謝本怡 ,葉遇春 ,雷才波 ,起大鵬 (.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,武漢 43000;.楚雄市供排水有限公司,云南 楚雄 675000)
CFG 樁復(fù)合地基作為一種剛性樁復(fù)合地基,具有較大的適用范圍,可處理黏性土、粉土、砂土和自重固結(jié)已完成的素填土地基。市政工程中對(duì)地基承載力要求較低, CFG 樁復(fù)合地基充分利用了天然地基的承載力,相比于樁基,造價(jià)明顯降低,同時(shí)還具有工期短、施工質(zhì)量容易控制等特點(diǎn)[1],因此,CFG 樁復(fù)合地基在市政工程中具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
昆明市官渡區(qū)擬建某污水處理站,處理規(guī)模為 10000m3/d。擬建場(chǎng)地現(xiàn)狀為廢棄空地,地勢(shì)較為平坦,堆有 大量填土及建筑垃圾。污水處理站擬建建筑物及污水處理構(gòu)筑物共13座,均為地上一層建筑,建筑物基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ),構(gòu)筑物為筏板基礎(chǔ)。場(chǎng)地土層較為復(fù)雜,地質(zhì)參數(shù)詳見表 1。
表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值表
本工程所處場(chǎng)地表層覆蓋了較厚的填土層,下部為滇池邊常年淤積的泥炭質(zhì)土,土層整體承載力較低,穩(wěn)定性較差。因本工程各單體建筑物所需荷載(見表 2)較低,地基土層分布不均勻,樁端持力層難以確定,故不考慮樁基礎(chǔ)。對(duì)于散體材料樁復(fù)合地基(如碎石樁)和黏結(jié)體復(fù)合地基(如水泥土攪拌樁),在含水率高、高壓縮性不穩(wěn)定土體中成樁效果不好,也不適用于本工程。
綜合以上因素,本工程采用 CFG 樁復(fù)合地基作為地基處理方案。
考慮 CFG 樁在施工過程及后期使用中需要足夠的剛度,CFG 樁設(shè)計(jì)樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于 C20,設(shè)計(jì)坍落度150~200mm。根據(jù) JGJ 55—2011 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,設(shè)計(jì)配合比和水膠比如下:
式中,fcu,0為混凝土配制強(qiáng)度,MPa;fcu,k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;σ 為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差,MPa;W 為單位體積混凝土中水的用量;C 為單位體積混凝土中膠凝材料的用量;a、b 為回歸系數(shù);fc為膠凝材料 28d 膠砂抗壓強(qiáng)度,MPa。
由式(2)計(jì)算得 W/C=0.7,取水膠比 0.65;
計(jì)算得:石屑用量 G1=496kg,碎石用量 G2=1198kg。
施工前按上述配比試配, 并按坍落度孔調(diào)整減水劑及水的用量。
CFG 樁以水泥和粉煤灰為主要膠結(jié)材料,添加在碎石體中共同作用,同時(shí)添加適量改善級(jí)配的石屑,從而使樁體獲得膠結(jié)強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為具有剛性樁特點(diǎn)的高黏結(jié)強(qiáng)度樁。CFG 樁在豎向荷載作用下,樁身剛度較大,不易發(fā)生側(cè)向應(yīng)變,樁承受的荷載通過樁周的摩阻力和樁端阻力傳到深層地基中,使地基承載力顯著提高。
CFG 樁屬于有黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基,其承載力由樁間土承載力和單樁承載力共同組成,根據(jù) JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[2],地基承載力按式(3)計(jì)算:
CFG 樁單樁承載力 Ra按式(4)計(jì)算:
式中,fspk為處理后樁間土承載力特征值,kPa;λ 為單樁承載力發(fā)揮系數(shù):Ra為單樁承載力特征值,kN;Ap為樁截面面積,m2;為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù);m 為面積置換率;up為樁周長(zhǎng),m;qsi為樁周第 i 層土的側(cè)阻力特征值,kPa;lpi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第 i層土的厚度,m;αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù);qp為樁端端阻力特征值。
