深层搅拌桩复合地基中处理巨大孤石的工程实例 / :@X<
付文光 y@Q?
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(冶金工业部建筑研究总院 北京 100088) 0}y-DCuQ
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摘 要:介绍了某建筑物独立基础下深层搅拌桩复合地基的设计计算过程,和施工中出现的巨大孤石的处理方法。 Qp]-4%^Vz
关键词:深层搅拌桩 复合地基 巨大孤石 Di8;Tq
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1.工程概况及地质概况 i7(\i2_P
已建深圳世界之窗某培训楼,高6层,首层建筑面积76m×20m,无地下室,框架结构,基础形式为四周条形基础、中间独立基础,基础埋深1.0m,设计要求采用复合地基,复合地基承载力fsp≥200kPa,沉降值小于35mm,差异沉降小于0.2%。 PFnq:G^L
该场地原地貌为海漫滩,新近回填整平。场地自上而下各土层分别为:① 人工填土层;② 第四系海相沉积层;③第四系残积层,其主要参数见表1。第四系海相沉积层中含有少量孤石。场地离海边只有二、三十米,地下水稳定水位埋深1.8~2.3m,属第四系孔隙潜水,水位及化学成分变化受海水潮汐影响较大,对混凝土无侵蚀性。 Kw^tvRt'*
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表1 土层主要参数表 i(@<KH
土层 b5Pakz=jNM
编号 ;0`p"T0
性状描述 层厚 @:"GgkyDl#
(m) 天然重度 !4l\*L
γ(kN/m3 ) 桩端承载力标准值fk(kPa) 压缩模量 y?s8UEC
M,b^W:('4
Es(MPa) 变形模量 E)7ODRVbl
<"XDIvpc%L
Eo(MPa) 桩周摩擦力标准值qs(kPa) r@m2foaO
① 主要由粉质粘土组成,新近回填,结构松散,可塑 5.2~ =q-HR+
5.8 Vz,2_QJ
18.0 Du2v,n5@
-10 ~
U,a?LR/
② 沉积淤泥质粉质粘土,黑色,局部淤泥质土,很湿,软塑~可塑 fCxF3m(O
2.5~ 8^Ov.$rP
4.1 JKsdPW<?
17.3 +2+wNFU
120 N%.DjH
4.0 !bi}9w
8.0 zUhJr$N$
15 Qb;5:U/x
③ 残积砾质粉质粘土,粗粒花岗岩风化残积而成,湿,软塑~硬塑 S(f V ,;Z
不详 Lx"a #rZ
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18.5 $iblLZhj
200 'Na/AcRdg
6.0 xf.2Ig
12.0 j>0~"A
30 P00pSRQHD
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2.搅拌桩复合地基设计 z4nVsgQ$
2.1 设计方案 [,|Z<
方案分析对比后,笔者设计采用深层搅拌桩复合地基方案。搅拌桩形式为双头喷浆型水泥土搅拌桩,长轴1200mm,短轴720mm,桩端进入残积层2~4m,平均桩长d=12m,其中有效桩长11m。由于本场地表层回填土新近回填,尚未完成自重固结,在搅拌桩复合地基设计中,不考虑其对搅拌桩产生的摩阻力,也不考虑其对搅拌桩产生的负摩阻力,这样的计算方法比较接近搅拌桩复合地基的实际状态。以J1型基础为例,单桩承载力设计值Nd、桩身无侧限水泥土抗压强度qu、搅拌桩置换率m、桩数n分别按下式计算: A<&:-Zz
Nd= qsi•Up•Li+α•Ap•fk; *0^t;A+
qu = Nd /K•Ap; |UO1v A@
m=(fsp-β•fs)/(Nd/Ap-β•fs); M\s^>7es
n=m•A/Ap \JLiA>@@
式中, qsi、fk-意义及取值见表1; B43o_H|s
Up-搅拌桩周长,取Up=3.31m; "p\XaClpz
Li-搅拌桩在不同土层中的长度,分别为:4.5m、4m、2.5m; M]>JI'8
α-桩端土支承力折减系数,取α=0.5; _5nQe
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Ap-搅拌桩的截面积,取Ap =0.73m2; e<p_u)m
K-搅拌桩强度折减系数,取K=0.4; %V$ujun`
fsp-设计复合地基承载力,取fsp=200kPa; iK"j@1|
β-桩间土承载力折减系数,取β=0.5; T'*.LpNP,
fs-桩间土地基承载力标准值,取fs=50kPa; a91Q*X%
A-J1基础面积,A=6.8m×4m=27.2m2。 '7F`qL\/#(
