孔内深层超强夯工法在湿陷性黄土地区高层建筑地基处理中的应用.pdf

实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期孔内深层超强夯工法在湿陷性黄土地区高层建筑地基处理中的应用李敏1，李华伟2，崔莹3（1.西北综合勘察设计研究院，西安 710003；2.陕西恒基岩土工程有限公司，西安 710064；3.西安石油大学，西安 710065）湿陷性黄土是一类不良地质条件，我国主要分布在西起祁连山，东至太行山，遍及甘肃、宁夏、陕西、山西的大部地区，其湿陷等级以域级郁级为主。湿陷性黄土遇水浸泡失去强度，同时过大的湿陷沉降变形导致基础发生变形、裸露、悬空，甚至断裂。因此，在湿陷性黄土地区进行建筑设计和施工尤其是高层建筑施工就对地基处理提出了更高的要求。由于湿陷性黄土的土质特点，湿陷性黄土地区地基的破坏主要来自水力侵蚀和重力侵蚀1-3。近年来，国内外专家从消除黄土湿陷性方法、增强地基承载力等方面进行了相对完善的研究，刘松玉等4对振杆密实法处理湿陷性黄土地基进行了试验研究，结果表明振杆密实法处理后的土层锥尖阻力、侧壁阻力和标贯击数较处理前显著提高。王鼎等5对内外套管组合沉管成孔，再由重锤二次夯扩挤密的方案进行了讨论研究，获取了灰土挤密桩与水泥土挤密桩的桩长和比例关系。Shi Baozhen 等6对湿陷性黄土地基的位移和应力特性进行了研究，对复合地基设计的合理性进行了验证。从上述的研究现状分析可以看出，虽然国内外的专家学者对湿陷性黄土的变形机理及湿陷性黄土区地基变形特征等进行了一定研究，但适用于湿陷性黄土区高层建筑结构的地基处理优化方案、处理后地基承载效果评价指标监控的研究相对有限，特别是近年来逐步推广使用的孔内深层超强夯法的应用评价还需要进一步研究。基金项目：陕西省自然科学基金面上项目（2020JM-536）第一作者简介：李敏（1977-），女，硕士，高级工程师。研究方向为结构设计。摘要：为探讨孔内深层超强夯（SDDC）工法在湿陷性黄土地区的应用效果，采用 SDDC 工法的大直径挤密桩作为某高层建筑地基处理方法，进行复合地基承载力静载荷试验、桩体压实系数和桩间土挤密系数试验、桩身强度试验；依据试验数据指标，按桩身强度和复合地基承载力特征值双控的方法，确定复合地基承载力，并对建筑物在施工期间沉降和竣工后沉降观测数据进行搜集对比。试验结果表明，SDDC 工法在湿陷性黄土地区高层建筑地基处理中消除地基湿陷、提高地基承载力、减小基础沉降、加快施工速度、提高施工质量和经济效益等方面具有明显优势，表明该方法在湿陷性黄土地区处理地基是有效可行的。关键词：大直径挤密桩；孔内深层超强夯；高层建筑；地基处理；湿陷性黄土中图分类号院TU444文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-00缘缘-0源Abstract:In order to explore the application effect of super down-hole dynamic consolidation(SDDC)method in collapsibleloess area,the large diameter compaction pile of SDDC method was used as the foundation treatment method of a high-risebuilding,and the static load test of bearing capacity of composite foundation,the compaction coefficient of pile and the compactioncoefficient of soil between piles and the strength of pile were carried out.According to the index of test data,the bearing capacityof composite foundation is determined according to the double control method of pile strength and the characteristic value ofbearing capacity of composite foundation,and the observation data of building settlement during construction and after completionare collected and compared.The test results show that the SDDC method has obvious advantages in eliminating collapsibilityfoundation of collapsible loess area in the high-rise building foundation treatment,increasing the subgrade bearing capacity,decreasing the foundation settlement,speeding up the construction speed,and improving the construction quality and economicbenefit,showing that the