呂清顯

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040）

0 引言

濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，在天然濕度下，其壓縮性較低、強(qiáng)度較高，但遇水浸濕時(shí)，土的強(qiáng)度顯著降低，在附加壓力或附加壓力和土的自重壓力作用下產(chǎn)生濕陷變形，其變形對(duì)建筑物會(huì)產(chǎn)生危害。為防止或減小濕陷性黃土濕陷變形的影響，對(duì)地基基礎(chǔ)一般采用三種措施應(yīng)對(duì)：①消除地基的全部或部分濕陷量；②將基礎(chǔ)設(shè)置在非濕陷性土層上；③采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性黃土層［1-2］。

濕陷性黃土地基處理方案多采用墊層法、強(qiáng)夯處理法、擠密法、預(yù)浸水法、組合處理（CFG樁+強(qiáng)夯等組合）等，也可采用樁基基礎(chǔ)形式。

國(guó)內(nèi)濕陷性黃土地基處理工藝經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已非常成熟。強(qiáng)夯地基處理施工工藝在國(guó)內(nèi)使用較多，強(qiáng)夯地基處理根據(jù)工程特點(diǎn)對(duì)夯擊能、處理深度、夯錘面積等受地基土的干重度、滲透系數(shù)、壓縮性等影響較大，處理后地基承載力采用靜力觸探法測(cè)量結(jié)果同靜載試驗(yàn)結(jié)果相差不大［3-5］；強(qiáng)夯處理后判別黃土濕陷性消失的指標(biāo)應(yīng)該參考?jí)簩?shí)度、承載力等指標(biāo)的大小科學(xué)判別［6］；CFG樁+強(qiáng)夯處理的承載特性較差及含有腐蝕性的濕陷性黃土更有利于地基承載力和提高施工效率［7-8］。

近年來(lái)，劉松玉等［9］提出了氣動(dòng)振桿密實(shí)法處理濕陷性黃土地基的施工工藝，此方法借鑒液化土處理工藝，將振動(dòng)桿插入土中采用一定的頻率振動(dòng)，達(dá)到土體密實(shí)的效果且具有節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)。趙治海等［10］對(duì)渣土擠密樁和灰土擠密樁進(jìn)行對(duì)比分析，渣土擠密樁作為新型擠密材料對(duì)提高濕陷性黃體承載力和消除濕陷性起到良好效果，但灰土擠密樁擠密效果優(yōu)于渣土擠密樁。

灌注樁樁基礎(chǔ)對(duì)處理濕陷性黃土也能起到良好效果，張磊等［11-13］對(duì)濕陷性黃土中灌注樁浸水后承載力特性和負(fù)摩阻力時(shí)效性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)浸水后雖有負(fù)摩阻力產(chǎn)生，但樁身軸力最大處仍發(fā)生在樁頂，樁的負(fù)摩阻力隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，但增長(zhǎng)速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定值。

本研究基于濟(jì)南某EPC項(xiàng)目為例，在設(shè)計(jì)階段對(duì)濕陷性黃土地基處理設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，旨在選擇最佳的地基基礎(chǔ)方案，且本工程為EPC項(xiàng)目（固定總價(jià)項(xiàng)目），便于此項(xiàng)工作的研究開(kāi)展。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本項(xiàng)目總建筑面積為5.26萬(wàn)m2，主要有10 F職工宿舍2棟，結(jié)構(gòu)形式為框剪結(jié)構(gòu)，高度為36.1 m；1棟3 F職工食堂，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，高度為13.3 m，3 F小型標(biāo)準(zhǔn)廠房6個(gè)，結(jié)構(gòu)形式為框剪結(jié)構(gòu)，高度為13.3 m。

1.2 地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地地基土在勘察深度內(nèi)可劃分為9層（含3個(gè)亞層），由上而下依次為：①耕土（Qpd）；②黃土狀粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）；③粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）；④黏土（Q4al+pl）；⑤黏土（Q3al+pl）；⑤-1碎石（Q3al+pl）；⑥含碎石粉質(zhì)黏土（Q3al+pl）；⑥-1碎石（Q3al+pl）；⑥-2黏土（Q3al+pl），典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示，各土層巖土工程力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)表

