郭堯順

(福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

隨著現(xiàn)代畜禽業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖的發(fā)展，動(dòng)物防疫工作越來越受重視。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)常建在人煙稀少的深山里，很大程度上減少了動(dòng)物疫病的傳染。這類養(yǎng)殖場(chǎng)為解決用地問題，常是在深山里削坡填溝，平整場(chǎng)地作為建設(shè)用地。在場(chǎng)地內(nèi)，常分布有較大厚度的填土層及削坡出露的風(fēng)化巖層，該類巖土層相互間的巖土工程性質(zhì)差異性大，以致整個(gè)場(chǎng)地的地基均勻性差。此外，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的建筑往往以單層輕型建筑為主，具備建筑荷載小而占地面積大的特點(diǎn)，若采用樁基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)合理性欠佳。

強(qiáng)夯法作為一種重要的地基處理工藝，自20世紀(jì)70年代起，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，它具有加固效果顯著、適用性廣、施工簡(jiǎn)便、工期短、地基處理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，非常適用上述類似工程不均勻地基的加固與調(diào)節(jié)處理。

本文以漳州某養(yǎng)豬場(chǎng)為工程實(shí)例，根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)巖土層條件，從基礎(chǔ)選型、加固設(shè)計(jì)、地基強(qiáng)度驗(yàn)算及基礎(chǔ)沉降變形驗(yàn)算等方面著手，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)等驗(yàn)證手段，探討強(qiáng)夯法在填方區(qū)不均勻場(chǎng)地、輕型建筑中應(yīng)用的可行性與可靠性。實(shí)例表明，對(duì)工程地質(zhì)性能差的填方區(qū)進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理，改善地基性能后，與天然巖層聯(lián)合作為輕型建筑的淺基礎(chǔ)持力層，經(jīng)基礎(chǔ)沉降調(diào)節(jié)，建筑基礎(chǔ)沉降(沉降量、沉降差)，均可控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，并與樁基方案相比較具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。在技術(shù)上可行，且經(jīng)濟(jì)合理，可供類似工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參考與借鑒。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

本工程位于漳州市漳浦縣官潯鎮(zhèn)某養(yǎng)豬場(chǎng)，工程場(chǎng)地屬剝蝕殘山地貌，原為山凹地。四面環(huán)山，地勢(shì)總體呈西高東低，整個(gè)建設(shè)場(chǎng)地由人工削坡回填平整而成，總用地面積約5.33 hm2，擬建養(yǎng)豬場(chǎng)育肥舍、保育舍、淋浴消毒間等十多棟單層建筑物。

本文選擇其中1棟具代表性、其地基不均勻具典型性的育肥舍作為工程實(shí)例。擬建育肥舍1層，建筑高度5.6 m，長(zhǎng)68.5 m×寬36.2 m，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱距6.0 m～7.7 m，單柱荷載211.2 kN～658.0 kN。擬建位置位于養(yǎng)豬場(chǎng)場(chǎng)地的西側(cè)，正好處在場(chǎng)地削方、填方過渡段。受原地形的影響，育肥舍西端為削方區(qū)，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層直接出露地表，向東逐步過渡到填方區(qū)，填土層厚度逐步變厚?？繓|端的填土層厚度最大，一般厚度6 m～8 m，無臨空面，下臥層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層。場(chǎng)地由西向東，出露地表的巖土層依次為中風(fēng)化花崗巖層③、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層②和素填土層①。素填土層①為新近回填土，以原山體削挖出來的坡殘積砂質(zhì)黏性土及風(fēng)化巖回填為主，約含10%～30%碎塊石等硬質(zhì)物，碎塊石粒徑一般約5 cm～25 cm。該土層回填時(shí)未經(jīng)分層碾壓夯實(shí)，呈松散狀態(tài)，土層性質(zhì)很不均勻。據(jù)該工程勘察期的淺層平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，素填土層①的地基承載力特征值60 kPa～85 kPa，換算的壓縮模量3.0 MPa～4.3 MPa。場(chǎng)地地下水位埋深約4 m～6 m。場(chǎng)地典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示，各巖土層相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

表1 巖土層參數(shù)

1.2 基礎(chǔ)選型

本工程為單層輕型建筑，具備荷載小而占地面積大的特點(diǎn)。若采用樁基礎(chǔ)方案，工程造價(jià)相對(duì)較高，經(jīng)濟(jì)合理性差，宜考慮采用淺基礎(chǔ)方案。

