在大部分沿海城市, 工程建设时经常会遇到深厚软土, 而由于深厚软土沉降大的特性, 给工程的地基处理带来了难题和挑战。在这种情况下, 刚性桩复合地基[1,2,3,4]由于其良好的地基处理加固效果成为解决深厚软土变形大问题的最好手段之一。而随着物流仓库快速增多, 对深厚软土地基的加固要求也越来越高, 因此迫切需要对深厚软土地基的地基处理方案进行充分的研究。

结合浙江省某物流仓库地基处理工程, 提出并对比了几种可行的地基处理方案, 介绍了刚性桩复合地基在物流仓库深厚软土地基中的设计及应用, 通过承载力以及沉降方面的对比研究得出刚性桩复合地基处理类似深厚软土地基具有较好的效果以及优势的结论。

某物流仓库工程场地大部分范围较平整, 局部范围堆有回填物, 现场地为空地, 杂草茂密, 场地大部分范围高低不平, 且在场地内有塘分布, 具有较深厚的软土层, 处理比较麻烦。此工程总用地面积158618m2, 总建筑面积约87506m2, 建筑占地面积77436m2, 仓库区域层高均为1F;基础埋深2.0m。场地整平高程为4.25m, 比库外高程高出1.35m, 仓库估算最大柱荷载约为400kN/柱;仓库采用轻钢结构;地基允许变形值不大于0.003L。

本工程场地属海岛滨海海积平原, 大部分范围较平整, 局部范围堆有回填物, 场地大部分范围高低不平, 且有塘分布。根据钻探资料, 地基处理设计所涉及主要地层为:

(1) 素填土:主要由块石、碎石和少量粘性土回填形成, 结构松散, 局部分布, 一般厚度1~1.5 m, 最大厚度3.5m。

(1-2) 粉质粘土:灰黄色, 可塑, 局部缺失, 一般厚度1~1.8m, 最小厚度0.5m。

(2-1) 淤泥质粘土:灰色, 流塑状态, 高压缩性, 含少量贝壳及有机质, 最大厚度5m。

(2-2) 淤泥质粉质粘土:灰色, 流塑状态, 含腐植物及有机质, 该层全址分布, 最大厚度17.6m。

(5-1) 粉质粘土:灰黄色、黄褐色, 厚层状, 可塑状态, 中等压缩性, 该层局部缺失。

(5-2) 粉质粘土:灰色、灰褐色, 厚层状, 软塑为主, 局部可塑, 中等压缩性, 该层大部分范围分布。

(5-3) 粘土:黄褐色、绿灰色, 厚层状, 可塑状态, 中等压缩性, 该层局部缺失。

(6) 粉质粘土:灰色, 含少量腐植物, 软塑状态, 中等偏高压缩性, 该层主要在二期场地, 一期局部有。

(7) 粉质粘土:蓝灰色、黄褐色、褐灰色, 含少量腐植物, 可塑状态, 中等偏低压缩性, 该层全址分布。

各层物理力学性质指标见表1。

表1 各岩土层的物理力学性质指标的推荐值  下载原图

场地内地下水类型主要为赋存于粘性土的孔隙潜水。主要赋存于素填土、粉质粘土中, 下部形成相对隔水层, 渗透性差, 水量贫乏。下部弱承压水水量不大, 水位动态变化不明显, 上覆土层厚度大, 对工程影响较小。

本工程具有以下两个特点:

(1) 具有厚达16m的深厚软土层, 地基未经处理将会发生很大的变形。

(2) 作为物流仓库, 地面要承受很大的堆载, 这势必将会造成地基的不均匀沉降, 影响物流仓库的正常使用。

本工程的地基处理技术要求:

(1) 4#普通仓库 (长120m, 宽86m) 室内最大地面堆载按50kN/m2考虑。

(2) 仓库区加固后复合地基承载力特征值fspk≥100kPa;库区外平台及道路等加固后复合地基承载力特征值fspk≥85kPa;容许差异沉降0.003L。

根据室内地坪、室外地坪、道路等建 (构) 筑物的结构特点与地质情况不同, 可采用的地基处理方案有:桩网复合地基、水泥搅拌桩复合地基、挤密砂石桩复合地基、长短桩复合地基等。以室内地坪地基处理为例, 针对4#库的深厚软土地基地质条件, 选用三种复合地基方案进行对比分析, 方案设计参数如下:

