吳仁廣 王東 歐明喜

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650500）

0 引言

土巖組合地基是指在建筑地基主要受力層范圍內(nèi)，下臥基巖表面坡度較大、石牙密布并有出露或大塊孤石或個(gè)別石巖出露的地基［1］。我國(guó)西南地區(qū)存在較多的巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，這種半巖半土的地質(zhì)條件給房屋建筑的地基設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了諸多困難，土巖組合地基的設(shè)計(jì)難題主要出現(xiàn)在土巖接觸面附近的差異沉降難以控制。目前對(duì)于半巖半土地基的處理，國(guó)內(nèi)外也有很多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究［2-5］，多數(shù)研究工作者通常采用單一常規(guī)的地基處理方式進(jìn)行加固處理，即只對(duì)深厚土層進(jìn)行加固處理，這種處理方式在大多數(shù)情況下可以使地基滿足整體沉降的要求，但是因?yàn)榛鶐r上部仍存在一定厚度的土層，若不進(jìn)行一定的加固處理措施，會(huì)使深厚土層和基巖上部土層存在較大的剛度差，可能導(dǎo)致基巖陡坎處附近產(chǎn)生比較大的差異沉降。為了解決土巖組合地基的不均勻沉降問(wèn)題，需要進(jìn)行剛度調(diào)平，從而減小地基的不均勻沉降。

通過(guò)大量總結(jié)前人對(duì)土巖組合地基的處理方法，以某巖溶地區(qū)的建筑工程為背景，本文提出采用CFG樁、旋挖樁和換填墊層法相結(jié)合的地基處理方法，擬減小土巖組合地基的不均勻沉降。通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況，針對(duì)由混礫石黏土、粉土、粉質(zhì)黏土及灰?guī)r組成的土巖組合地基，對(duì)深厚土層分別采用CFG樁和旋挖樁進(jìn)行加固，而基巖上部的淺層地基土則采用換填墊層的方法進(jìn)行處理。通過(guò)這種方式調(diào)節(jié)土巖分界面兩側(cè)地基土體的剛度，使其剛度差異減小，從而使得基巖陡坎處附近的差異沉降減小，滿足建筑地基的不均勻沉降要求。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某市擬建一棟城市商業(yè)綜合體，高23.3 m，地上8 層，地下3 層（深11.1 m），主體采用框架結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)形式采用筏板基礎(chǔ)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，設(shè)計(jì)要求地基的最大沉降量不得超過(guò)建筑高度的1/300，即地基的最大沉降量不能超過(guò)77.67 mm。因擬建商業(yè)樓的地基為土巖組合地基，其在土巖分界面處的剛度差異較大，后期可能造成過(guò)大的差異沉降從而導(dǎo)致建筑物無(wú)法滿足安全使用的要求。原設(shè)計(jì)方案有2 種地基處理方案，方案1 為在土巖組合地基上全部使用CFG樁進(jìn)行加固，形成CFG樁復(fù)合地基；方案2 為在整個(gè)土巖組合地基使用旋挖轉(zhuǎn)孔灌注樁進(jìn)行加固，旋挖鉆孔灌注樁在有巖區(qū)域入巖深度不小于4 m。采用上述2 種方案處理的土巖組合地基能增加地基的承載力和提高地基的穩(wěn)定性，但由于土巖組合地基的基巖上部土層厚度不大，對(duì)于此部分土體是否有必要全部使用CFG 樁或旋挖樁加固，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性角度分析，對(duì)土巖組合地基基巖上部厚度較小的土體進(jìn)行換填處理是否同樣也能達(dá)到剛度調(diào)平的目的，因此本文提出不同于單一的地基處理方式的基于CFG 樁、旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基處理方案，擬解決因地基剛度突變而引起的不均勻沉降問(wèn)題。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地巖溶發(fā)育等級(jí)為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，揭露灰?guī)r，部分地段缺失，其埋深起伏較大，局部形成了較陡的臨空面。根據(jù)周邊地質(zhì)資料和本工程場(chǎng)地鉆孔揭露的土壤特性，建筑場(chǎng)地土層主要為第四系沖、湖積（Qa1+1）層粉土和粉質(zhì)黏土，下伏基巖主要為二疊系陽(yáng)新組灰?guī)r（P1y2）。在進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí)，地基土體彈性模量的選取對(duì)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的影響至關(guān)重要，梁發(fā)云［6］通過(guò)大量總結(jié)前人的研究成果，基于多孔介質(zhì)理論，綜合考慮多種因素的影響，得到土體變形模量與室內(nèi)壓縮模量比值基本位于1.2~2.5，經(jīng)綜合考慮，本文地基土體的彈性模量取值為1.5 倍的壓縮模量值。