method in ground treatment of collapsible loess area is feasible and effective.Keywords:large diameter compacted pile;super down-hole dynamic consolidation(SDDC);high-rise building;collapsible loessarea groundDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.01455-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application孔内深层超强夯法7（Super Down Hole Dynamic Consolidation，SDDC）是在孔内深层强夯工法（DDC）基础上进行改进的一种复合地基处理技术，改进的重点主要表现在成桩孔径增大和冲击成孔夯锤质量加大。大量的实际工程表明，常用的 400550 mm 桩径的 DDC 工法可有效消除大厚度湿陷性黄土的湿陷性，较好地提升地基承载力，但尚有不足之处，如桩间距小、桩数多、桩的施工质量难控制和承载力不能达到高层建筑的要求等问题，而采用大直径孔内深层超强夯（SDDC）工法桩径比常用的桩径大 23 倍，桩间距大、单桩承载力高、桩数少，施工质量能得到严格控制。本文通过实际工程，探讨成桩直径在 2 100 mm时，采用 SDDC 工法的挤密桩作为某高层建筑地基处理方法，通过复合地基承载力静载荷试验、桩体压实系数和桩间土挤密系数试验、桩身强度试验，依据试验数据，以桩身强度和复合地基承载力特征值双控的方法，确定复合地基最终的承载力，同时监测建筑物在施工期间和竣工后的沉降，通过试验数据探讨 SDDC 工法在湿陷性黄土地区的应用效果，以期为该法的可靠性提供参考依据。1工程实例1.1工程地质概况某工程位于陕西省铜川新区，设计要求处理后地基承载力特征值不小于 450 kPa。场地属黄土塬，湿陷性土层厚度自基底算达到 19.500 m，主要为黄土和古土壤层，场地属于芋级自重湿陷性黄土场地。1.2地基处理方案鉴于场地的地质情况，天然地基的方案不满足基础承载力的要求，经过安全可靠和经济性对比采用挤密桩复合地基，达到消除地基的湿陷性和提高承载力的效果，孔内填料为水泥土，施工方法采用孔内深层超强夯（SDDC）工法，冲击辅助旋挖钻机成孔方式，10 t夯锤分层夯实填料，地基处理设计参数如下：桩中心距2.8 m，桩水平排距 2.4 m，成孔孔径 1.4 m，桩身材料为水泥土，桩长 17.8 m。1.3SDDC 工法及施工要点的控制该工艺使用直径 1.4 m 的重锤，成孔时重锤在原土上直接锤击，夯扩至 2.1 m 时成孔结束，在此过程中1.42.1 m 之间的土体被挤向周边土体，从而达到第一次挤密桩间土的作用。由于桩径比较大，为确保桩的施工质量，在施工中要特别注意填料的含水率、水泥和土比例的控制。填料的含水率一般是控制在最优含水率依2%的范围内，水泥土配合比在本工程中采用 1颐6（质量比）的比例，水泥和土要求全部过筛处理。2地基处理效果检测2.1复合地基承载力静载荷试验复合地基承载力特征值按照规范要求，采用静载荷试验确定。鉴于本工程成桩后直径大于 1 500 mm，按照 CECS 197：2006孔内深层强夯法技术规程 和JGJ 3402015 建筑地基检测技术规范 要求，对工程桩分别做桩身静荷载试验和桩间土静载荷试验，取 3组试桩点，压板直径 1 120 mm，加荷等级分为 8 级，最大加载压力为 1 570 kPa，取最不利一组静荷载试验曲线如图 1 所示。图 1 中（a）（b）为桩体试样的静载曲线，（c）（d）为桩间土体试样的静载曲线，由 p-s 曲线可以看出，曲线为 2 条相对平缓、光滑曲线，上部的曲线是压实曲线，下部的曲线为回弹曲线，s 值随着 p 值的增加逐渐增大，在卸载以后 s 随着卸载荷载的减小有所增加又逐渐减小，在卸载完成后到达一个稳定值；同时加载达到设计荷载值（785 kPa）的 2 倍时桩体曲线平滑，没有发生突变，说明桩体没有发生破坏。由 s-lgt 曲线可以看出，桩间土体曲线密集、相互平行、变化均匀，在各级荷载下相对稳定。2.2桩身和桩间土质量检验结果处理后复合地基需对桩体压实系数、桩间土挤密系数指标进行评价，采取现场取样和人工探井取样的方法，对 6 组桩体做试验，每根桩体取 3 组土样，土样在同一含水量、不同锤击数的情况下做土工物理试验，检测得到的数据见表 1。由表 1 可以看出，在相同含水率的条件下，锤击数越多桩体的压实系数和桩间土的挤密系数平均值均有所增加。根据 GB 500252018 湿陷性黄土地区建筑规范 中桩体填料的平均压实系数 姿c不应低于 0.97、桩间土平均挤密系数浊c不宜小于 0.93，由表 1 可以看出，二者均满足规范要求。2.3桩体抗压强度通过 3 根桩的 18 组桩体试块抗压强度的试验，桩身抗压强度随取样深度的变化数据见表 2。