地基处理设计.doc

一、工程概况
某拟建建筑物总高25层。出地面高度76.6m，大厦主楼结构为钢筋混凝土筒中筒，采用箱型基础。箱底25m40m，箱底埋深7.5m。本工程场地地形较为平坦，地下水位较浅，约-1.5m。上部结构设计荷载约为260000kN，根据地区规范要求，本场地允许变形量不应大于100mm。
二、工程目的
该工程要解决的主要工程问题是地基承载力和变形不满足要求，而需要进行的地基
处理。
三、工程地基条件
根据钻探揭露，场地土质从上至下分为9层（含亚层），土层的物理力学指标见表1
表1. 土层分布及其主要物理力学性质指标
序号
土名
层厚
(m)
ω
(%)
γ
(kN/m3)
e
ａ1-2
(MPa-1)
ES1-2
(MPa)
k(10-6cm/s)
qs
(kPa)
qp
(kPa)
三轴有效强度指标
十字板强度(kPa)
地基承载力(kPa)
竖向
水平
C’(kPa)
φ（0）
1
填土
1.0

17

2a
粉质粘土
1.5
31.0
18.7
0.857
0.38
7.7
0.78
1.7
30

0
35
41
60
2b
淤泥质粉质粘土
2.0
35.5
17.8
1.187

0.98
3.0
1.02
1.1
12

10
25
30
40
3a
砂质粉土
6.2
33.5
18.4
0.9
0.32
7.3
61.5
145
35
1300
0
36
43
100
3b
砂质
粉砂
8.5
29.4
18.8
0.871
0.13
18.9
80
160
40
1600
0
35

120
4
粘土
4.6
38.0
19.7
0.780
0.22
10
0.08
0.1
42
1800
12
19
47
180
5
粗砂含粘土
6.2
24.2
19.8
0.700
0.20
15.6
100
210
50
2200
0
36

220
6
粘土
28.0
34.2
19.4
0.746
0.21
12.5
0.12
1.6
45
1900
16
35

200
7
粉砂
未穿
22.4
20.0
0.664
0.27
8.7

-

四、 地基处理方案选择
25层建筑物地基压力为250kPa，而作为基础持力层的的第3a层的砂质粉土，其天然地基土容许承载力仅为100 kPa，且要求场地的变形量不大于100mm。因此，必须对地基土进行处理。若采用桩基，需达到的土层必须持力层承载力较高的土层上，桩长则达到20多米，费用较昂贵。而需加固的土层范围内广泛存在砂质粉土和砂质粉砂，基地的平均压力达到350 kPa，持力层的承载力需要提高3倍多，采用砂石桩显然不能满足承载力要求，因此可以考虑选择采用CFG桩复合地基，强夯法，灌浆法方案进行地基处理。采用强夯法虽然也可以满足承载力和沉降的要求，且经济效果好，但是施工振动噪音大，对邻近建筑物的影响比较大，且强夯法适用于大面积处理地基。经过反复的比较，认为CFG桩可以有效的处理砂性土，工艺简单，无污染，施工振动影响较小，材料来源丰富。
五、CFG桩地基处理方案设计
1.基础有关参数计算及基础持力层验算
(1)基础底面的平均压力：

(2)基础底面处土的自重压力：

=75.85 kPa
(3)基底附加压力为：

(4)持力层承载力验算：

式中：为基础埋深范围内的土的加权平均容重。
因此需要进行地基处理。
2.确定复合地基承载力特征值：

特别说明：经处理后的地基，当考虑基础宽度和深度对地基承载力标准值进行修正时，一般宽度不作修正，即地基宽度承载力修正系数取零，基础埋深地基承载力系数取1.0 。

3. 单桩承载力的确定：
采用CFG桩进行地基处理，选择桩径400mm，桩长取12m
（1）根据桩身强度确定，设桩身抗压强度
可得： kN
（2）根据桩侧摩阻力确定：
式中：K为安全系数，K的取值一般为1.50~1.75。可参考《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）。
综上所述，取单桩承载力
4.确定置换率m
由CFG桩复合地基承载力计算公式：
为桩间土强度发挥系数一般工程，对重要工程或变形要求较高的建筑物。
代入数据：,，0.8，360kN,
解得：m=0.069，取m=0.07
5.桩间距的确定：采用正方形布庄，
，取s=1.3m
6.桩数的确定：
7.桩平面布置图见附图
8.软弱下卧层强度验算
软弱下卧层强度的验算可按式 进行，即要求作用在软弱下卧层顶面处的附加压力与复合地基自重压力之和不大于软弱下卧层的地基承载力：
该建筑物长为40m, 宽为25m，基底平均压力为350kPa，基底处土的自重压力为，复合地基压力扩散角取，则软弱下卧层顶面处的附加压力
计算为：