地基巖土層的承載力特征值、黏聚力、內(nèi)摩擦角等相關(guān)數(shù)據(jù)是根據(jù)原位測(cè)試、理論計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)綜合分析確定的，對(duì)于地勘報(bào)告中未給出設(shè)計(jì)參數(shù)的部件及巖土體，參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第五版）及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）進(jìn)行取值，擬建場(chǎng)地各巖土層及各結(jié)構(gòu)部件的主要物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值如表1 所示。

表1 巖土層及樁體材料參數(shù)

2 有限元計(jì)算

2.1 有限元模型的建立

為了研究使用CFG 樁、旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理土巖組合地基的適宜性，使用ABAQUS有限元分析軟件建立樁土復(fù)合地基模型。分別建立天然地基模型、深厚土層使用CFG 樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理或采用0.5 m 厚粗砂換填處理的土巖組合地基模型、深厚土層使用旋挖樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理或采用0.5 m 厚粗砂換填處理的土巖組合地基模型，對(duì)比分析其處理土巖組合地基不均勻沉降的效果，研究使用CFG 樁、旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理土巖組合地基不均勻沉降的規(guī)律。

取基巖陡坎處局部具有代表性的3×6 顆多樁模型進(jìn)行模擬分析，在建立模型時(shí)因CFG 樁和旋挖樁的樁距不同，在保證相同樁數(shù)的情況下，使用旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基的處理區(qū)域要大于使用CFG 樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基的處理區(qū)域，因此以下模型的筏板尺寸、換填墊層尺寸、地基巖土體尺寸和邊樁距筏板邊緣距離括號(hào)里的數(shù)字代表使用旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基各部件的尺寸。所建有限元模型部件包括地基巖土體、樁體、筏板、褥墊層、混凝土墊層及換填墊層6 個(gè)部分，其中褥墊層尺寸為17 m×4 m×0.2 m（長(zhǎng)×寬×厚），筏板尺寸為17（27.2）m×4（6.4）m×0.5 m（長(zhǎng)×寬×厚），CFG樁身直徑為0.5 m，樁長(zhǎng)為15 m，樁距為1.5 m，旋挖樁身直徑為0.8 m，樁長(zhǎng)為15 m，樁距為2.4 m，換填墊層尺寸為8.5（13.6）m×4（6.4）m×0.5 m（長(zhǎng)×寬×厚），混凝土墊層尺寸為27.2 m×6.4 m×0.2 m（長(zhǎng)×寬×厚），邊樁距筏板邊緣距離為0.5（0.8）m。巖土體邊界尺寸的取值原則為計(jì)算的結(jié)果不隨邊界尺寸的變化而變化即可，經(jīng)試算，將基巖土體的長(zhǎng)度方向取筏板長(zhǎng)度方向的3倍，寬度方向取筏板寬度方向的5 倍，深度方向取不小于樁長(zhǎng)的2 倍即可；最終確定地基巖土體的尺寸為51（81.6）m×20（32）m×32 m（長(zhǎng)×寬×厚），此時(shí)地基巖土體的邊界尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響已經(jīng)可以忽略不計(jì)。為使所建立的有限元模型更加貼近實(shí)際工程，地基土層的本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性Mohr-Coulomb 模型；地基巖層、樁體、筏板、混凝土墊層、褥墊層及換填墊層本構(gòu)關(guān)系采用線彈性本構(gòu)模型。由于擬建模型的CFG 樁和旋挖樁的樁距不同，導(dǎo)致其模型大小有所區(qū)別，其中CFG 樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基的模型平面布置圖及點(diǎn)位分布圖如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)平面布置及點(diǎn)位分布（單位：mm）

2.2 荷載及邊界條件

為提高模型的計(jì)算精度，模型中各部件之間均采用“表面-表面”的離散化方法模擬各部件之間的接觸效應(yīng)，滑移公式選擇“有限滑移”，切向力學(xué)模型采用“罰”函數(shù)來(lái)設(shè)置；摩擦系數(shù)取為0.4，法向力學(xué)模型采用硬接觸。樁側(cè)和樁側(cè)土體之間的接觸為切向接觸，其余各接觸對(duì)均設(shè)為法向硬接觸。在接觸對(duì)中進(jìn)行“主-從”接觸面的選擇時(shí)，為了防止因穿透現(xiàn)象而導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)誤差，一般將剛度較大的面選為主面，而將剛度較小的面選為從面，在劃分網(wǎng)格時(shí)將靠近地基處理區(qū)域的網(wǎng)格劃密，而遠(yuǎn)離處理區(qū)域的網(wǎng)格劃分的大些，模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

首先對(duì)模型使用ODB 文件導(dǎo)入的方法進(jìn)行地應(yīng)力平衡，再考慮上部恒荷載和活荷載對(duì)地基的作用，地應(yīng)力平衡后，使用pkpm 軟件對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向?qū)Ш?，沿筏板z 向施加均布荷載。模型的上表面為自由邊界，側(cè)面為法向位移約束，底面為全位移約束。