場(chǎng)地西端表層的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層②和中風(fēng)化花崗巖層③具有高承載力、低壓縮性，且直接出露地表，無軟弱下臥層，是良好的天然淺基礎(chǔ)持力層。但場(chǎng)地東端表層的素填土層①為新近回填土，回填時(shí)未經(jīng)密實(shí)處理，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，屬工程地質(zhì)性能差的高壓縮性土。此外，除了素填土層①自身的土層性質(zhì)不均勻，與碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層②以及中風(fēng)化花崗巖層③綜合比較，場(chǎng)地內(nèi)巖土層間的差異性更大，地基不均勻性更為凸顯，為不均勻二級(jí)地基。故本工程若采用淺基礎(chǔ)方案，應(yīng)對(duì)場(chǎng)地表層的素填土層①進(jìn)行加固處理。一方面是要提高素填土層①的地基承載力，另一方面是要降低其壓縮性，盡量縮小與場(chǎng)地西端風(fēng)化巖層的差異性，最大限度減小基礎(chǔ)不均勻沉降，以便于基礎(chǔ)沉降調(diào)節(jié)控制。

綜合各類地基處理工藝、場(chǎng)地條件、基礎(chǔ)造價(jià)等因素，本工程選擇對(duì)場(chǎng)地表層的素填土層①進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理，有效提高其地基承載力并降低其壓縮性、改善地基性能后，與場(chǎng)地西端的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層②以及中風(fēng)化花崗巖層③聯(lián)合作為擬建育肥舍的淺基礎(chǔ)持力層?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深取1.5 m。

1.3 地基加固設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)施工前，本養(yǎng)豬場(chǎng)在場(chǎng)地內(nèi)具代表性的填方區(qū)選取2個(gè)30 m×30 m試夯區(qū)，經(jīng)試夯前、后檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，試夯區(qū)地基加固效果明顯。試夯確定的各項(xiàng)參數(shù)，作為本養(yǎng)豬場(chǎng)整個(gè)場(chǎng)地強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)依據(jù)。

依據(jù)試夯確定的參數(shù)及規(guī)范[1]，以及兼顧強(qiáng)夯費(fèi)用節(jié)支。本工程按各區(qū)域的填土層厚度，有針對(duì)性地選用不同的點(diǎn)夯夯擊能E。擬建育肥舍靠西側(cè)的填土層厚度約1 m～3 m,點(diǎn)夯夯擊能選用1000 kN·m；育肥舍東端的填土層厚度約8 m,點(diǎn)夯夯擊能選用6000 kN·m；兩端中間段的點(diǎn)夯夯擊能按填土層厚度進(jìn)行內(nèi)插取值，即填土層厚度每增加1 m,點(diǎn)夯夯擊能增加1000 kN·m。夯點(diǎn)按7 m×7 m正方形布置，點(diǎn)夯二遍，第二遍的夯點(diǎn)布于第一遍夯點(diǎn)中間，每夯點(diǎn)5擊，點(diǎn)夯夯擊能E<4000 kN·m的最后2擊平均夯沉量不大于5 cm，點(diǎn)夯夯擊能E介于4000～6000 kN·m之間的最后2擊平均夯沉量不大于10 cm。點(diǎn)夯后，整個(gè)場(chǎng)地以低能量進(jìn)行滿夯二遍，滿夯夯擊能采用2000 kN·m，每夯點(diǎn)2擊，錘印搭接1/4。每?jī)杀楹粨糁g的間隔時(shí)間為3 d，強(qiáng)夯處理范圍每邊超出基礎(chǔ)外邊緣5 m。夯點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。

強(qiáng)夯施工基本步驟：定位放線、平整場(chǎng)地、標(biāo)出第一遍夯點(diǎn)位置、測(cè)量高程→第一遍點(diǎn)夯施工→就地推平夯坑、測(cè)量場(chǎng)地高程→第二遍夯點(diǎn)施工→就地推平夯坑→第一遍滿夯→第二遍滿夯。夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大隆起，夯坑不宜過深，必要時(shí)應(yīng)對(duì)施工能級(jí)及擊數(shù)根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行一定調(diào)整。要求強(qiáng)夯處理后的素填土層①地基承載力特征值不小于120 kPa，壓縮模量Es不小于6 MPa，以現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)及重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)確定。