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

場(chǎng)區(qū)黃土為非新近堆積黃土，②層黃土狀粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)隨深度加深而逐漸減小，濕陷起始?jí)毫﹄S深度加深而逐漸增大，依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2018）中4.4.1和4.4.2條判定［2］，場(chǎng)地內(nèi)②層黃土自重濕陷系數(shù)均小于0.015，其自重濕陷量為0，為非自重濕陷性黃土，濕陷程度為輕微～中等。經(jīng)過(guò)計(jì)算該層總濕陷量平均約為192.75 mm，小于300 mm，根據(jù)規(guī)范判定濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)（輕微）。表2為本工程TK1試驗(yàn)土坑測(cè)得的濕陷系數(shù)和累計(jì)濕陷量，可以看出黃土狀粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)均大于0.015。

表2 TK1濕陷系數(shù)和累計(jì)濕陷量表

1.3 水文條件

場(chǎng)區(qū)地下水按含水介質(zhì)類型劃分為第四系孔隙水，按埋藏條件劃分為潛水，地下水水位埋深7.20～8.50 m；水位標(biāo)高28.97～29.08 m，平均29.02 m。場(chǎng)區(qū)水位變化受季節(jié)影響明顯，年水位變化幅度約2.00 m。

2 擬采取的地基處理方案研究思路

②黃土狀粉質(zhì)黏土分布范圍廣，設(shè)計(jì)階段現(xiàn)場(chǎng)局部已挖出，其濕陷系數(shù)δs=0.015～0.045，濕陷起始?jí)毫?7～172 kPa。該層為Ⅰ級(jí)非自重濕陷性地基，濕陷性輕微～中等。

對(duì)職工宿舍樓（10F）基礎(chǔ)形式確定時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，負(fù)一層柱底軸力大小約為4 000 kN，要求基礎(chǔ)底范圍內(nèi)土層地基承載力特征值達(dá)到200 kPa，勘察單位綜合考慮其地區(qū)成熟施工經(jīng)驗(yàn)、基礎(chǔ)埋深、上部荷載、水文土質(zhì)情況，建議采用鉆孔灌注樁形式，樁身自上而下穿越黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土、碎石等，樁端進(jìn)入含碎石粉質(zhì)黏土，鉆孔灌注樁穿越濕陷性黃土。

EPC工程總承包方經(jīng)過(guò)多方研究比選，認(rèn)為對(duì)②黃土狀粉質(zhì)黏土層若進(jìn)行強(qiáng)夯法處理后，地基承載力和變形能夠滿足職工宿舍樓（10F）基礎(chǔ)要求。強(qiáng)夯地基處理是能夠有效處理濕陷性黃土地基的處理形式，不僅能夠有效消除濕陷性黃土的濕陷性，而且通過(guò)沖擊振動(dòng)能量可顯著提高土層的承載力并降低壓縮性。

因此，為保證10F職工宿舍地基基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)施工技術(shù)可行、成本合理、節(jié)約工期等方面內(nèi)容，下面對(duì)以上兩種方案進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。

3 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)

3.1 鉆孔灌注樁技術(shù)分析

勘察單位根據(jù)本場(chǎng)區(qū)的巖土工程地質(zhì)條件及職工宿舍樓（10F）上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性及樁端受力層的要求，結(jié)合附近區(qū)域建筑經(jīng)驗(yàn)及場(chǎng)地地下水的影響，樁基類型選擇為鉆孔灌注樁，受力類型為端承摩擦樁。鉆孔灌注樁樁端、樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

現(xiàn)行樁基規(guī)范［14］關(guān)于單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk公式（5.3.5）為式（1）。

