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【同辰原创】五种常见地基处理

  • 时间:2021-05-18
  • 作者:同辰建筑
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结构设计的经济性与诸多因素相关,一个优质的工程不仅要安全适用(基本要求),还要有合理的经济性作为保障,结构设计的经济性与结构本身抗力的有效利用直接相关,上部结构如此,基础设计同样适用。


当项目所在地工程地质条件无法满足上部结构承载力需求时,一般会选择深基础或者地基处理,地基处理的类型多种多样,不同地区,不同地质情况,不同上部结构适用性均有差别,本次分享针对五种地基处理进行简单介绍,工程设计时可作为参考作出概念性判断。



淤泥质粉质黏土能否作为基础持力层?


1、淤泥质粉质黏土层压缩模量小,为高压缩性土,其作为持力层会导致沉降变形不可控。


某项目天然地基设计参数表:



2、淤泥质粉质黏土层存在震陷风险,根据《抗规》4.3.11条文说明,7度区小于70kpa的软土需要进行室内动三轴试验等加以判定是否震陷。









01、换填垫层


什么是换填垫层?


挖除基础底面下一定范围内的软弱土层或不均匀土层,回填其他性能稳定、无侵蚀性、强度较高的材料,并夯压密实形成的垫层。




适用范围:


换填垫层处理深度一般为0.5m~3m,不宜过深,主要考虑以下几点:


1. 基坑开挖过深,常因地下水位高,需要加大降水措施;


2. 坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护及因此易引起邻近地面、管网、道路与建筑的沉降变形破坏;


△ 喷锚支护



3. 施工土方量大、弃土多等因素,常使处理工程费用增高、工期拖长、对环境的影响增大。


△ 渣土运输



换填材料:


砂石、粉质黏土、灰土、粉煤灰、矿渣、其他工业废渣。



换填厚度控制因素:




换填宽度控制因素:


垫层底面宽度主要由应力扩散角决定,扩散宽度b'≥b+2ztanθ。


△ 换填示意



承载力参考:




经济性:


设:换填深度为h,基础面积为b*b,应力扩散角为θ,每立方级配砂石综合单价按m元/m3(考虑运输,人料机);


换填成本:



当采用砂石换填,令b=20m,Z=3.0m,θ=0o,m=140元/m3;



备注:以上没有考虑降水等带来的成本增加。








02、CFG地基处理(刚性桩)


由水泥、粉煤灰、碎石等混合料加水拌合在土中灌注形成竖向增强体的复合地基。


备注:当桩体材料采用钢筋混凝土预制管桩时,注意采用混凝土桩帽或采用高于增强体强度等级的混凝土灌芯,减少桩顶的刺入变形。


△ 截桩前


△ 截桩后



适用性:


适用于处理黏性土、粉土、砂土和正常固结的素填土等地基。对淤泥质土应通过现场试验确定其适用性。



参数:


根据不同施工工艺,桩径一般300mm~800mm,桩间距(3~6)倍桩径。



备注:


1、长螺旋钻孔灌注成桩:适用于地下水位以上的黏性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土地基;  


2、长螺旋钻中心压灌成桩:适用于黏性土、粉土、砂土和素填土地基,对噪声或泥浆污染要求严格的场地可优先选用;穿越卵石夹层时应通过试验确定适用性;


3、振动沉管灌注成桩:适用于粉土、黏性土及素填土地基;挤土造成地面隆起量大时,应采用较大桩距施工;  


4、泥浆护壁成孔灌注成桩,适用于地下水位以下的黏性土、粉土、砂土、填土、碎石土及风化岩层等地基;桩长范围和桩端有承压水的土层应通过试验确定其适应性。




要求:


应选择承载力和压缩模量相对较高的土层作为桩端持力层。



特点及承载力:


可仅在基础范围内布桩,对地基承载力提高幅度大,可有效减小地基变形。




案例:


1、南京浦镇车辆厂厂南生活区24幢6层住宅楼,原地基土承载力特征值为60kPa的淤泥质土,经处理后复合地基承载力特征值达240kPa,基础形式为条基,建筑物最终沉降多在40mm左右;


2、成都某建筑40层、41层,高度为119.90m,强风化泥岩的承载力特征值fak为320kPa,采用水泥粉煤灰碎石桩处理后,承载力和变形均满足设计和规范要求;


3、北京华亭嘉园35层住宅楼,天然地基承载力特征值fak为200kPa,采用水泥粉煤灰碎石桩处理后建筑物沉降在50mm以内。



注意:


① 桩的最大轴力作用点不在桩顶,而是在中性点处,即中性点处的轴力大于桩顶的轴力;