圖2 夯點(diǎn)布置示意圖

1.4 基礎(chǔ)平面布置

圖3 基礎(chǔ)平面布置圖

1.5 淺基與樁基造價(jià)對(duì)比

本文依據(jù)工程建設(shè)期間的漳浦縣材料綜合價(jià)格及福建省機(jī)械臺(tái)班費(fèi)，分別進(jìn)行淺基方案、樁基方案的基礎(chǔ)造價(jià)估算。擬建育肥舍采用強(qiáng)夯地基淺基礎(chǔ)方案，66個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)造價(jià)加上場(chǎng)地的強(qiáng)夯費(fèi)用，預(yù)估育肥舍基礎(chǔ)總造價(jià)約19.6萬元(經(jīng)竣工結(jié)算，基礎(chǔ)實(shí)際總造價(jià)19.32萬元)。擬建育肥舍填方區(qū)48個(gè)框架柱，若采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)方案，以中風(fēng)化花崗巖層③作為樁端持力層，單柱單樁，樁徑ф800 mm，單樁樁長(zhǎng)約6 m～10 m，總樁長(zhǎng)約400 m，加上樁基承臺(tái)造價(jià)以及削方區(qū)18個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)造價(jià)，預(yù)估育肥舍基礎(chǔ)總造價(jià)約49.6萬元。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，擬建育肥舍采用強(qiáng)夯地基淺基礎(chǔ)方案比采用樁基礎(chǔ)方案的基礎(chǔ)造價(jià)節(jié)省約30萬元。延展到整個(gè)工程項(xiàng)目，預(yù)估基礎(chǔ)造價(jià)可節(jié)省約350萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

1.6 地基驗(yàn)算

本文以擬建育肥舍在填方區(qū)具一定代表性的⑨軸交E軸的柱下獨(dú)立基礎(chǔ)DJ02為例，進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算、基礎(chǔ)沉降變形驗(yàn)算等。DJ02獨(dú)立基礎(chǔ)底面邊長(zhǎng)b=l=2.7 m。根據(jù)規(guī)范[2]，強(qiáng)夯加固并經(jīng)深度修正后的素填土層①地基承載力特征值fa=137.5 kPa，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層及中風(fēng)化巖層的地基承載力特征值不修正。

1.6.1 承載力驗(yàn)算

由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)上部結(jié)構(gòu)傳至DJ02獨(dú)立基礎(chǔ)頂面的豎向力Fk=652.2 kN，基礎(chǔ)自重及基礎(chǔ)上的土重Gk=218.7 kN，作用于基礎(chǔ)底面的力矩值Mkx=16.8 kN·m，Mky=5.1 kN·m。

(3)依照以上方法，對(duì)育肥舍全部66個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行承載力驗(yàn)算，地基承載力均滿足規(guī)范[2]要求。

1.6.2 基礎(chǔ)沉降變形驗(yàn)算

表2 沉降量計(jì)算過程表

依照以上方法，并考慮剛性下臥層對(duì)上覆土層的變形增大系數(shù)βgz后，計(jì)算育肥舍全部66個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)的地基最終沉降變形量為0 mm～40.4 mm，滿足柱基沉降量不大于120 mm的要求。另外，育肥舍柱距6.0 m～7.7 m，要求相鄰柱基的基礎(chǔ)沉降差不大于12.0 mm～15.4 mm。場(chǎng)地西端①軸的6個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)位于中風(fēng)化花崗巖層③中，中風(fēng)化巖層視為不可壓縮層，地基最終沉降變形量為0 mm。②軸、③軸的12個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)位于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層②中，地基最終沉降變形量為2.8 mm～7.9 mm。④軸～軸的48個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)的地基最終沉降變形量為18.6 mm～40.4 mm，由④軸向東至軸，場(chǎng)地填土層厚度逐步變厚，地基最終沉降變形量也相對(duì)逐步增大。66個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)經(jīng)逐個(gè)核對(duì)，相鄰柱基的沉降差均滿足規(guī)范[2]要求。同時(shí)，在①軸～③軸強(qiáng)度高的持力層上鋪墊一定厚度的褥墊層，在基礎(chǔ)持力層差異較大的③軸、④軸之間設(shè)置后澆帶等構(gòu)造措施，相鄰柱基的沉降差得到進(jìn)一步改善。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)

根據(jù)強(qiáng)夯地基土層性質(zhì)，無法采取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，因此，本工程選用重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱“動(dòng)探”)方法，進(jìn)行強(qiáng)夯地基的均勻性及承載力檢驗(yàn)，并進(jìn)行強(qiáng)夯前后對(duì)比。強(qiáng)夯前對(duì)比點(diǎn)和強(qiáng)夯后檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量均按每400 m2不少于1個(gè)的要求，在場(chǎng)地內(nèi)隨機(jī)均勻布置。