根據(jù)地勘報(bào)告顯示,本工程樁端可用持力層較深,樁長(zhǎng)較長(zhǎng),為保證 CFG 樁長(zhǎng)細(xì)比,適當(dāng)增加樁直徑,取 600mm,樁間距 1500mm。CFG 樁面積置換率 m=0.095,樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)取 0.9。
由式(3)和式(4)計(jì)算可得:Ra=165kN,fspk=114kPa。設(shè)計(jì)取單樁承載力 150kN,復(fù)合地基承載力特征值 110kPa。
剛性樁復(fù)合地基樁間土與樁在荷載作用下的荷載分擔(dān)與壓縮變形是一種動(dòng)態(tài)關(guān)系,CFG 樁復(fù)合地基沉降計(jì)算按照 GB 50007—2012《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中推薦的復(fù)合模量法計(jì)算。
加固區(qū)和下臥層土體內(nèi)的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)的直線變形體理論,按分層總和法計(jì)算變形量:
式中,n 為下臥層土的分層數(shù);p 為對(duì)應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力;ψ 為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),參照規(guī)范中的表 5.3.5 取值;ζ 為復(fù)合模量提高系數(shù);Esi為基礎(chǔ)地面下第 i 層土的壓縮模量;zi、zi-1分別為基礎(chǔ)地面至第 i 層土、第 i-1 層土底面的距離為基礎(chǔ)地面計(jì)算點(diǎn)至第 i 層土、第 i-1 層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。
在本工程中,結(jié)合已計(jì)算出的復(fù)合地基承載力 fak及其他查表得的已知參數(shù),可計(jì)算出值、復(fù)合地基加固區(qū)等效壓縮模量等參數(shù),代入式(5)應(yīng)用分層總和法,計(jì)算出復(fù)合地基最終沉降量 S=95mm。
根據(jù)擬建場(chǎng)地的地基土含水率高、靈敏度高的特性,選用長(zhǎng)螺旋壓灌成樁的施工工藝,增強(qiáng)樁間土的壓實(shí)擠密效果,施工時(shí)應(yīng)采用跳打的施工順序。實(shí)際施工過程中出現(xiàn)了充盈系數(shù)較大的問題,通過超灌混凝土,保證了成樁效果。
CFG 樁復(fù)合地基施工完成后,對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行了單樁承載力試驗(yàn)和復(fù)合地基靜載試驗(yàn),載荷板尺寸選用 2.5m×2.5m,覆蓋4根 CFG 樁。
測(cè)得單樁承載力 Ra=160kN,復(fù)合地基承載力 fspk=120kPa,均較設(shè)計(jì)值略大,滿足設(shè)計(jì)要求。靜載試驗(yàn)下 P-S(荷載-沉降)曲線如圖1所示。對(duì)復(fù)合地基上各單體進(jìn)行沉降觀測(cè),取6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(分別布置在細(xì)格柵、初沉池、速分池、孢子機(jī)、濾布濾池、脫水車間上)的沉降值如圖2所示。
圖1 荷載試驗(yàn)下沉降量
圖2 沉降觀測(cè)記錄表
由沉降觀測(cè)結(jié)果可知,經(jīng)過15個(gè)月后,沉降趨勢(shì)已經(jīng)穩(wěn)定,沉降量在可控范圍內(nèi),地基處理較為成功。各單體構(gòu)筑物沉降差較小,未出現(xiàn)超過規(guī)范限制的不均勻沉降。
根據(jù)規(guī)范合理選用樁、土、褥墊層等地基相關(guān)參數(shù),考慮樁土間摩擦,可以較客觀真實(shí)地計(jì)算出樁土共同工作、復(fù)合受力等特點(diǎn),計(jì)算結(jié)果可以指導(dǎo) CFG 樁復(fù)合地基在市政工程中設(shè)計(jì)施工。對(duì)該污水處理站的泥炭質(zhì)土軟弱地基經(jīng) CFG 樁處理后,復(fù)合地基承載力可達(dá) 110kPa,可作為滇池邊類似條件下工程的參考經(jīng)驗(yàn)。