◎谷昊偉

隨著國家對環(huán)境保護的重視程度越來越高，各地為了解決水污染問題，給排水工程的新建和改造開始大規(guī)模進行。良好的土建工程是給排水工程的基礎(chǔ)，而地基處理質(zhì)量又與土建工程質(zhì)量密切相關(guān)，同時由于給排水工程的建設(shè)往往選在遠離城鎮(zhèn)中心的郊區(qū)，地質(zhì)條件不是很好。因此，只有選擇經(jīng)濟安全的地基處理方式，保證地基的堅固可靠，才能提高工程的質(zhì)量。本文結(jié)合工程實例，討論了復合地基技術(shù)在給排水工程中的應(yīng)用。

引言

作為工程項目中的基礎(chǔ)，地基質(zhì)量的好壞直接影響到工程建設(shè)能否順利完工，同時也是工程后續(xù)正常安全履行設(shè)計功能的保證。目前復合地基技術(shù)在土木工程地基處理中具有非常重要的位置，相當部分土木工程中的地基處理均采用該技術(shù)，運用該技術(shù)在保證工程質(zhì)量的同時使得項目的經(jīng)濟性得到了提高。下文介紹了地基處理的基本原則和相關(guān)要點。同時，以實際工程為例，討論了復合地基技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，并提出了相關(guān)問題。

一、復合地基簡述

在土木工程建設(shè)過程中，為了加強普通地基的內(nèi)強度，建設(shè)者有時會通過一些手段，用硬土代替普通土體，或者加入一些鋼筋、混凝土等建筑材料，使得土體得到替換或性能得到增強，這種改良的天然地基被稱之為復合地基。與天然基層相比，復合基層具有更好的穩(wěn)定性，具有更高的承載能力，從而能夠減少上部結(jié)構(gòu)的沉降。除此之外，復合基層與天然基層相比具有更好的滲透性。復合地基技術(shù)作為一種遠古時期就得到先民廣泛運用與實踐的技術(shù)，充分證明其在工程中的價值。傳統(tǒng)的復合地基處理方法主要有碎石樁等散體材料復合地基、水泥土樁等柔性復合地基以及CFG樁、預(yù)應(yīng)力管樁等剛性復合地基。正是由于工程建設(shè)過程中對更經(jīng)濟更安全的地基處理技術(shù)需求的不斷增多，才推動復合地基技術(shù)不斷的更新與發(fā)展，下面就復合地基技術(shù)的進行簡要介紹。

在土木工程項目的建設(shè)中，如果工程結(jié)構(gòu)的地基存在嚴重不穩(wěn)定因素，會影響結(jié)構(gòu)的整體安全。當前，隨著全球氣候異常頻發(fā)，許多老舊建筑地基在暴雨等自然災(zāi)害的作用下，地基存在強度不足、滲透性差等問題，導致沉降失穩(wěn)事件時有發(fā)生。因此，設(shè)計人員在工程設(shè)計中必須根據(jù)項目地質(zhì)情況合理選擇地基處理方式，積極探索與應(yīng)用新材料、新技術(shù)，達到安全與經(jīng)濟的平衡。

常見的地基基礎(chǔ)形式主要有天然地基淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和復合地基基礎(chǔ)。設(shè)計人員可以根據(jù)這些不同類型的地基選擇最合適的技術(shù)。其中，樁基主要是指上部荷載由承臺或者筏板先傳遞給樁，再通過樁傳遞給周邊土體或持力層；天然地基淺基礎(chǔ)是指未經(jīng)處理的土體即可以直接承擔淺埋基礎(chǔ)傳遞的全部荷載，不需要進行人工干預(yù)；復合地基基礎(chǔ)是指天然狀態(tài)下的地基土中的部分被強化，或被替換，或在天然地基中設(shè)置增強體，加固區(qū)是由基體（土體）和增強體兩部分組成的人工地基，其中加固體以樁作為豎向加強的又被稱為樁體復合地基。荷載由天然土體和加強體共同承受。設(shè)計人員可以根據(jù)工程項目的實際情況進行選擇，在達到更好的應(yīng)用效果的同時，爭取最優(yōu)的成本控制。