=155.2kPa
CFG桩复合地基的平均重度按经验取值，这里取，则软弱下卧层顶面处的自重压力按下式计算：

式中d为基础埋深，d=7.5m。
软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力设计值为

=353.9 kPa
式中：为地基承载力深度修正系数，=1.0；为桩端以上土的加权平均重度。

满足要求。
9.沉降验算
建筑物总沉降量s主要有CFG桩复合土层的变形量和桩端下卧层的变形量组成以及褥垫层的变形量。由于数量很小可以忽略不计，则有s=+。
按照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002计算，假定加固区复合土体与天然地基分为相同的若干层均质地基，不同的压缩模量都应扩大倍。然后按分层总和法计算加固区和下卧层变形求和：

式中：为加固区的分层数；为总的分层数；为荷载在第i层产生的平均附加应力，kPa；为第i层土的压缩模量，MPa；为第i层土的分层厚度，m；为模量提高系数，，其中，是基础底面下天然地基承载力特征值，kPa；为沉降计算修正系数，见下表：
.
表2 沉降计算经验修正系数

注：为沉降计算深度范围内压缩模量的当量值，应按下式计算

式中：为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；为基础底面下第i层土的压缩模量值，MPa，桩长范围内的复合土层按复合土的压缩模量取值。
复合地基变形计算深度应大于复合土层的厚度，并应复合下式的要求：

10.确定沉降计算参数并列表计算
（1）计算深度的确定：
（2）模量提高系数的确定：
（3）列表进行沉降计算：

表3. 沉降计算表

3.2
1.6
0.256
0.9974
3.1917
3.19168
7.30
20.44
42.81

11.7
1.6
0.936
0.9387
10.9828
7.79111
18.9
52.92
40.36

12.0
1.6
0.960
0.9359
11.2308
0.24801
10.0
28.00
2.43

16.3
1.6
1.304
0.8817
14.3717
3.14091
10.0
10.00
86.11

22.5
1.6
1.800
0.7976
17.9460
3.57429
15.6
15.60
6281

30.0
1.6
2.400
0.7028
21.0840
3.13800
12.5
12.50
68.82

31.0
1.6
2.480
0.6914
21.4334
0.34940
12.5
12.50
7.66
311.00

（4）最终沉降量的计算：
沉降计算经验修正系数的确定：

= 18.9 MPa
按沉降计算修正系数查表的=0.24427
，沉降计算深度符合要求。

=
满足变形要求值。
六、施工设计
CFG桩即水泥粉煤灰碎石桩，是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和制成的一种具有一定粘结强度的桩。其施工工艺与普通沉管碎石桩基本相同。
1、工程材料
粉煤灰粉煤灰是燃煤发电厂排出的一种工业废料。它是磨至一定细度的粉煤灰在煤粉炉中燃烧（1100～1500。C）后，由收尖器惧的细灰（简称干灰）。其主要化学成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等，其中粉煤灰的活性决定于各种粒度Al2O3和SiO2、的含量，CaO对粉煤灰的活性也极为有利。粉煤灰的粒度组成是影响粉煤灰质量的主要指标，一般粉煤灰越细，球形颗粒越多，因而水化及接触界面增加，容易发挥粉煤灰的活性。
碎石为不溶于地下水或不受侵蚀影响的硬骨料，一般采用砾石、碎石等，其粒径径为20～50mm，密度为2.7，松散密度为1.39，含水率0.96%，含泥量不得大于5％。
石屑掺入一定数量的石屑是填充碎石的孔隙，使其级配良好。石屑宜选用与同一种碎石原料进行加工，掺入的数量应由试验确定，不能随意添加。其各项参数如下：粒径2.5～10 mm，密度2.7，松散密度1.47，含水率1.05%，含泥量不得大于5％。水泥一般采用425号普通硅酸盐水泥，质量优良，新鲜无结块。