(1) 预制桩桩网复合地基:预制桩正方形布置, 桩径为400mm, 间距为2.8m×2.8m, 桩长为30m。

(2) 水泥搅拌桩复合地基:水泥搅拌桩正方形布置, 桩径为550mm, 间距为1.3m×1.3m, 桩长为18m。

(3) 多桩型复合地基 (预制桩+搅拌桩) :预制桩正方形布置, 桩径为400mm, 间距3.6m×3.6m, 桩长为22 m;水泥搅拌桩正方形布置, 桩径为550mm, 间距为1.8m×1.8m, 桩长为8m。

(1) 预制混凝土管桩单桩承载力[5]计算公式:

并应同时满足公式:

(2) 水泥搅拌桩单桩承载力计算公式:

并应同时满足公式:

式中:ψc工作条件系数, 预制桩取0.75, 灌注桩取0.6~0.7;α为柔性桩桩端天然地基土的承载力折减系数, 与桩长、土层土质情况关;η为桩体强度折减系数;喷浆深层搅拌法取0.25~0.33, 喷粉深层搅拌法取0.2~0.3;fcu为90d龄期桩体水泥立方体抗压强度平均值。

以下为三种地基处理设计方案中单桩的承载力计算结果:

(1) 预制桩网复合地基:C50的fc为23.1N/mm2, 此处ψc取0.75。经计算预制桩的单桩承载力为612.78kN。

(2) 水泥搅拌桩复合地基:α取0.5, η取0.25, fcu取1.0 MPa。经计算水泥搅拌桩的单桩承载力为59.5kN。

(3) 多桩型复合地基:经计算预制桩的单桩承载力为358.23kN;水泥搅拌桩的单桩承载力为59.5kN。

根据规范[6]对于水泥搅拌桩和预制桩网复合地基, 其承载力特征值计算公式:

式中:fspk为复合地基承载力特征值 (kPa) ;β为桩间土承载力折减系数, 对于预制桩网复合地基可取0~0.6, 垫层刚度较小、桩间土承载力较高时取大值;对于水泥搅拌桩复合地基, 宜按地区经验取值, 如无地区经验时可取0.65~0.95;m为复合地基面积置换率, 预制桩网复合地基时按桩帽面积进行计算;Ra为单桩竖向承载力特征值 (kN) ;fak为处理后桩间土承载力特征值 (kPa) 。

对于多桩型的复合地基, 其承载力特征值计算公式:

式中:fspk为复合地基承载力特征值 (kPa) ;m1、m2分别为长桩和短桩的面积置换率;fsk为处理后桩间土承载力特征值 (kPa) ;λ1、λ2、λ3按当地经验或者实验结果取值。

矩形布桩时, 其置换率计算公式:

式中:Ap为等效土体单元里桩的截面积;S1、S2为等效土体单元里的桩间距。

(1) 预制桩网复合地基:根据公式计算得预制桩的置换率为0.128, 桩帽面积为1m2, 桩间土承载力折减系数取0.9。经过计算复合地基承载力为117.68kPa。

(2) 水泥搅拌桩复合地基:根据公式计算得水泥搅拌桩的置换率为0.1402, 桩间土承载力折减系数取0.9。经过计算复合地基承载力为73.89kPa。

(3) 多桩型复合地基:根据公式计算得预制桩的置换率为0.077, 水泥搅拌桩的置换率为0.055, 三者的修正系数均取0.9。经过计算复合地基承载力为85.37kPa。

在进行地基处理方案设计时, 主要是验算处理后的地基能否满足建筑物使用的要求, 而满足物流仓库使用的要求主要是沉降方面。因此将运用经验计算方法[7]来对三个设计方案进行沉降验算。

加固区土层的变形计算方法主要有复合模量法、桩身压缩量法和应力修正法。采用复合压缩模量来作为复合土体的压缩模量, 最后用分层总和法计算加固区土体的压缩量。其中复合模量采用模量提高系数来进行计算。根据4#普通仓库最大地面堆载按50kN/m2考虑, 再加上建筑物本身的重量和活荷载, 则基础底面附加应力大小为68.6kPa。

(1) 预制桩网复合地基:

则预制桩网复合地基加固区土层沉降结果如表2所示。

根据表2可知, 可得预制桩网复合地基加固区土层变形量为28.67cm。

表2 预制桩网复合地基加固区沉降计算表  下载原图

(2) 水泥搅拌桩复合地基:根据以上相同计算可得水泥搅拌桩复合地基加固区土层变形量为32.45cm。

(3) 多桩型复合地基:对于多桩型的复合地基模量提高系数的计算, 需要分成两层来进行计算, 一层是长桩和土组成的, 二层是长桩和短桩共同作用使土的模量得到了提高。对于长桩对压缩模量的提高需要先计算出长桩和土形成的复合地基的承载力。最后可得多桩型复合地基加固区土层变形量为36.57cm。

由于复合地基荷载传递规律以及应力分布的复杂性, 下卧层顶面的附加应力很难准确计算。分别采用不同的附加应力计算方法来对三个方案进行计算, 其中预制桩网复合地基采用等效实体法, 水泥搅拌桩和多桩型复合地基则采用应力扩散法。

(1) 预制桩网复合地基:计算下卧层顶面附加应力时, 桩侧摩阻力在实际工程中计算时一般取勘察报告里提供的极限侧摩阻力来进行计算, 计算过程及结果见表3。

表3 预制桩网复合地基下卧层沉降计算表  下载原图

从表3可以看出预制桩网复合地基下卧层土层变形量为3.18cm。

(2) 水泥搅拌桩复合地基:水泥搅拌桩复合地基下卧层附加应力采用应力扩散法来进行计算, 取应力扩散角θ=23°。经计算下卧层顶面的附加应力为51.65kPa;下卧层土层的变形为22.12cm。

(3) 多桩型复合地基:依据水泥搅拌桩下卧层土层变形量的计算过程, 经计算多桩型复合地基下卧层土层变形量为7.07cm。

三种方案的承载力和沉降结果对比分别见表4、表5。

表4 承载力结果对比表  下载原图

从表4可以看出, 三种方案中, 预制桩网复合地基的承载力效果最好, 而水泥搅拌桩的效果最差, 这是由于地基存在深厚的软土地基, 当桩长未穿透深厚软土层时无法形成统一加固的复合地基, 从而承载力值也会相应的比较小。而预制桩网的桩长是穿过淤泥层的, 水泥搅拌桩的置换率大但是未穿透淤泥层, 因此在提高承载力方面, 穿透淤泥层的做法比单一减小桩间距的做法效果更好。对比三种方案, 在承载力方面预制桩网复合地基方案的效果最好。

表5 沉降结果对比表  下载原图

从表5可以看出, 预制桩网复合地基的最终变形小于水泥搅拌桩和多桩型复合地基的变形量。分别从加固区变形和下卧层变形来看, 预制桩网的加固区深度为30 m, 水泥搅拌桩的加固区深度为18m, 多桩型的加固区深度为22 m, 而深厚软土淤泥层所处的深度为6m~20m, 厚达14m, 其中预制桩网加固深度最深, 而多桩型和水泥搅拌桩加固区的变形却大于预制桩网, 因此可以看出预制桩网的加固效果最好。

通过以上的承载力和变形的对比分析, 最终选择预制桩网复合地基来对此工程的4号库进行地基处理。

(1) 承载力验算:预制桩网复合地基的承载力为117.68kPa, 大于地基处理承载力要求, 因此该方案满足承载力要求。

(2) 变形验算:根据规范[7]中的规定, 对于高压缩性土地基的框架结构, 工业与民用建筑相邻柱基的沉降差小于0.003L (L为相邻柱基的中心距离) 。4号库的中心变形为25.2cm。根据上一节计算中心变形的过程, 可以计算出长边中点和角点的变形分别为16.08cm和8.69cm。长边中点与角点的距离为60 m, 则长边中点与短边中点的沉降差为9.12cm, 小于18cm, 因此该方案满足变形要求。

(1) 结合某物流仓库工程, 提出了几种可行的地基处理方案, 分别从承载力和沉降方面对比分析, 证明了刚性桩复合地基对于处理深厚软土地基相比于柔性桩复合地基和散体材料桩复合地基有着明显的优势。

(2) 通过方案的对比分析, 对于处理仓库深厚软土地基, 当桩穿透深厚的软土地基时, 地基处理能够取得较好的处理效果, 同时也能节省工期和造价。

(3) 通过承载力、沉降的验算证明了预制桩网复合地基完全能够满足此工程地基处理的技术要求和规范要求, 同时也为此类深厚软土地基工程提供了设计参考。