二、常見復合地基的選擇方法

1.換填墊層法。

換填墊層法適用于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深較淺的軟弱或不均勻土層的地基處理。常用的換填材料主要有：級配的砂石或碎石、2：8或3：7灰土、粉煤灰等。換填墊層的厚度應(yīng)根據(jù)原狀土的承載力或換填后下臥層的承載力進行計算后確定。

2.強夯法。

強夯法是指通過大型起重設(shè)備將重錘吊至一定的高度后，使重錘從空中自由落下，給土體以強大的沖擊，迫使土層空隙壓縮，孔隙水和氣體逸出，使土體重新排列，達到固結(jié)，從而提高地基承載力，降低其壓縮性。強夯廣泛適用于碎石土、砂土、非飽和細粒土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基的處理。強夯法的確定必須擁有詳細的地勘資料以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，掌握場地周邊建筑、管線情況，避免強夯對周邊造成影響。采用強夯法時必須進行現(xiàn)場強夯試驗，確定其效果和調(diào)整設(shè)計施工參數(shù)。

3.水泥攪拌樁。

水泥攪拌樁是以水泥作為固化劑，利用攪拌機將水泥噴入土體并充分攪拌，使水泥與土發(fā)生一系列物理化學反應(yīng)，使軟土性質(zhì)發(fā)生改變，提高硬度從而提高地基承載力，形成的水泥土樁。適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、黏性土、粉細砂（松散、中密）、飽和黃土等軟土土層。對于含阻礙攪拌機攪拌的雜物且不易清除的雜填土、密實的砂類土、地下水滲流比較嚴重，水泥與土體難以形成樁體的土層不適用。

4.CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）。

通常意義上的CFG樁是由水泥、粉煤灰等加水攪拌形成的樁，實際也常常采用素混凝灌注攪拌。CFG樁樁身一般不配置鋼筋，主要依靠和樁間土、褥墊層一起共同承載上部荷載。CFG樁具有無泥漿污染、噪音小、地基承載力提高程度高的優(yōu)點，適用于處理粘性土、粉土、沙土和下層土存在相對較硬層、承載力不低于70KPa的淤泥質(zhì)土等情況。

三、工程中地基方案的比選

下面以工程實例介紹地基方案的比選：

1.工程概況及地質(zhì)情況。

該工程位于安慶市望江縣，為某污水處理廠升級改造工程，本文以升級改造工程中一個構(gòu)筑物——提升泵房為例。提升泵房主體為地下式水工構(gòu)筑物，地面層設(shè)操作間，平面尺寸為18.80mx9.80m，基礎(chǔ)埋深約4.5m。場地的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，該場地覆蓋層厚度≥20m，場地土類型為軟弱土，故判定建筑場地類別為Ⅲ類。擬建場地的特征周期Tg=0.45s。

擬建場地為廠區(qū)預(yù)留用地，擬建場地較為平整，地面高程為13.50m，巖土層分布自上而下為：①層素填土、②層粉質(zhì)粘土（淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土）、③層粉細砂夾粉質(zhì)粘土、④層粉細砂夾粉土。該構(gòu)筑物基礎(chǔ)坐落在②層土，軟塑狀態(tài)，具有高壓縮性，不可直接用作基礎(chǔ)持力層，表1為地基設(shè)計參數(shù)一覽表。

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擬建場地在①層素填土賦存上層滯水，孔隙潛水主要為第②、③、④層中，水量豐富。②、③、④層透水性強，富水性中等，水量較大。

2.地基方案選擇。

根據(jù)本工程地勘報告和擬建構(gòu)筑物特征分析，本工程場地②層粉質(zhì)粘土（淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土）較厚且分布均勻，但本層土的工程性質(zhì)差，未經(jīng)過處理不可直接作為基礎(chǔ)的持力層。結(jié)合水池基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，且結(jié)構(gòu)整體性較好，剛度較大，樁筏基礎(chǔ)方案或復合地基方案可被考慮。

