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1、 第九届全国桩基工程学术会议 投稿（6月13日修改） 静压预制桩复合地基在湿陷性黄土地区的运用 温江红1 邵平2 赖忠毅3 王效龙4 （1–4 山西省建筑设计研究院 太原 030013） 详细通讯地址: 山西省太原市府东街9号 山西省建筑设计研究院 温江红 邮 编: 030013 联系电话: 温江红13835153471 0351-3285424; 邵平 0351-3285442 E-mail: wjfwy@ 静压预制桩复合地基在湿陷性黄土地区
2、的运用 温江红1 邵平2 赖忠毅3 王效龙4 （1–4 山西省建筑设计研究院 太原 030013） 摘要：本文结合工程实例，阐述了在湿陷性黄土地区，在高层建筑上采用静压预制桩形成复合地基，供同类工程借鉴。 关键词：静压预制桩、湿陷性黄土、复合地基 5 1、 概述 在我国的陇东、陇西、陕西、晋西、豫西的黄土塬、梁、峁及河谷的高阶地上分布着厚度较大的黄土地层，一般具有自重湿陷性，湿陷等级Ⅱ~Ⅳ级。随着这些地区城市建设的迅速发展，高层建筑愈来愈多，采用常规的垫层法、灰（素）土挤密桩法或类似的工法已不能满足设计承载力要求，强夯法受环境影响无法实施，预浸水法受施工条
3、件和经济的限制也不适用，目前急需找到适合这类场地的地基处理方法。 若采用单一的桩基方案，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）的规定：“除不计自重湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下正侧阻力外、尚应扣除桩侧的负摩阻力”。桩会很长。 2、工程概况 2.1拟建建筑物之概况 本工程为太原铁路局建南小区北楼，为高层住宅楼。总建筑面积42030.91m2，分A、B两段，A段地下两层，地上二十九层，总高度83.150m；B段地下一层，地上二十八层，总高度78.85m，平面尺寸84.58×20.50m。结构型式采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，基础型式采用带肋梁片筏基础。 2.2场地地
4、形,地貌及工程地质概况 场地位于太原市建设南路东侧，太铁四中院内，属城市建成区。地貌上属太原东山山前洪积平原的后缘，或东山黄土塬的前缘，地势上场区范围内呈台阶状，东部平均标高822.9m，西部平均标高818.6m，高差约4.0m。流经太原市南北走向的汾河床标高约785.0m，即场地高出河床约35.0m。 据岩土工程勘察报告，地基土80m范围内可分为四大层，第一大层为杂填土，第二大层为马兰黄土，第三大层为马兰期之前的丁村组，第四大层为离石组黄土。 第一大层杂填土，杂色、含有灰渣、煤屑、碎砖及石子等，结构松散、钻孔揭露最大厚度6.2m，层底标高822.30~812.50m，平均标高816.7
5、0m。 第二大层为马兰黄土，可分为两个亚层： 第②1层湿陷性马兰黄土：褐－褐黄色，稍湿，以粉土为主局部夹有砂砾石层，含云母、大量钙质菌丝，有虫孔、植物根，含少量姜石，具大孔隙，具中等压缩性，局部为高压缩性，标贯击数为2.7—9.2击。平均为5.8击。层底标高为809.8—805.9m。平均标高为807.6m。 第②2层湿陷性马兰黄土：褐黄－棕黄色，稍湿－湿，以粉土为主夹有粉粘薄层。局部含砂、小石子，含钙质菌丝，具大孔隙，具中等压缩性，标贯击数为5.2—11.0击。平均为8.1击。层底标高为806.6—803.2m。平均标高为804.6m。 第三大层分为两个亚层： 第③层细粒混合土
6、褐黄－褐，湿，以粉土为主夹有砾石、中粗砂、细砂、粉砂层，夹层厚薄不均匀，分布不均匀，局部为透镜体，层序较乱，标贯击数为10.5—35.0击。平均为21.6击。层底标高为792.1—784.0m。平均标高为788.1m。 第④层粉土：褐黄，湿，中密，具中等压缩性，局部为粉砂，标贯击数为11.9—31.5击。平均为19.5击。层底标高为787.8—780.5m。平均标高为784.1m。 第四大层为离石组黄土，为粉土与粉质粘土的互层，颜色上为褐黄色与棕黄色交替出现，总厚度大于45m,承载力特征值为220-240kpa。 地下水埋深大于50m。 勘探点平面位置见附图1，地质剖面见附图2
7、典型探井土工试验资料见附表1。 附图 1 勘探点平面位置图 附图 2 工程地质剖面图 湿陷性评价及湿陷深度的确定，勘察中共布置探井3个，1#探井因开挖中遇到较多的砂卵石层而作罢，2#探井由于附近有锅炉房多年漏水而含水量偏大，湿陷性偏低，6#探井开挖至20m,指标见附表1，与附近已有资料基本一致。对6#探井及2#探井土样采用单线法进行了试验，依据试验资料，100kpa压力下的湿陷深度为14m,200kpa为15m,300kpa为14m,450kpa为14m,600kpa为14m,自重湿陷量为306mm，450kpa下的湿陷量为466mm，600kpa下的湿陷
8、量为496mm，地基的湿陷等级为Ⅱ级。 3、地基基础方案的确立 3.1地基方案的确定 本场地为自重湿陷性黄土场地，地基湿陷性等级为Ⅱ（中等）级，而拟建建筑物按《湿陷性黄土地区建筑规范》为甲类建筑，按规范甲类建筑应消除全部湿陷量或穿透全部湿陷性土层。 土工试验综合成果表 附表1 室内土样编号 孔号 取土深度 M 岩土综合定名 湿陷起始压力 饱和自重压力 自重湿陷系数 100Kpa湿陷系数 200Kpa湿陷系数 300Kpa湿陷系数 450Kpa湿陷系数 600Kpa湿陷系数 KPa