按上式计算结果为:Nd=519kN,实际设计取值Nd=430kN;qu=1472kPa,设计值取qu=1.5MPa;m=31%;n=11.6实际设计取值n=12。固化剂为32.5普通硅酸盐水泥,水灰比0.6,水泥平均掺入比aw=15%,采用变掺量法,0~4.5m段的aw=12%,4.5~8.5m段的aw=18%,8.5~桩底的aw=9%。两喷四搅施工工艺。为使浆管出浆顺利和拌合均匀,地下水位以上的回填土层中和进入较硬的残积层中可带少量水下沉。水泥搅拌桩布置形式为均匀布桩。褥垫层为20cm厚中粗砂垫层。 8<g_JW[%
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2.2 沉降计算 e;=G|E
搅拌桩复合地基的沉降S等于群桩的压缩变形S1和桩端下未加固土层的压缩变形S2之和。计算时将搅拌桩群桩与桩间土视为一个假想的格子状的实体基础,格子的纵向、横向宽度分别为0.72m、1.2m,S1按《软土地基深层搅拌法技术规程》(YBJ 22-91)中公式计算,S2按《建筑地基基础设计规范》的分层总和法计算,其公式分别为: g(:y_EpmLH
S1=(Pc+P0)•L/2•Ec; R$cO`L*s
Pc=(fsp•A-fs•(A-A1))/A1; B(MO!GNg=
P0=Pb-γm•L; n#N<zC/
Pb=(fsp•A+G-Asi•qsi-fs•(A-A1))/A1; u%O^hcfb
Ec=m•Ep+(1-m)•E0; r,6~?hG]
S2=Ψs P0•(Zi•αi-Zi-1•αi-1)/Esi; %;9eh'
式中,Pc-群桩顶面的平均压力,计算结果Pc=228kPa; ^}8_tZs8\
A1-实体基础底面积,计算结果A1=22.9m2; n20H{TA
P0-群桩底面土的附加压力,计算结果P0=11kPa; utwh"E&W
Pb-群桩底面压力,计算结果Pb=97kPa; 0zpP$q$
G-实体基础的自重,计算结果G=2215kN; eT+MN`
Asi-实体基础侧面积,在②、③层土中计算结果分别为154、97m2; -X4`,0y%{O
γm-基底以上土的加权有效重度,计算结果γm=8.8kN/m3; >?e*;f$VdJ
Ec-群桩的变形模量,计算结果Ec=60.3MPa; n X
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Ep-搅拌桩的变形模量,取Ep=120qu=180MPa;
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E0-桩间土的平均变形模量,E0i取值见表1,计算结果E0=6.5MPa; :;"3k64
计算结果S1=20.8mm,实体基础底面地层沉降S2=0.2mm,J1基础工后沉降S=S1+S2=21mm。四周的条形基础沉降略大,计算结果为27mm。 j.CC.[$g
2.3 下卧层地基强度验算 ?=IbiT
桩端下无软弱土层,无需验算。 $zCUQthL@
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3.对施工中遇到巨大孤石的处理方案 xDr
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3.1 孤石状况及处理思路 9Zrn(D
在施工场地正中间的独立基础下搅拌桩时,在地面下5~5.5m处遇到障碍。经人工探测,障碍厚度不详,尺寸约7m×5m,占据了承台下大部分面积,如图1所示。判断为孤石。该孤石埋深较深,尺寸很大,很难将其挖出运走。考虑到本工程采用了复合地基形式,可以将其进行利用。 v;K\#uc_
通过对该场地及附近地形地貌及地质状况的了解分析,判断该孤石厚度应大于2m,下卧层应为相同状况的残积砾质粉质粘土。设计利用短桩将部分基础荷载传递到孤石上,把短桩、孤石都视为基础的一部分,认为孤石将基础底面的埋深降至-7m。 udc9$uO
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3.2 处理方案 {8jG6
基础下已按原设计施工了7条桩。考虑到与短桩的协调,设计在原基础外再增加1条长桩。不考虑桩间回填土的作用,认为8根桩承担了430×8=3440kN的荷载,则短桩需承担荷载N1=27.2×200-3440=2000kN 71 /6=aq>n
短桩下为孤石,承载力相对很高,因此设计承载力需按桩身强度控制。搅拌桩的抗剪强度较低,离散性很大,短桩实际上为端承桩,在上、下压力的作用下很容易从最薄弱的环节剪断,为防止这样情况发生,搅拌桩安全系数必须足够大。综合施工情况,设计搅拌桩桩身强度1.5MPa,强度安全系数取较高值,取K′=0.1,不考虑桩间回填土作用,则 # |UrHK;
Nd′ = K′•qu •Ap=110kN, &2\.6rb.