常用的樁基主要有預(yù)應(yīng)力管樁和鉆孔灌注樁，考慮給排水構(gòu)筑物一般情況下對承載力要求不高，而鉆孔灌注樁具有設(shè)備投入大、作業(yè)空間要求大、單位荷載的成本高的缺點。預(yù)應(yīng)力管樁，如采用靜壓法施工，施工噪聲小、對周邊建筑和管道沒有振動影響、工廠預(yù)制無污染，可以縮短建設(shè)工期，創(chuàng)造時間效益，從而降低工程造價，同時場地整潔、施工文明程度高。因此本工程不考慮鉆孔灌注樁方案，預(yù)應(yīng)力管樁方案可以作為備選方案之一。

給排水工程中常用的復合地基方案有：換填墊層法、水泥土攪拌樁和CFG樁。本工程基礎(chǔ)平面空間較小，埋深較深，達4.5m，根據(jù)危大工程管理辦法，屬于超過一定規(guī)模的危大工程，需進行深基坑支護，同時基礎(chǔ)底部距離③層粉細砂夾粉質(zhì)粘土最近處為2.26m，如采用換填墊層法，需全部挖除②層粉質(zhì)粘土（淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土）。考慮擬建場地周邊作業(yè)空間有限，基坑擬采用鋼板樁支護，平均超挖約2.5m換填，存在施工操作不便，支護費用大大增加，支護安全性降低的缺點，故排除此方案。

下文就預(yù)應(yīng)力管樁、水泥土攪拌樁和CFG樁進行比選。

3.樁型比選。

通過對上部模型建模計算，地基承載力需滿足pk 82KPa，故復合地基承載力設(shè)計按100KPa進行設(shè)計。水泥土攪拌樁設(shè)計樁徑取d=0.6m，樁間距s=1.2m，樁長取l=4m，按正方形布樁，面積置換率為0.188，樁身水泥土無側(cè)限抗壓強度標準值取1.8MPa，根據(jù)下列公式計算：

單樁豎向承載力特征值取公式（3-1）、（3-2）小值為116KN。

復合地基承載力特征值根據(jù)下面公式：

計算可得水泥土攪拌樁復合地基承載力為97KPa。

CFG樁徑取d=0.5m，樁間距s=1.5m，樁長取l=5m，按正方形布樁，面積置換率為0.116，樁體采用C20混凝土，根據(jù)公式（3-1）和（3-3），計算可得單樁豎向承載力特征值為124KN，CFG樁復合地基承載力為100KPa。

本提升泵房平面尺寸為18.8mx9.8m，底板每側(cè)外挑600mm，基礎(chǔ)總平面尺寸20.0mx11.0m。若采用水泥土攪拌樁復合地基，則需要180根樁，每根長4m，總樁長為720m，樁成本按320元/m3（含施工費）計算，共計約6.50萬元；若采用CFG樁復合地基，則需要113根樁，每根長5m，總樁長為565m。CFG樁成本按730元/m3（含施工費）計算，共計約8.10萬元。砂石褥墊層300mm后，按300元/m3計算，共計約2.0萬元。由于池體自重抗浮不滿足，考慮約750mm厚C20配重，價格按350元/m3計算，總配重費用約5.70萬元。

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根據(jù)地勘報告，③層及④層土土層分布穩(wěn)定，工程性能較好，可作為預(yù)應(yīng)力管樁持力層。采用預(yù)應(yīng)力管樁方案，若以④層粉細砂夾粉土作為樁端持力層時，樁需要穿越③層稍密狀態(tài)粉細砂層，應(yīng)進行試沉樁以確定沉樁參數(shù)，并在沉樁設(shè)備配備上留有一定余量。

通過對上部模型建模計算，選擇PHC-400-AB95樁型，樁長為10m，以④層粉細砂夾粉土作為樁端持力層，單樁承載力特征值為450KN，樁間距約2.3m，總樁數(shù)45根。預(yù)應(yīng)力管樁的成本主要包括主材、灌芯混凝土及施工費用，根據(jù)市場調(diào)查：PHC-400-AB95樁材料及壓樁費用約230元/m；樁尖采用錐形樁尖，約110元/個；本工程中樁有抗拔要求，根據(jù)規(guī)范灌芯混凝土不小于3m，樁尖防腐要求灌注不小于500mm混凝土，材料按450元/m3，考慮部分連接用鋼筋和封底鋼板費用，預(yù)應(yīng)力管樁方案總造價約為11.48萬元。

