深度也較大,加固效果也較顯著,但由于其加固機(jī)理主要是采用樁體作用,無(wú)排水固結(jié)效應(yīng),不能使樁間土強(qiáng)度增長(zhǎng),在大面積、大荷載堆場(chǎng)地基加固中往往要采用很高的置換率,且其采用的加固材料單價(jià)較高,因此綜合造價(jià)很高,方案沒(méi)有明顯的優(yōu)越性。
強(qiáng)夯置換塊石墩系利用專用設(shè)備,反復(fù)將重錘提升到一定高度,并使其自由落下地基,以強(qiáng)大的沖擊和振動(dòng)能量將塊石或碎石等粗料夯入軟弱地基中,直至到達(dá)下部良好的持力層,使土體顆粒重新排列,達(dá)到更加密實(shí)的結(jié)構(gòu),從而提高地基的強(qiáng)度,降低其壓縮性,改善地基承載性能,在被加固地層中形成強(qiáng)夯置換墩復(fù)合地基結(jié)構(gòu),以提高軟土地基的承載力。
強(qiáng)夯置換塊石墩地基處理方法,在冶金工業(yè)廠房軟土地基處理中被廣泛使用,具備處理效果明顯,施工方便,使用范圍廣泛,經(jīng)濟(jì)易行,就地取材,綜合造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)。
本工程大能級(jí)強(qiáng)夯置換塊石墩,是利用特重錘巨大的夯擊能量,將滿鋪于地面的鋼渣、石料或建筑垃圾以點(diǎn)夯的方式夯入土中。在夯擊過(guò)程中夯坑中多次填入鋼渣或石料,重復(fù)夯擊和填鋼渣或石料,直至鋼渣或石料穿過(guò)軟土層抵達(dá)下部持力層,形成密實(shí)的鋼渣或石料墩,它可以起到置換和排水井的作用,加速土體的固結(jié),形成置換鋼渣或石料墩與固結(jié)后軟粘土的復(fù)合地基。同時(shí)在鋼渣或石料墩頂部設(shè)置了一定厚度的經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯夯實(shí)的鋼渣、石料、建筑垃圾等墊層,可以使上部結(jié)構(gòu)巨大的荷載經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)能更均勻的通過(guò)鋼渣或石料墩傳遞到持力層上。從而由墊層、鋼渣或石料墩、樁土復(fù)合地基和下部持力層組成一座空間的框架復(fù)合傳力系統(tǒng),以承受上部的荷載。
1)鋼渣或石料墩直徑:樁徑為1.6 m,截面積為2 m2,樁長(zhǎng)為4 m~5 m。由于本工程場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜,基底淤泥厚度不均。
2)鋼渣或石料墩間距:墩點(diǎn)按正三角形布置,間距為5 m。
3)復(fù)合地基的承載力:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)載荷板和現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn),確定塊石墩單樁和樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值。其計(jì)算公式為:
其中,m=d2/d2e。
等邊三角形布置:de=1.05s。
正方形布置:de=1.13s。
矩形布置:de=1.13√s1·s2。
其中,fsp,k為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值;fp,k為樁體單位截面積承載力標(biāo)準(zhǔn)值;fs,k為樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值;m為面積置換率;d為樁的直徑;de為等效影響圓的直徑;s,s1,s2分別為樁的間距、縱向間距和橫向間距。
4)復(fù)合地基的壓縮模量:按下式計(jì)算:
其中,Esp為復(fù)合土層的壓縮模量;Es為樁間土的壓縮模量;m為面積置換率;n為樁土應(yīng)力比,對(duì)粘性土可取2~4,對(duì)粉土可取1.5~3,原土強(qiáng)度低時(shí)取大值,反之取小值。
5)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 強(qiáng)夯施工參數(shù)表
6)施工設(shè)備:強(qiáng)夯塊石墩采用起重量為50 t的履帶式吊機(jī)作為夯擊機(jī)械,其最大起吊高度為25 m;強(qiáng)夯置換夯錘采用直徑為1.2 m,高度為2.27 m,錘重20 t~25 t的鑄鋼錘,最大單擊夯擊能為 600 t·m。
7)單樁停夯標(biāo)準(zhǔn):a.單樁累計(jì)夯沉量大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的1.5倍;b.單樁累計(jì)回填料大于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)乘以設(shè)計(jì)樁徑的1.3倍;c.按設(shè)計(jì)的夯擊能打滿要求的擊數(shù),最后兩擊的夯沉量小于10 cm。
8)表面塊石墊層采用直徑為2.4 m的夯錘,以150 t·m的夯擊能量普夯一遍。
冶金工程中的原料礦石堆場(chǎng)為大面積堆載,要求地基承載力較高,采用大能級(jí)強(qiáng)夯置換塊石墩地基處理方法,充分利用冶金工程生產(chǎn)構(gòu)成中產(chǎn)生的廢料,粗料可以采用冶煉過(guò)程中的殘留的鋼渣,以及破碎中的一些碎石料等,具有就地取材,方便實(shí)用,簡(jiǎn)單易行,處理效果明顯等優(yōu)點(diǎn),在參加設(shè)計(jì)的幾個(gè)沿海地區(qū)工程中被廣泛使用,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
[1] GB 50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].
[2] JGJ 79-2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].
[3] GB 50202-2002,建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].