56-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期渊a冤实验T2a p-s 曲线渊b冤实验 T2a s-lgt 曲线t/minP/kPa渊c冤实验 T2b p-s 曲线渊d冤实验 T2b s-lgt 曲线图 1不同压板面积条件下的静荷载试验曲线表 2桩身抗压强度试验结果t/minP/kPa表 1桩体压实系数和桩间土挤密系数桩体编号 锤击次数/N 土样含水量（%）桩体平均压实系数 桩间土平均挤密系数 1 15 14.2 0.98 14.4 0.93 2 15 14.1 0.98 14.1 0.94 3 15 14.3 0.98 14.3 0.95 4 21 14.2 0.98 14.4 0.95 5 21 14.1 0.99 14.1 0.96 6 21 14.3 0.99 14.3 0.97 试桩编号 取样深度/m 抗压强度fcu/MPa 三组数据 平均值 Y1131 1.0 6.9,8.0,8.4 7.7 Y1132 2.0 5.2,6.7,6.6 6.2 Y1134 3.0 6.4,8.4,8.9 7.9 Y1135 4.0 8.3,6.8,4.7 6.6 Y1136 5.0 8.3,6.8,4.7 7.2 Y1137 6.0 7.1,6.5,7.8 7.1 02468101214024681012141618024681012141602468101214161 8001 6001 4001 2001 00080060040020001801601401201006040200801801601401201006040200806005004003002001000压板面积：5 000 cm2压板面积：9 847 cm263 kPa125 kPa188 kPa250 kPa313 kPa375 kPa438 kPa500 kPa196 kPa393 kPa589 kPa785 kPa981 kPa1 178 kPa1 374 kPa1 570 kPa57-2023 年 28 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application由表 2 数据可以看出，桩体的抗压强度随桩身的深度而变化，受到施工及不同土层土质的影响，强度的变化并无呈现出稳定的规律，由于桩体材料介于散体和凝结体之间的状态，作为建筑物的地基，要保证桩体不能出现强度的破坏，所以选用了试块最小值作为桩体强度，根据 JGJ 792012 建筑地基处理技术规范（7.1.6-1），由现场试验得单桩抗压强度Ra臆fcu伊Ap/4姿=4.6伊0.785伊2.12/4伊1.0=3 981 kN（1）式中：Ap=0.785伊2.12=3.461 9 m2为成桩面积；Ra为单桩竖向承载力特征值；姿 为单桩承载力发挥系数；fcu为桩体试块抗压强度平均值（此处取最小值）。而理论计算单桩抗压强度由 JGJ 792012建筑地基处理技术规范（7.1.5-3）公式Ra=Up移qsilpi+apqpAp=6.594伊 （-15伊10）+（15伊7）+1.0伊715伊3.4619抑2 178.5 kN（2）式中：Up=3.14伊2.1=6.594 m 为成桩周长；qsi为桩侧阻力特征值（10 m 范围取-15，7 m 范围取 15）；ap为桩端阻力发挥系数，取1.0；qp为桩端阻力特征值，取715 kPa；lpi为桩长范围第 i 层土的厚度。由此得出：现场试验数据得到的单桩承载力特征值为 3 981 kN，而理论计算得到的单桩承载力特征值为 2 178.5 kN。由此可以看出，试验得到的单桩承载力特征值远大于理论计算值，复合地基增强体单桩桩身强度和复合地基承载力特征值同时满足设计要求。2.4地基处理后沉降观测结果根据高层沉降观测要求，在主楼四周布设 30 个沉降观测点，经 3 次间隔 3 个月的观测，最大沉降为19.6 mm，同时主楼在主体施工阶段和竣工以后的沉降均比较稳定，即便是最大的沉降点也能满足规范“体型简单的高层建筑基础的平均沉降量允许值不大于150 mm”的要求。3结论1）SDDC 工法在大直径挤密桩处理湿陷性黄土地区高层建筑地基方案中，可以消除地基土层的湿陷性、提高地基承载力、减小建筑物的沉降，同一场地，桩径大桩数少，施工速度快，具有明显经济效益。2）对于湿陷性土层较厚的地区，采用的桩体材料可以选用 1颐6（质量比）的水泥土填料，经工程实例对比可以得到此方案造价低，施工简单，质量可靠。3）SDDC 工法处理后的地基，是由挤密后的原土和具有低黏结、有一定强度桩体组成的复合地基，整个场地仍为不均匀地基，所以建议高层建筑的基础采用整体性好的平板式伐基或梁伐基础。4）建议 SDDC 工法取以下范围，为最经济合理：成孔直径取 1.41.8 m，成桩直径取 1.82.4 m，桩间距取成孔直径的 22.5 倍。参考文献院1 刘祖典.黄土力学与工程M.西安：陕西科学技术出版社，1997.2 胡玉定，姚继涛，韩晓雷，等.黄土地区某事故建筑物不均匀沉降机理分析J.西安建筑科技大学学报：自然科学版，2012（3）：345-350.3 朱彦鹏，李亚胜，李京榜，等.挤密桩法处理自重湿陷性黄土地基的试验J.兰州理工大学学报，2019，45（6）：133-137.4 刘松玉，杜广印，毛忠良，等.振杆密实法处理湿陷性黄土地基试验研究J.岩土工程学报，2020，42（8）：1377-1383.5王鼎，葛忻声，甄正，等援内外套管组合沉管夯扩法在大厚度湿陷性黄土地基中的现场试验研究 J.建筑结构,圆园员怨，源怨（远）：员猿源原员37.6 SHI B,CHENG X，GONG L,et al.Selection design andparameteroptimizationofcompositefoundationsincollapsible loess areasJ.Geotech Geol Eng，2020（38）：3175-3201.7 孔内深层强夯法技术规程：CECS 197：2006S.北京：中国计划出版社，2006.58-