結(jié)合職工宿舍樓（10F）上部荷載傳遞至樁頂豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值大小及土層情況，本工程初步設(shè)計(jì)樁徑為0.6 m，有效樁長(zhǎng)為15 m，通過(guò)結(jié)構(gòu)模型整體驗(yàn)算，共計(jì)約1 200根。

綜合分析，職工宿舍樓（10F）基礎(chǔ)形式采用樁基礎(chǔ)形式在技術(shù)上可行，不需要對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行處理，且承載力高變形小，結(jié)構(gòu)整體安全性提高；但不足之處需要提前制備泥漿，泥漿用完后需要排污不利于綠色施工。

3.2 鉆孔灌注樁經(jīng)濟(jì)分析

結(jié)合本工程地質(zhì)情況及樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，初步對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)測(cè)算，測(cè)算表如表3所示，經(jīng)濟(jì)測(cè)算時(shí)為便于計(jì)算，僅考慮人材機(jī)單價(jià)且為濟(jì)南當(dāng)?shù)囟~價(jià)，未考慮管理費(fèi)、利潤(rùn)、稅金、規(guī)費(fèi)等，以下經(jīng)濟(jì)測(cè)算均遵循此原則。

表3 樁基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)測(cè)算表

可知職工宿舍樓（10F）樁基礎(chǔ)總造價(jià)為741.98萬(wàn)元。

3.3 鉆孔灌注樁工期分析

根據(jù)本工程地質(zhì)條件以及施工工藝等方面要求，施工完成1 200根灌注樁需要約45 d時(shí)間，考慮進(jìn)行樁檢試驗(yàn)等約25 d，因此鉆孔灌注樁施工工期約70 d。

4 強(qiáng)夯法地基處理基礎(chǔ)

4.1 強(qiáng)夯法地基處理基礎(chǔ)技術(shù)分析

EPC工程總承包方經(jīng)過(guò)多方考察發(fā)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)黃土狀粉質(zhì)黏土承載力較好，本場(chǎng)地位于濟(jì)南東側(cè)緊鄰章丘區(qū)，本工程周?chē)鸁o(wú)重要建筑物、道路和管線等，周?chē)鸁o(wú)居民區(qū)，適合采用強(qiáng)夯地基處理方式。

根據(jù)黃土狀粉質(zhì)黏土土層厚度、濕陷等級(jí)、上部荷載等條件結(jié)合規(guī)范要求，對(duì)職工宿舍樓（10F）范圍內(nèi)的土層處理深度不小于6 m，強(qiáng)夯時(shí)單擊夯擊能初步定為3 000 kN·m，兩夯之間間距為4.2 m，夯錘直徑大小為2 m，強(qiáng)夯采用2～3遍夯。也可按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，并應(yīng)同時(shí)滿足下列條件：①最后兩擊的平均夯沉量不宜大于50 mm；②夯坑周?chē)孛娌粦?yīng)發(fā)生過(guò)大的隆起；③不因夯坑過(guò)深而發(fā)生提錘困難。

強(qiáng)夯處理范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)范圍，每邊超出基礎(chǔ)外邊緣的寬度宜為基底下設(shè)計(jì)處理深度的1/2，并不應(yīng)小于2 m。

綜合分析職工宿舍樓（10F）地基處理采用強(qiáng)夯處理形式在技術(shù)上可行，處理后可消除黃土狀粉質(zhì)黏土的濕陷性，也可顯著提高黃土狀粉質(zhì)黏土層地基承載力，基礎(chǔ)可直接坐落在該層。

4.2 強(qiáng)夯法地基處理基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)分析

結(jié)合強(qiáng)夯處理土層深度、夯擊遍數(shù)、強(qiáng)夯范圍等設(shè)計(jì)參數(shù)，初步對(duì)強(qiáng)夯處理進(jìn)行經(jīng)濟(jì)測(cè)算，測(cè)算表如表4所示。