N′=N1 /Nd′=18 V,M8RYOnC!
考虑到短桩相互搭接减少了底面积,取布桩安全系数1.25,实际布桩23条,布桩形式如图1所示。图中阴影所示桩型均为短桩,长度5~5.5m,其中空桩1m。为减少孤石偏心受力及布桩需要,将基础尺寸由6.8m×4m修改为6.8m×5m。短桩水泥掺入比为15%。 j#p3c
OC\C^Yh*U
3.2 孤石下卧层地层强度验算 Nq~bO_-I
按孤石尺寸为7m×5m、底面埋深为7m、下卧层为相同状况的残积砾质粉质粘土验算,深度修正后地基承载力特征值为: sox90o 7
fa=fk+ηb•γ•(b-3)+ηd•γm•(d-0.5) orU4{.e
取ηb=0,ηd=1,地下水埋深2m,γm=13.2kN/m3,fa=286kPa。 Hh@mIusj
短桩作用到孤石上时,孤石偏心受力,孤石底面压力Pk及孤石边缘最大压力值Pmax应满足: b`:Eo+p
Pk= (Fk+Gk)/Ak≤fa; E>V8|Hz;
Pkmax=(1+6ex/x+6ey/y)≤1.2 fa o`sn/x
式中, Fk-孤石顶面荷载,取Fk=N1=2000kN; zu|pL`X
Gk-孤石及上覆土重、搅拌桩重量,计算结果Gk=3001kN; 9Pb0Olh
Ak-孤石底面积,按5m×7m=35m2估算; W4YC5ZH{l
e-短桩等效作用点的偏心距,计算结果取ex=0.45m、ey=0.40m; v^E5'M[A
x、y-孤石粒径,取x=5m、y=7m。 /cjf 1Dc
计算结果Pk=143kPa,Pkmax=269kPa,均满足要求。 ja>T nfu
L"b5P2{c
3.3 该基础沉降计算 L]tyL)
该基础下搅拌桩、孤石共存,受力情况不明确,要准确地计算出沉降是困难的。仍假设上述的桩、石分担荷载方法成立,认为孤石没有压缩变形,则孤石处的沉降包括短桩的压缩变形S1′、孤石下地层的压缩变形S2′及短桩底端与孤石顶面残留土的压缩变形S3。S3产生的原因为:施工机械为SJB-2型深层搅拌机,该类型桩机为上喷浆型机械,单设出浆管,搅拌头一般有双层叶片,出浆口略高于上层叶片,且两个搅拌头的叶片也要分层,因此出浆口一般要高于桩尖50cm,导致桩端约有40~50cm的土中没有掺入或只能掺入较少量的浆液。其它类型的搅拌桩机存在同样的问题,只是出浆口距桩尖的距离不同。这也是搅拌桩的桩端承载力修正系数α取值较小的一个原因。对于该基础的短桩而言,如果桩端与孤石之间留有50cm的余土,其压缩变形过大,满足不了设计要求。因此施工短桩前,施工单位对搅拌头及出浆管进行了改造,在机械上使出浆口距桩尖不超过15cm。施工时通过采取加长座底时间、加大座底时喷浆压力等措施,能够使该余土厚度更小。 ):[[Ch_
S1′计算:不考虑桩间土作用,取Ec′=Ep=120qu=180MPa,搅拌桩有效桩长L′=4m,单桩荷载Nd′=110kN,根据2.2节所列公式,计算结果: n+i}>3'A
S1′=Nd′•L′/Ap/Ec′=3.3mm。 0CN.gu
S2′计算:不考虑桩间土作用,视孤石受力后侧壁与土产生摩阻力的计算方法与搅拌桩相同,孤石侧面积取As′= 38m2,孤石底面均匀受力,根据2.2节所列公式,则孤石底面的附加应力P0′、沉降S2′为: `H|g~7KD&
P0′=(Fk-As′•qs)/Ak=41kPa p{U8z\
