深层搅拌桩复合地基中处理孤石的工程实例

深层搅拌桩复合地基中处理巨大孤石的工程实例xxx（xx建筑研究总院xx分院xx…………..）xx（xx集团股份有限公司xx………………..）xx（xx市渔阳投资有限公司xx……………..）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过程，详细介绍了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AnengineeringexampleofdealingwithahugestoneinDeepMixingpilescompositefoundationAbstract：Heretheauthorintroducesthedesigningprocessofdeepmixingpilescompositefoundationunderasinglefoundation,andintroducesawayofdealingwithahugestoneintheconstructionprocessdetailedly.Keywords：deepmixingpilecompositefoundationahugestone1．工程概况及地质概况已建xx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，复合地基承载力特征值fspk≥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：主要由粉质粘土组成，新近回填，结构松散，层厚5.2~5.8m，天然重度γ=18.0kN/m3，桩周侧阻力特征值qs=-10kPa；②第四系海相沉积层：沉积淤泥质粉质粘土，黑色，局部淤泥质土，很湿，软塑~可塑，含有少量孤石，层厚2.5~4.1m，γ=17.3kN/m3，桩端端阻力特征值qp＝120kPa，压缩模量Es＝4.0MPa，qs=15kPa；③第四系残积层：残积砾质粉质粘土，粗粒花岗岩风化残积而成，湿，软塑~硬塑，层厚未穿透不详，γ=17.8kN/m3，qp＝200kPa，Es＝6.0MPa，qs=30kPa。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。地下水对混凝土无侵蚀性。2．搅拌桩复合地基设计2.1设计方案经地基设计方案分析对比后，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Ra、同配比的水泥土试块抗压强度fcu、搅拌桩置换率m、桩数n的计算公式及结果为：Ra＝upqsili＋αApqp＝519kN；fcu=Ra／η／Ap＝1785kPa；m＝（fspk－βfsk）／（Ra／Ap－βfsk）＝31％；n＝mA／Ap＝11.6式中，up、Ap－搅拌桩周长、截面积，取up＝3.31m、Ap＝0.73m2；li－搅拌桩在不同土层中的长度，分别为：4.5m、4m、2.5m；α、β－桩端土、桩间土承载力折减系数，取α＝0.5、β＝0.5；η－搅拌桩桩身强度折减系数，取η＝0.33；fsk－桩间土承载力特征值，取fsk＝50kPa；A－J1基础面积，A＝6.8m×4m＝27.2m2。实际设计取值Ra＝430kN；fcu＝1.8MPa；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。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、S2计算公式及计算结果为：S1＝（Pz+Pz1）L／2／Esp＝21.5mm；Pz＝（fspkA－fsk（A－A1））／A1＝228kPa；Pz1＝Pz2－γpL＝11kPa；Pz2＝（fspkA＋G－Asiqsi－fsk（A－A1））／A1＝97kPa；Esp＝mEp＋（1－m）Es＝58.4MPa；S2＝ΨsPz1（Ziαi－Zi-1αi-1）／Esi＝0.2mm；式中，Pz、Pz2、Pz1－群桩顶面附加压力、群桩底面压力、群桩底面附加压力；A1、Asi－实体基础底面积、侧面积，计算结果A1＝22.9m2、As2＝154m2、As3＝97m2；G－实体基础的自重，计算结果G=2215kN；γp－基底以上土的加权有效重度，计算结果γp＝7.9kN／m3；L－搅拌桩长度，取L=11m；Esp、Es、Ep－群桩、桩间土、搅拌桩的变形模量，计算结果Es＝6.5MPa、Ep＝100qu＝180MPa；J1基础最终沉降值S＝S1+S2＝21.7mm。四周的条形基础沉降略大，计算结果为27mm。3．对施工中遇到巨大孤石的处理方案3.1孤石状况及处理思路在施工场地正中间的独立基础下施工搅拌桩时，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，埋藏于第四系海相沉积层中。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430×8＝3440kN的荷载，则短桩需承担荷载为27.2×200－3440＝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fcu＝1.8MPa，强度安全系数取较高值，取η’=0.1，不考虑桩间回填土作用，则Ra’＝η’fcuAp＝130kN，桩数N’＝15。考虑到短桩相互搭接减少了底面积，取布桩安全系数1.5，实际布桩23条，每条桩承担荷载约为100kN，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％。3.3孤石下卧层地层强度验算按孤石尺寸为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：fa＝fak＋ηbγ（b－3）＋ηdγm（d－0.5）取ηb＝0，ηd＝1，地下水埋深2m，γm＝13.2kN/m3，fak＝200kPa，计算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）／Ak≤fa；Pkmax＝（1＋6ex／x＋6ey／y）≤1.2fa式中，Fk－孤石顶面荷载，取Fk＝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5m×7m＝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。3.4该基础沉降计算该基础下搅拌桩、孤石共存，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。S1′计算：不考虑桩间土作用，取Esp′＝Ep＝100fcu＝180MPa，搅拌桩有效桩长L′＝4m，单桩荷载Ra′＝100kN，根据2.2节所列公式，计算结果S1′＝Ra′L′／Ap／Esp′＝3.0mm。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Pz1′＝41kPa，沉降S2′＝17.1mm。S3计算：取桩端残留的土层厚度L3＝150mm，判断其分类为淤泥质粉质粘土，取附加压力Pz1″＝Ra′／Ap，则S3＝Pz1″·L3／Es＝5.1mm。孤石处基础沉降S′＝S1′＋S2′＋S3＝25.2mm，与其它基础沉降值21.7mm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差异沉降为（25.2－21.7）mm／2.6m＝0.13%<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。4.2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。载荷板为方形钢板，面积2m2，地面与压板间铺设20mm厚中粗砂。荷载800kN，分9级加荷，条基下及独立柱基下沉降量分别为9.9mm、6.6mm，卸荷后其回弹率分别为36％、33％，安全系数取2，承载力特征值fspk≥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。4.3沉降观测该培训楼于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月为止该培训楼已竣工5年，边柱沉