擬建育肥舍強(qiáng)夯處理面積約3000 m2，共布置強(qiáng)夯前對(duì)比點(diǎn)8個(gè)、強(qiáng)夯后檢驗(yàn)點(diǎn)8個(gè)，分別進(jìn)行動(dòng)探檢驗(yàn)，檢驗(yàn)深度為基礎(chǔ)底面以下至填土層底。每貫入10 cm計(jì)1次擊數(shù)，經(jīng)桿長(zhǎng)修正后的動(dòng)探試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比詳見表3。由表3可知，強(qiáng)夯后的地基土動(dòng)探最小擊數(shù)增幅達(dá)到175%，最大擊數(shù)也相應(yīng)程度增大，擊數(shù)極差及變異系數(shù)均有一定程度減小，擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值增幅達(dá)到114%。說明地基土內(nèi)部薄弱部位得到明顯補(bǔ)強(qiáng)，均勻性得到較大程度改善，地基土強(qiáng)度得到明顯提高。

依據(jù)地質(zhì)手冊(cè)[3]查表可知，強(qiáng)夯后的地基土承載力特征值不小于160 kPa，壓縮模量不小于6.5 MPa，滿足地基加固設(shè)計(jì)要求。

表3 動(dòng)探試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

2.2 淺層平板載荷試驗(yàn)

地基強(qiáng)夯完成后，該工程采用淺層平板載荷試驗(yàn)方法進(jìn)行強(qiáng)夯地基承載力檢驗(yàn)，并計(jì)算變形模量。檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量每個(gè)建筑地基不少于3個(gè)，在場(chǎng)地內(nèi)選擇代表性位置相對(duì)均勻布置，試驗(yàn)位置位于基礎(chǔ)底面標(biāo)高處。

擬建育肥舍在強(qiáng)夯處理范圍內(nèi)共布置3個(gè)淺層平板載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)點(diǎn)，方形承壓板尺寸1.0 m×1.0 m，承壓板面積1.0 m2，最大試驗(yàn)荷載加至240 kPa，分8級(jí)加載，每級(jí)加載量30 kPa，試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)及變形模量如表4所示。3個(gè)載荷試驗(yàn)的p-s曲線均為緩變曲線，典型p-s曲線如圖4所示，地基承載力特征值取最大試驗(yàn)荷載的一半，即取120 kPa。

表4 載荷試驗(yàn)成果

圖4 載荷試驗(yàn)p-s曲線(S3點(diǎn))

由此可見，強(qiáng)夯后的地基土承載力特征值不小于120 kPa，且根據(jù)變形模量與壓縮模量的關(guān)系[4]計(jì)算土的壓縮模量Es=7.7～10.1 MPa>6.0 MPa，滿足地基加固設(shè)計(jì)要求。

2.3 沉降觀測(cè)

該工程在育肥舍四角及沿外墻每隔1根框架柱的柱基上，布置1個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置18個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。根據(jù)施工期及竣工后連續(xù)觀測(cè)，各觀測(cè)點(diǎn)的總沉降量0.3 mm～35.6 mm，目前已沉降穩(wěn)定，沉降觀測(cè)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值基本吻合。該養(yǎng)豬場(chǎng)建成后，已使用兩年多時(shí)間，未見建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)破壞等問題而影響正常使用的情況，目前養(yǎng)豬場(chǎng)運(yùn)營(yíng)良好。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，場(chǎng)地表部素填土層①經(jīng)強(qiáng)夯處理后的地基承載力特征值由60～85 kPa提高到至少120 kPa，壓縮模量由3.0～4.3 MPa提高到至少6.0 MPa。素填土層①的地基性能及其均勻性得到有效改善，地基加固效果明顯。

(2)素填土層①經(jīng)強(qiáng)夯處理后，在一定程度上縮減與場(chǎng)地西端的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層②及中風(fēng)化花崗巖層③之間的差異性。三者聯(lián)合作為單層育肥舍基礎(chǔ)持力層的淺基礎(chǔ)方案，經(jīng)地基強(qiáng)度及沉降變形驗(yàn)算，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等手段驗(yàn)證，以及基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比，表明本工程單層育肥舍采用淺基礎(chǔ)方案，在技術(shù)上可行且經(jīng)濟(jì)合理。

(3)強(qiáng)夯法雖在各類工程中得到廣泛應(yīng)用，但每個(gè)工程場(chǎng)地的巖土條件各不相同，目前對(duì)不同巖土場(chǎng)地，還沒有一套成熟且有針對(duì)性的強(qiáng)夯加固設(shè)計(jì)計(jì)算方法。在地基強(qiáng)夯處理前，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試夯確定其在擬處理場(chǎng)地的適用性和處理效果，并確定各項(xiàng)強(qiáng)夯參數(shù)。強(qiáng)夯處理后的地基承載力特征值及其均勻性應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)、其它原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)(若能取原狀土樣)等方法綜合確定和檢驗(yàn)。