3 結(jié)果分析

3.1 不同地基處理方式對(duì)土巖組合地基整體沉降的影響

提取有限元模擬結(jié)果z 方向的沉降數(shù)據(jù)，天然地基整體沉降云圖如圖3 所示，深厚土層使用CFG樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理的土巖組合地基整體沉降云圖如圖4 所示，深厚土層使用CFG 樁加固而基巖上部土層采用0.5 m 厚粗砂換填處理的土巖組合地基整體沉降云圖如圖5 所示，深厚土層使用旋挖樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理的土巖組合地基整體沉降云圖如圖6 所示，深厚土層使用旋挖樁加固而基巖上部土層采用0.5 m 厚粗砂換填處理的土巖組合地基整體沉降云圖如圖7 所示。通過(guò)沉降云圖可以發(fā)現(xiàn)，土巖組合地基深厚土層一側(cè)由于受附加應(yīng)力影響較大，其云圖變化范圍較大，最大沉降發(fā)生在土巖分界面附近，遠(yuǎn)離土巖分界面周圍的土體沉降量逐漸減小。

圖3 天然地基沉降云圖

圖4 僅使用CFG 樁加固地基沉降云圖

圖5 CFG 樁和換填墊層法聯(lián)合處理地基沉降云圖

圖6 僅使用旋挖樁加固地基沉降云圖

圖7 旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理地基沉降云圖

由于加固處理的方式不同，從位移云圖可以得出天然地基最大沉降量為89.8 mm，超過(guò)了設(shè)計(jì)要求的最大沉降量77.67 mm，深厚土層使用CFG樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理的土巖組合地基，最大沉降發(fā)生在土巖分界面附近，最大沉降量為45.8 mm，深厚土層使用CFG 樁加固而基巖上部土層采用0.5 m厚粗砂換填處理的土巖組合地基最大沉降量為38.7 mm，深厚土層使用旋挖樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理的土巖組合地基最大沉降量為59.5 mm，深厚土層使用旋挖樁加固而基巖上部土層采用0.5 m 厚粗砂換填處理的土巖組合地基最大沉降量為51.9 mm?？梢缘贸鍪褂脴扼w加固后的土巖組合地基，由于CFG樁和旋挖樁分擔(dān)了部分荷載以及樁對(duì)樁間土的擠密作用，使得使用CFG 樁或旋挖樁加固后的土巖組合地基的整體沉降明顯減小且最大沉降量均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 換填墊層對(duì)土巖組合地基整體沉降的影響

在模型中沿著筏板中心線從深厚土層一側(cè)提取地表沉降數(shù)據(jù)，其中1~17 號(hào)點(diǎn)位位于深厚土層一側(cè)，18~35 號(hào)點(diǎn)位從土巖分界面開(kāi)始位于基巖上部土層一側(cè)。對(duì)于CFG 樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基模型，每個(gè)點(diǎn)位之間間隔0.5 m，而對(duì)于旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基模型，每個(gè)點(diǎn)位之間間隔0.8 m，繪制模型的地基整體沉降曲線圖，深厚土層使用CFG 樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理或采用0.5 m 厚粗砂換填處理的土巖組合地基整體沉降曲線對(duì)比圖如圖8 所示，深厚土層使用旋挖樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理或采用0.5 m厚粗砂換填處理的土巖組合地基整體沉降曲線對(duì)比圖如圖9 所示。

圖8 CFG 樁和換填墊層法聯(lián)合處理土巖組合地基整體沉降對(duì)比曲線

圖9 旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理土巖組合地基整體沉降對(duì)比曲線

從圖中可以得出，如果僅僅對(duì)深厚土層進(jìn)行加固而不對(duì)基巖上部土層進(jìn)行處理，雖然地基的最大沉降量滿足設(shè)計(jì)要求，但由于土巖分界面兩側(cè)的剛度差異較大，會(huì)導(dǎo)致在土巖分界面附近產(chǎn)生較大的不均勻沉降，因此僅對(duì)土巖組合地基的深厚土層進(jìn)行加固并不能很好地解決土巖組合地基的不均勻沉降問(wèn)題，通過(guò)分析圖8 和圖9 還可以發(fā)現(xiàn)深厚土層部分使用旋挖樁加固的土巖組合地基，無(wú)論基巖上部土層是否采用換填處理，其地基的整體沉降均大于深厚土層部分使用CFG 樁加固的土巖組合地基，這是由于旋挖樁相較于CFG 樁的樁體模量要大，使得上部荷載很大一部分直接由樁身承擔(dān)，而CFG 樁復(fù)合地基由于褥墊層的存在，在上部荷載作用下可以使得樁土間共同作用，進(jìn)而最大地發(fā)揮樁和土的承載力優(yōu)勢(shì)。