S2′=Ψs P0′•(Zi•αi-Zi-1•αi-1)/Esi=17.1mm。 [,e_2<
S3计算:取土层厚度L3=150mm,判断其类别为淤泥质粉质粘土,设附加压力P0″=Nd′/Ap,则 Yp;x
S3=P0″•L3/Es=5.5mm。 [j/-(?+
孤石处基础沉降S′=S1′+S2′+S3=26.2mm,与其它基础沉降值21mm比较接近,说明长桩短桩能够共同工作,设计参数合理。 C'$U1%:
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差异沉降:该基础与最近的基础的边缘差异沉降为(25.9-21)mm/2.6m=0.19%<0.2%,满足要求。 N!va12
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4.质量检验与沉降观测 TUUBC%
4.1 取芯检验 1 h"B-x
完成施工后对搅拌桩进行了质量检验,方法为取芯和复合地基载荷试验。取芯数量3条,芯样连续,搅拌均匀,无明显缺陷。对芯样进行了水泥土无侧限抗压强度试验,共制作了12个试样,试样的28天强度1.8~6.2MPa,符合设计要求。 ]zm6;/S
对1条短桩取芯抽验时,对孤石进行了钻穿取样,证实该孤石为微风化花岗岩孤石,取芯位置厚度2.6m,顶面上有40cm厚淤泥质粉质粘土,其中孤石顶面10cm内没有固结成水泥土。孤石下为残积砾质粉质粘土。 %$}iM<
l;C_A;y\
4.2 复合地基载荷试验 #*`|}_6L
搅拌桩龄期达到28天时,在条基下及独立柱基下各取一个点做复合地基载荷试验。载荷板为2m2方形钢板,地面与压板间铺设20mm厚中粗砂。荷载共800kN,分9级加荷,沉降量分别为9.9mm、6.6mm,回弹率分别为36%、33%,安全系数取2,承载力标准值fk≥200kPa,符合设计要求。 NdZ:
7
需要说明的是,因为受载荷板尺寸限制,试验时只能压载一条桩上,因此试验时搅拌桩置换率m=0.73/2=36.5%,大于设计置换率31%,应该做荷载修正。这个现象在搅拌桩复合地基试验时普遍存在,值得注意。但是因为该载荷试验的目的只是为了检验复合地基施工质量,不是为了取得复合地基承载力的设计值,因此试验时没有加以修正。 5u!cA4e"
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4.3 沉降观测 0j yokER
该培训楼于1997年7月交付使用。交工时建筑物四周的边柱沉降值为12~17mm,较为均匀,但填充墙下沉降值太小,仅2~6mm,导致底层墙上柱边、窗角等处出现倒“八”字裂缝。墙面重新抹灰后不再出现裂缝。中柱沉降5~7mm,基础下有孤石的中柱沉降7mm。到2002年7月为止,边柱沉降15~21mm,中柱沉降9~12mm,基础下有孤石的中柱沉降12mm。近两年沉降已不再发展,此沉降值基本上为最终沉降值。 Cm&itG
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参考文献:《地基处理技术②喷射注浆法与深层搅拌法》,冶金部建筑研究总院主编,冶金工业出版社,1991年3月第一版 &0"`\~lA
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