② 水泥粉煤灰碎石桩应选择承载力和压缩模量相对较高的土层作为桩端持力层,褥垫层可有效提高桩土的协同受力;


③ 若地基土是松散的饱和粉土、粉细砂,以消除液化和提高地基承载力为目的,此时应选择振动沉管桩机施工;振动沉管灌注成桩属挤土成桩工艺,对桩间土          具有挤(振)密效应。但振动沉管灌注成桩工艺难以穿透厚的硬土层、砂层和卵石层等。在饱和黏性土中成桩,会造成地表隆起,已打桩被挤断,且振动和噪声   污染严重,在城中居民区施工受到限制。在夹有硬的黏性土时,可采用长螺旋钻机引孔,再用振动沉管打桩机制桩;


④ 对桩长范围和桩端有承压水的土层,应选用泥浆护壁成孔灌注成桩工艺。当桩端具有高水头承压水采用长螺旋钻中心压灌成桩或振动沉管灌注成桩,承压水沿着桩体渗流,把水泥和细骨料带走,桩体强度严重降低,导致发生施工质量事故。泥浆护壁成孔灌注成桩,成孔过程消除了发生渗流的水力条件,成桩质量容易保障;


⑤ 褥垫层厚度不应小于软弱土层相对桩体的沉降量褥垫层材料可为粗砂、中砂、级配砂石或碎石,碎石粒径宜为5mm~16mm,不宜选用卵石(易发生滚动)。



经济性范例:


地质条件:原土层为粉质黏土,fak=200kpa,qsia=25kpa,土层厚10m,下层为强风化岩石,qpa=2500kpa;


CFG参数:CFG桩径500,桩长10m,正方形布桩,承载力由200kpa提高至300kpa,需桩间距S=1.75m,褥垫层300厚;


造价:仅地基处理部分每平米造价约520元(褥垫层及桩成本,地区间成本单价差别较大,此处仅供参考)。








03、水泥土搅拌桩(刚性桩)


以水泥作为固化剂的主要材料,通过深层搅拌机械,将固化剂和地基土强制搅拌形成竖向增强体的复合地基。


△ 施工过程



适用性:


适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土(软塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉细砂(松散、中密)、中粗砂(松散、稍密)、饱和黄土等土层。


不适用于含大孤石或障碍物较多且不易清除的杂填土、欠固结的淤泥和淤泥质土、硬塑及坚硬的黏性土、密实的砂类土,以及地下水渗流影响成桩质量的土层。


备注:水泥土搅拌桩用于处理泥炭土、有机质土、pH值小于4的酸性土(与水泥土化学反应,结晶侵蚀)、塑性指数大于25的黏土(Ip=WL-WP表示土中弱结合水含量),或在腐蚀性环境中以及无工程经验的地区使用时,必须通过现场和室内试验确定其适用性。



参数:


桩长,桩径及桩间距根据设计所需地基承载力及变形限值确定,加固深度通常超过5m,干法加固深度不宜超过15m,湿法加固深度不宜超过20m(存在有效桩长,单桩承载力在一定程度上并不随桩长的增加而增大)。


备注:施工分干法施工及湿法施工,干法施工:用粉体和地基土搅拌,湿法施工:用浆液和地基土搅拌;当地基土的天然含水量小于30%(黄土含水量小于25%)时,由于不能保证水泥充分水化,不宜采用粉体搅拌法。



要求:


应穿透软弱土层到达地基承载力相对较高的土层;独立基础下的桩数不宜少于4根



计算公式:



备注:水泥土强度与原土质和掺合料配比有关,一般淤泥质土层,搅拌后实际在 0.6-0.8Mpa,土质较好时可达到2.0MPa,当桩中心距为1m时,其特征值 不宜超过200kPa,否则需要加大置换率,不一定经济合理。



经济性范例:


地质条件:原土层为淤泥质粉质黏土,fak=60kpa,qsia=6kpa,土层厚8.5m,下层为粉质黏土,fak=200kpa;


搅拌桩参数:桩径500,桩长8.5m,桩身强度fcu=2.0MPa,正方形布桩,承载力由60kpa提高至114kpa,需桩间距S=1.0m,褥垫层300厚;


造价:每平米造价约140元(褥垫层及桩成本,地区间成本单价差别较大,此处仅供参考)。








04、素土挤密桩(柔性桩)


利用成孔过程中的横向挤压作用,桩孔内土被挤向周围,使桩间土挤密,然后用素土填入孔内分层夯实形成竖向增强体的复合地基。


备注:成孔方法分为沉管(锤击或振动)和冲击等方法,成孔和回填顺序:整片处理时,宜由内向外进行,局部处理时宜由外向内进行。


△ 施工现场


△ 施工孔位



适用性:


1、适用于处理地下水位以上的粉土、黏性土、素填土、杂填土和湿陷性黄土等地基,可处理地基的厚度宜为3m~15m(3m以内采用换填垫层或强夯),湿陷性黄土地区常与CFG桩配合使用;


2、当以消除地基土的湿陷性为主要目的时,可选用土挤密桩;当以提高地基土的承载力或增强其水稳性为主要目的时,宜选用灰土挤密桩;


3、当地基土的含水量大于24%、饱和度大于65%时(易缩颈或隆起),应通过试验确定其适用性。



参数:


1、处理深度桩长:3m~15m;


2、处理范围:整片处理时,应大于基础底面积,每边不小于(0.5处理土层厚度,2.0m)max;局部处理时,对非湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基,每边不小于(0.25基础底面宽度,0.5m)max,对湿陷性黄土,每边不小于(0.75基础底面宽度,1.0m)max;


3、桩径300mm~600mm,工程常用桩径为560mm;


4、桩中心距由下式计算得出(三角形布桩);



5、褥垫层厚度300mm~600mm。



△ 西安一项目案例大样(处理湿陷性)



要求:


1、桩间土经成孔挤密后的平均挤密系数,不宜小于0.93;


2、孔内填料应分层回填夯实,填料的平均压实系数λc 不应低于0.97,其中压实系数最小值不应低于0.93;


3、褥垫层压实系数均不应低于0.95。



特点及计算公式:


特点:处理湿陷性黄土,常与CFG桩配合使。



备注:桩土应力比应按试验或地区经验确定。灰土挤密桩复合地基承载力特征值,不宜大于处理前天然地基承载力特征值的2.0倍,且不宜大于250kPa;对土挤密桩复合地基承载力特征值,不宜大于处理前天然地基承载力特征值的1.4倍,且不宜大于180kPa。



经济性范例:


地质条件:湿陷性黄土,土层厚度约6.0m;


桩参数:桩径560,桩长6.0m,三角形布桩,桩间距1.3m,消除湿陷性,褥垫层500厚;


造价:每平米造价约180元(褥垫层及桩成本,地区间成本单价差别较大,此处仅供参考)。








05、强夯地基


强夯法:是反复将夯锤(质量一般为10t~60t)提到一定高度使其自由落下(落距一般为10m~40m),给地基以冲击和振动能量,从而提高地基的承载力并降低其压缩性,改善地基性能。


强夯置换法:是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料,用夯锤连续夯击形成强夯置换墩。


备注:强夯置换=强夯(加密)+碎石墩+特大直径排水井。




适用性:


强夯法:用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基,一般均能取得较好的效果。未采取辅助措施,一般不用于处理软土地基。


强夯置换法:适用于高饱和度的粉土与软塑~流塑的黏性土等地基上对变形控制要求不严的工程。



优点:


加固效果显著、施工期短、施工费用低(强夯置换法前,必须通过现场试验确定其适用性和处理效果)



承载力及加固效果:


1、承载力及效果需通过现场试验确定;


2、缺少试验资料时,强夯有效加固深度可参考下表预估。




要求:


1、由于基础的应力扩散作用和抗震设防需要,强夯处理范围应大于建筑物基础范围,每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2~2/3,且不应小于3m;对可液化地基,基础边缘的处理宽度,不应小于5m;



2、有效夯实系数=有效夯沉量/夯沉量≥0.75,有效夯沉量=夯沉量-夯坑周围隆起量;


3、强夯间隔时间取决于超静孔隙水压力的消散时间,有条件时在试夯前埋设孔隙水压力传感器,通过试夯确定超静孔隙水压力的消散时间,从而决定两遍夯击之间的间隔时间;


4、确定工程采用的各项强夯参数后,还应根据试夯所测得的夯沉量、夯坑回填方式、夯前夯后场地标高变化,结合基础埋深,确定起夯标高。夯前场地标高宜高出基础底标高0.3m~1.0m;


5、强夯置换后的地基承载力对粉土中的置换地基按复合地基考虑,对淤泥或流塑的黏性土中的置换墩则不考虑墩间土的承载力,按单墩静载荷试验的承载力除以单墩加固面积取为加固后的地基承载力。



案例:


济南一项目,湿陷性黄土地基,采用强夯处理消除湿陷性,4000夯击能,处理深度6.5m,承载力由原140kpa提高到200kpa。按击两遍,每遍一击计算,造价约300元/m2(实际造价需根据具体项目甲方提供资料确定,此处仅为参考)。


项目情况如下:






▌作者:同辰建筑 安怀德

▌本文仅代表作者个人分析总结,仅供参考

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