2、机具设备
主要机具振动打桩机是振动沉管法施工的主要机具。目前国产型号有DZ60KS/DZ30/DZ20/DZ60／DZ120等，对于地质情况较复杂的地基，功率大的打桩机比功率小的效果好，在一般的砂粘性土地基DZ90能满足孔径小于80cmCFG桩的施工。
吊机的起吊能力应不小于10t，可用起落架代替吊机。电气控制设备是施工机械的心脏，控制电流操作台要有250A以上容量的电流表3块，500V电压表3块。加料可用架子车或小翻斗车完成，按一次不超过0.5立方计算需要运输工具的数量。
3.施工准备施工前，应作好以下准备工作
（1）认真核对施工现场地质情况，防止施工时沉管振动破坏；
（2）按设计要地求布置桩位，绘出布桩平面图，标出打桩顺序和注明桩位编号，具体施工注意事项应详加说明；
（3）对现场及邻近的地下管线、地上建筑物等应事前进行清理；
（4）搞好现场测量工作，水准控制点及平面控制点应按测规要求引至现场，以控制桩的调程及位置；
（5）完成施工现场“三通一平”工作，保证沉管机械进场。
4.施工方法
1）沉管：
⑴桩机就位须水平、稳固、调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1%；
⑵若采用预制钢筋混凝土桩尖，需埋入地表以下300mm左右；
⑶启动电动机，开始沉管过程中注意调整桩机的稳定，严禁倾斜和错位；
⑷沉管过程中须作好记录。激振电流每沉1m记录一次，对土层变化处应特别说明，直到沉管至设计标高。
2）投料：
⑴在沉管过程中可用料斗进行空中投料。待沉管至设计标高后须尽快投料，直到管内混合料面与钢管料口平齐；
⑵如上料量不多，须在拔管过程中进行孔中投料，以保证成桩桩顶标高满足设计要求；
⑶混合料配比应严格按设计文件规定执行，碎石和石屑含杂质不大于5%；
⑷按设计配比配制混合料，投入搅拌机加水拌和，加水量由混合料坍落度控制，一般坍落度为30～50mm，成桩后桩顶浮浆厚度一般不不超过200mm；
⑸混合料的搅拌须均匀，搅拌时间不得小于1min。
3）拔管
⑴当混合料加至钢管投料口平齐后开动电动机，沉管原地留振10s，然后边振动边拔管；
⑵拔管速度按均匀线速控制，一般控制在1.2～1.5m/min左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速率可适当放慢；
⑶当桩管拔出地面，确认桩符合设计要求后用粒状材料或湿粘土封顶，然后移机继续下一根桩施工
施工顺序连续施打可能造成的缺陷是桩径被挤扁或缩颈，但很少发生桩完全断开；跳打一般很少发生已打桩桩径被挤小或缩颈现象，但土质较硬时，在已打桩中间补打新桩时，已打桩可能被振断或振裂。在软土中，桩距较大可采用隔桩跳打；在饱和的松散粉土中施打，如桩距较小，不宜采用隔桩跳打的方案；满堂布桩，无论桩距大小，均不宜从四周向内推进施工。施打新桩时与已打桩间隔时间不应小于7天。混合料坍落度为避免桩顶浮浆过多，混合料坍落度一般为3～5cm.。
保护桩长，基础施工时将其剔掉。保护桩长越长，桩的施工质量越容易控制，但浪费的料也就越多。设计桩顶标高离地表距离不大于1.5m时，保护桩长可取50～70cm，上部用粒状材料封顶直到地表。
桩头处理CFG桩施工完毕待桩体达到一定强度（一般为7天左右），方可进行基槽开挖。在基槽开挖中，如果设计桩顶标高距地面不深（一般不大于1.5m），宜考虑采用人工开挖，不仅可防止对桩体和桩间土产生不良影响，而且经济可行；如果基槽开挖较较深，开挖面积大，采用人工开挖不经济，可考虑采用机械和人工联合开挖，但人工开挖留置厚度一般不宜小于700mm。
褥垫铺设为了调整CFG桩和桩间土的共同作用，宜在基础下铺设一定厚度的褥垫层，其铺垫厚度应严格按设计规定办理。其材料多为粗砂、中砂或级配砂石，限制最大粒么不超过3cm.施工时先虚铺，再采用静力压实，当桩间土含水量不大时也可夯实。桩间土含水量较高，特别是高灵敏度土，要注意施工扰动对桩间土的影响，以避免产生橡皮土。
5.施工质量控制
施工监测：
⑴打桩过程中随时测量地面是否发生隆起，因为断桩常常和地表隆起相联系；
⑵打新桩时对已打但尚未结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以估算桩径的缩小量；
⑶打新桩时对已打并结硬桩的桩顶进行桩顶位移测量，以判断是否断桩。一般当桩顶位移超过10mm，需开挖进行查验。
质量检验：
(1)CFG桩施工结束后，应间隔一定时间方可 进行质量检验。一般养护龄期可取28天。(2)桩间土检验桩间土质量检验可用标准贯入、静力触探和钻孔取样等试验对桩间土
行处理前后的对比试验。对砂性土地基可采用标准贯入或动力触探等方法检测挤密程度。
(3)单桩和复合地基检验可采用单桩载荷试验、单桩或多桩复合地基载荷试验进行处理效果检验。检验点数量可按处理面积大小取2～4点。
七、考虑消除地基液化的方案比选
若考虑液化的影响，主要是第3层砂性土的影响，为解决该砂土层较厚的液化问题，可以采用的地基处理方案可以有强夯法，振冲法，挤密桩法和灌浆法。在该工程中，考虑到地基承载力和对变形有严格要求的限制，振冲法和挤密桩法不可用。而CFG桩，强夯法，灌浆法均可满足地基承载力和变形的要求，且可以有效的处理液化土层，CFG桩可以使天然地基的承载力提高3～4倍或更高，施工较简单，对环境的影响小，无场地污染，施工振动的影响较小，有较强的适用性。强夯法适于大面积处理地基，经济效果好，但是施工时振动噪音大，对邻近建筑物有较大的影响。综上所述，在进行考虑液化影响地基处理时，宜优先选用CFG桩，再考虑灌浆法和强夯法。

参考文献
《建筑地基处理技术规程》JGJ79-2002
《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
《复合地基理论及工程应用》，龚晓南主编，中国建筑工业出版社，2002年
《新编建筑地基处理工程手册》，徐至钧等主编，中国建材工业出版社，2005年