3.3 不均勻沉降的控制分析及評(píng)價(jià)

深厚土層部分的不同加固方式以及是否對(duì)基巖上部土層采用換填處理對(duì)土巖組合地基不均勻沉降的影響較大。采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5007—2011）［1］中表5.3.4 中的建筑物地基變形允許值作為評(píng)價(jià)差異沉降的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)本工程建筑物的結(jié)構(gòu)形式及層高，采用整體傾斜控制地基的不均勻沉降，整體傾斜使用0.004 控制，結(jié)合地基沉降云圖及沉降對(duì)比曲線，當(dāng)深厚土層使用CFG 樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理或采用0.5 m 厚粗砂換填處理時(shí)，最大沉降發(fā)生在換填處理區(qū)域距土巖分界面3 m的位置；對(duì)應(yīng)點(diǎn)位為23 號(hào)點(diǎn)位，深厚土層使用旋挖樁加固而基巖上部土層未經(jīng)處理或采用0.5 m 厚粗砂換填處理時(shí)，最大沉降發(fā)生在換填處理區(qū)域距土巖分界面3.2 m 的位置；對(duì)應(yīng)點(diǎn)位為21 號(hào)點(diǎn)位，較小沉降都發(fā)生在筏板4 個(gè)角點(diǎn)以及距土巖分界面最近的邊樁中心對(duì)應(yīng)的筏板邊緣，且較小沉降沿筏板長(zhǎng)邊中軸線呈對(duì)稱關(guān)系，因此，選取上述位置作為沉降觀測(cè)點(diǎn)，將其與地基最大沉降點(diǎn)對(duì)比計(jì)算不均勻沉降差。

經(jīng)計(jì)算可得，當(dāng)深厚土層區(qū)域采用不同加固處理方式而基巖上部土層未經(jīng)處理或采用換填處理時(shí)，其不均勻沉降差變化規(guī)律如表2 所示，從表中可以得出，只對(duì)深厚土層部分進(jìn)行加固的土巖組合地基在土巖分界面處的不均勻沉降差均不滿足規(guī)范要求，分別對(duì)應(yīng)23-B 及21-B 點(diǎn)位區(qū)間的不均勻沉降差，而對(duì)基巖上部較薄土層進(jìn)行一定厚度的換填處理后，土巖組合地基在土巖分界面附近的不均勻沉降差均得到一定幅度的減小，各個(gè)點(diǎn)位區(qū)間的不均勻沉降差均滿足規(guī)范要求。由此可知，對(duì)于土巖組合地基基巖上部土層的處理，可以使用換填墊層法換填一定厚度的軟弱土層，使其剛度與使用CFG 樁或旋挖樁加固的深厚土層部分的剛度相平衡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)差異沉降進(jìn)行控制，避免土巖組合地基因在土巖分界面兩側(cè)的剛度差較大而造成較大差異沉降，進(jìn)而對(duì)建筑物造成破壞，影響建筑物的安全使用。

表2 不同處理方式不均勻沉降差變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文以某巖溶地區(qū)的建筑工程為背景，對(duì)使用多種方案進(jìn)行處理的土巖組合地基的不均勻沉降進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1）從模擬結(jié)果分析，原地基處理方案并不為最優(yōu)方案，全部使用CFG 樁或旋挖樁加固能提高地基的承載力和穩(wěn)定性，但會(huì)造成較大的浪費(fèi)，不符合綠色施工的理念，而較合適的樁長(zhǎng)、樁徑等部件的尺寸大小及地基處理方式還需根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)條件經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算得出。

2）在處理土巖組合地基時(shí)，基巖上部軟弱土層是否采用換填處理對(duì)地基的不均勻沉降影響較大，因此，在對(duì)深厚土層區(qū)域進(jìn)行加固的基礎(chǔ)上，對(duì)基巖上部的軟弱土層進(jìn)行一定厚度的換填處理，可以減小因土巖分界面兩側(cè)地基土體的剛度差異較大而產(chǎn)生的不均勻沉降。

3）不同的地基處理方式對(duì)土巖組合地基的整體沉降和不均勻沉降影響較大，CFG樁、旋挖樁和換填墊層法聯(lián)合處理的土巖組合地基的不均勻沉降差均滿足規(guī)范要求，但從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性角度考慮，實(shí)際工程中可以參考使用CFG 樁和換填墊層法聯(lián)合對(duì)土巖組合地基進(jìn)行處理。

4）文中的樁長(zhǎng)、樁徑、褥墊層厚度和筏板厚度等都是在滿足規(guī)范要求的不均勻沉降下的最小尺寸，在不同的實(shí)際工程中需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)情況進(jìn)行合理調(diào)整。