表4 強(qiáng)夯處理經(jīng)濟(jì)測(cè)算表

可知職工宿舍樓（10F）強(qiáng)夯地基處理總造價(jià)為64.46萬(wàn)元。

4.3 強(qiáng)夯法地基處理基礎(chǔ)工期分析

根據(jù)本工程所處周?chē)h(huán)境及強(qiáng)夯處理面積，強(qiáng)夯施工工期共計(jì)需20 d，強(qiáng)夯地基檢測(cè)時(shí)間（包含重型圓錐動(dòng)力觸探、平板載荷試驗(yàn)及黃土濕陷性試驗(yàn)）需24 d，因此強(qiáng)夯地基總施工周期約44 d。

5 最終方案及處理效果

綜合以上內(nèi)容，進(jìn)行如下分析。

①樁基礎(chǔ)和強(qiáng)夯地基處理在技術(shù)上均能滿足職工宿舍樓（10F）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工要求，綜合比較后強(qiáng)夯地基處理施工相較于鉆孔灌注樁顯著提高地基承載力，減小地層變形，且場(chǎng)地開(kāi)闊，周?chē)鸁o(wú)居民區(qū)適合采用強(qiáng)夯處理。因此職工宿舍樓（10F）在技術(shù)上推薦使用強(qiáng)夯地基處理方式。

②在經(jīng)濟(jì)方面，樁基礎(chǔ)總造價(jià)遠(yuǎn)高于強(qiáng)夯地基處理，超出677.52萬(wàn)元，因此在經(jīng)濟(jì)對(duì)比方面也優(yōu)先選用強(qiáng)夯地基處理，節(jié)約總造價(jià)。

③在工期方面，強(qiáng)夯地基處理相較于鉆孔灌注樁節(jié)約工期26 d，顯著縮短了施工周期，為主體結(jié)構(gòu)等后續(xù)分項(xiàng)工期留足時(shí)間，因此強(qiáng)夯地基優(yōu)于鉆孔灌注樁。

最終確定強(qiáng)夯法地基處理。經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯地基處理后進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)和重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)［15］，最終測(cè)得該層地基承載力特征值均大于200 kPa。圖2為強(qiáng)夯地基處理后平板載荷試驗(yàn)曲線圖，計(jì)算出承載力特征值為210 kPa，表5為重型圓錐動(dòng)力觸探N63.5承載力計(jì)算表，可知重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)測(cè)得承載力特征值大小為214.72 kPa，以上兩種試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)承載力特征值提高約40%以上。表6為對(duì)強(qiáng)夯處理后黃土狀粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算表，最終累計(jì)濕陷量為39.75 mm（按照規(guī)范可均不需要計(jì)算濕陷量），小于50 mm，濕陷系數(shù)均小于0.015，因此濕陷性得到很好的處理效果。

圖2 平板載荷試驗(yàn)P-S曲線圖

表5 重型圓錐動(dòng)力觸探N63.5承載力計(jì)算表

表6 TKJ濕陷系數(shù)和累計(jì)濕陷量表

6 結(jié)論

①鉆孔灌注樁能夠應(yīng)用于濕陷性黃土地基，使用時(shí)無(wú)須考慮消除濕陷性，且承載力高、沉降小，結(jié)構(gòu)整體安全性提高；但其造價(jià)、高施工周期長(zhǎng)，應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際情況綜合考慮選用。

②常規(guī)情況下強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土可顯著提高地基承載力，且提高幅度較大，能夠消除土層濕陷性，在類似本工程地質(zhì)條件和周?chē)h(huán)境下是一種經(jīng)濟(jì)、有效、便捷的地基處理方法，若工程處在鬧市區(qū)，本工程不適用。

③本工程中鉆孔灌注樁未顯現(xiàn)其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效能。究其原因，本工程為1層地下室，埋深較淺，場(chǎng)地?zé)o較好端持力層，且側(cè)摩阻力較小，因此鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)，泥漿排放造成環(huán)境污染不利于綠色施工。

④在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行基礎(chǔ)方案比選是有必要的，選擇一種適用的方案，能夠顯著改善工程工藝品質(zhì)，降低工程造價(jià)，節(jié)約工期。