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從工程造價上面來看，在不需要考慮抗浮的情況下，對于給排水工程中對地基承載力要求較低的結(jié)構(gòu)，在地基承載力相近的情況下，與CFG樁和預(yù)應(yīng)力管樁相比，采用水泥攪拌樁復合地基的成本最低。水泥攪拌樁復合地基比CFG樁節(jié)省費用約19%，比預(yù)應(yīng)力管樁節(jié)約35%。當構(gòu)筑物因埋深過深或地下水水位較高，抗浮穩(wěn)定性依靠自身重力無法滿足而需要采取抗浮措施時，由于采用配重抗浮的形式往往需要使用大量混凝土，使得復合地基方案成本大幅增加，經(jīng)濟性不佳。在這種情況下，水泥攪拌樁復合地基比預(yù)應(yīng)力管樁貴約24%，CFG樁復合地基比預(yù)應(yīng)力管樁貴約37%。

從現(xiàn)場施工工期角度分析，CFG樁和水泥攪拌樁同屬于復合地基，根據(jù)地基處理規(guī)范，都需要進行試樁，成樁28d后進行靜載實驗；對于預(yù)應(yīng)力管樁，根據(jù)樁基檢測規(guī)范，成樁25d后進行靜載實驗。由于工程整體體量較小，工程樁施工工期直接差距較小，不與比較。因此，采用預(yù)應(yīng)力管樁相對CFG樁和水泥攪拌樁在工期上差距不明顯。

從施工條件角度，水泥攪拌樁和CFG樁樁機設(shè)備尺寸較小，運行荷載較小，對施工環(huán)境要求較低；管樁樁機一般尺寸較大，運行時荷載較大，在軟弱地基上必須對地表進行硬化處理方可施工。對于本工程而言，本工程為現(xiàn)有污水廠提標工程，擬建場地位于廠區(qū)深處，不利于大型設(shè)備進出和操作，作業(yè)空間較小，一側(cè)有現(xiàn)狀管道經(jīng)過，必須進行深基坑支護，管樁樁基施工困難。

4.小結(jié)。

通過樁型比選，本工程最終選擇采用水泥攪拌樁復合地基方案，由于深基坑支護采用鋼板樁支護，水泥攪拌樁同時可作為坑內(nèi)土體加固的方法。目前該工程已順利完工并通過驗收，后期沉降檢測結(jié)果也滿足規(guī)范要求。

結(jié)語

在給水排水工程中，由于大部分均為儲水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)，自身整體性較好，地基承載力要求較低，一般情況下地基承載力需求不大于160KPa，對小型結(jié)構(gòu)常常100—120KPa即可滿足。同時隨著現(xiàn)階段國家對環(huán)保要求的逐步提高，改革開放初期建設(shè)的大量項目由于原技術(shù)流程難以滿足越來越高的排放要求，對原有廠區(qū)進行提標改造的工程越來越多。大量廠區(qū)由于歷史原因布局不合理、管線復雜、施工條件較差，在這種情況下復合地基噪聲小、無振動、污染低、施工空間要求低的優(yōu)點得到體現(xiàn)。但是復合地基也存在工程質(zhì)量受土壤和大氣變化影響較大、主要為隱蔽工程，施工過程監(jiān)控和質(zhì)量控制難度較大、現(xiàn)階段理論計算方法不完善，相關(guān)系數(shù)主要由經(jīng)驗而來等等缺點。隨著工程建設(shè)的持續(xù)需求，復合地基處理技術(shù)日益受到重視，新材料、新方法層出不窮，施工也向著自動化、智能化不斷發(fā)展。在實際工程中，應(yīng)當根據(jù)現(xiàn)場實際情況，從節(jié)能環(huán)保、節(jié)約工期、便于施工等多個方面，選取合適的地基處理方法進行設(shè)計。