深层搅拌桩复合地基中处理巨大孤石的工程实例

深层搅拌桩复合地基中处理巨大孤石的工程实例付文光(冶金工业部建筑研究总院北京100088)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。关键词：深层搅拌桩复合地基巨大孤石1．工程概况及地质概况已建深圳世界之窗某培训楼，高6层，首层建筑面积76mx20m，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%。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。表1土层主要参数表土层编号性状描述层厚(m)天然重度Y(kN/m3)桩端承载力标准值fk(kPa)压缩模量Es(MPa)变形模量Eo(MPa)桩周摩擦力标准值qs(kPa)主要由粉质粘土组成，新近回填，结构松散，可塑5.2~5.818.0-10沉积淤泥质粉质粘土，黑色，局部淤泥质土，很湿，软塑~可塑2.5~4.117.31204.08.015残积砾质粉质粘土，粗粒花岗岩风化残积而成，湿，软塑~硬塑不详18.52006.012.0302．搅拌桩复合地基设计2.1设计方案方案分析对比后，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：Nd=qsi・Up・Li+a・Ap・fk；qu=Nd/K・Ap；m=(fsp—0・fs)/(Nd/Ap—p.fs)；n=m・A/Ap式中，qsi、fk—意义及取值见表1；Up—搅拌桩周长，取Up=3.31m；Li—搅拌桩在不同土层中的长度，分别为：4.5m、4m、2.5m；a—桩端土支承力折减系数，取a=0.5；Ap—搅拌桩的截面积，取Ap=0.73m2；K—搅拌桩强度折减系数，取K=0.4；fsp—设计复合地基承载力，取fsp=200kPa；0—桩间土承载力折减系数，取0=0.5；fs—桩间土地基承载力标准值，取fs=50kPa；A—J1基础面积，A=6.8mx4m=27.2m2。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。2.2沉降计算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》(YBJ22-91)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：S1=(Pc+P0).L/2.Ec；Pc=(fsp.A—fs.(A—A1))/A1；P0=Pb—Ym・L；Pb=(fsp.A＋G—Asi.qsi—fs.(A—A1))/A1；Ec=m.Ep＋(1—m).E0；S2=fsP0・(Zi・ai-Zi-1・ai-1)/Esi；式中，Pc—群桩顶面的平均压力，计算结果Pc=228kPa；A1—实体基础底面积，计算结果A1=22.9m2；P0—群桩底面土的附加压力，计算结果P0=11kPa；Pb—群桩底面压力，计算结果Pb=97kPa；G—实体基础的自重，计算结果G=2215kN；Asi—实体基础侧面积，在②、③层土中计算结果分别为154、97m2；Ym—基底以上土的加权有效重度，计算结果Ym=8.8kN/m3；Ec—群桩的变形模量，计算结果Ec=60.3MPa；Ep—搅拌桩的变形模量，取Ep=120qu=180MPa；E0—桩间土的平均变形模量，E0i取值见表1,计算结果E0=6.5MPa；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。2.3下卧层地基强度验算桩端下无软弱土层，无需验算。3．对施工中遇到巨大孤石的处理方案孤石状况及处理思路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7mx5m，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。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。3.2处理方案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430x8=3440kN的荷载，则短桩需承担荷载N1=27.2x200—3440=2000kN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Nd'=K'・qu・Ap=11OkN,N'=N1/Nd'=18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6.8mx4m修改为6.8mx5m。短桩水泥掺入比为15%。孤石下卧层地层强度验算按孤石尺寸为7mx5m、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：fa=fk+nby(b—3)+nd・ym・(d—0.5)取nb=0,nd=1，地下水埋深2m,Ym=13.2kN/m3,fa=286kPa。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：Pk= (Fk+Gk)/AkSfa；Pkmax=(1+6ex/x+6ey/y)<1.2fa式中，Fk—孤石顶面荷载，取Fk=N1=2000kN；Gk—孤石及上覆土重、搅拌桩重量，计算结果Gk=3001kN；Ak—孤石底面积，按5mx7m=35m2估算；e—短桩等效作用点的偏心距，计算结果取ex=0.45m、ey=0.40m；x、y—孤石粒径，取x=5m、y=7m。计算结果Pk=143kPa，Pkmax=269kPa，均满足要求。3.3该基础沉降计算该基础下搅拌桩、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a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。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：S1'=Nd'・L'/Ap/Ec=3.3mm。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：P0'=(Fk—As'・qs)/Ak=41kPaS2'=fsP0'・(Zi・ai—Zi-1・ai-1)/Esi=17.1mm。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，贝US3=P0"・L3/Es=5.5mm。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。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。4．质量检验与沉降观测4.1取芯检验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。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。复合地基载荷试验搅拌桩龄期达到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。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。4.3沉降观测该培训楼于1