9、KPa ZS δS δS δS δS δS (GB/TS0123- 1999) 21 T6 1.5 杂填土 22 2.85 14.0 50.2 0.051 0.056 0.064 0.046 0.057 0.034 粉土 23 3.85 37.0 67.8 0.023 0.049 0.037 0.034 0.029 0.024 粉土 24 T6 4.85 21.0 85.4 0.058 0.054 0.069 0.078 0.068 0.058 粉土 25
10、5.85 20.0 102.9 0.077 0.060 0.079 0.077 0.077 0.065 粉土 26 6.85 102.0 120.6 0.061 ﹤0.015 0.035 0.040 0.033 0.041 粉土 27 7.85 75.0 138.5 0.049 0.018 0.074 0.079 0.068 0.069 粉土 28 8.85 31.0 156.3 0.056 0.033 0.045 0.049 0.046 0.042 粉土 29 9.85 28.0 17
11、4.2 0.048 0.036 0.036 0.039 0.036 0.027 粉土 30 10.85 100.0 192.1 0.025 0.015 0.031 0.029 0.020 ﹤0.015 粉土 31 11.85 69.0 210.6 0.052 0.019 0.045 0.052 0.035 0.038 粉土 32 12.85 46.0 229.7 0.085 0.032 0.064 0.072 0.067 0.056 粉土 33 13.85 50.0 248.7 0.040
12、 0.028 0.033 0.036 0.053 0.046 粉土 34 14.85 156.0 267.6 0.025 ﹤0.015 0.020 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 粉土 35 15.85 286.8 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 粉土 36 16.85 300.0 305.7 0.015 0.022 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 0.019 粉土 37 17.85 324.3 ﹤0.015 ﹤0
13、015 ﹤0.015 ﹤0.015 0.015 ﹤0.015 粉土 38 18.85 345.0 343.1 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 ﹤0.015 0.022 0.021 粉土 39 19.85 150.0 362.0 0.038 ﹤0.015 0.017 0.022 0.026 0.022 粉土 采用灰土挤密桩是黄土地区行之有效的一种方法，本工程基底压力达550kpa，复合地基承载力特征值需达460kpa，无法满足强度要求；其它类似工法也基本如此，并且能否全部消除湿陷性也或多或少地留有一些后遗症。 根据场地
14、条件及建筑物性质，我们认为采用静压预制短桩的方案是可行的。 3.1.1桩间距的确定 湿陷性黄土由于孔隙比大，于密度小，浸水后产生湿陷，故加固土的目的是增大干密度，减小孔隙比。黄土规范也好，地基处理也罢，对挤密法只有原则性的规定，对挤密后的地基是否能彻底消除湿陷性，都未给出明确的结论，试给出如下的推导： 设一根桩承担的加固面积为1, 置换率为m 则有， 则 式中：、 是加固前后土的干密度。 据山西地区多年资料当干密度≥1.6g/cm3 时，土的湿陷性完全消失。 从附表4中可以看出土的干密度在11.0m上下差异较大，在基底(6.0m)以下至15.0m之间，干密度的最小
15、平均值为 1.392 g/cm3；若采用边长400mm的方桩，置换率 最后确定采用桩距1.2m，正三角形布桩，实际采用m=0.128。 3.1.2桩长确定 桩长以进入第③层混合土为宜，有效桩长12m，桩入土深度17.7m，设计和施工中A段有效桩长10.22m，桩顶标高-11.38m，793根桩；B段有效桩长13.69m，桩顶标高-6.41m，534根桩。 3.1.3复合地基承载力特征值 桩间土挤密消除湿陷性后，桩侧摩阻力特征值qs取30kpa，桩端阻力特征值qP取1000kpa，桩长取12m，单桩承载力特征值 。 预制桩采用C30砼，桩体强度控制的承载力两者相比取736KN为单桩承载
16、力特征值。取m=0.128,β=0.75,Ra=736,AP=0.16,fak=150,按公式计算，复合地基承载力特征值大于基底550kpa下卧层验算和变形计算上述方案均满足要求。 3.2成桩可行性分析 由于桩入土深度范围内局部有砾砂层，对静压桩会带来一定困难，经估算采用2000KN压桩能力的桩机可以穿透该夹层，如施工过程中确有困难可采用预钻孔钻透夹层后回填素土后再后桩。 3.3基础方案的确立 本工程基础采用带肋梁片筏基础，筏板厚度1200mm 肋梁1800mm ，基础梁板采用C30抗渗砼 基础, 下设300厚3：7灰土褥垫层。 4.静压桩效果检测 4.1检测目的：
17、 采用单桩复合地基载荷试验确定复合地基承载力特征值，在探井中采一级土样进行室内试验，评价桩间土湿陷性消除情况。 4.2复合地基承载荷试验 本次检测采用单桩复合地基地基载荷试验，采用圆形承载板，直径为1.26m，面积为一根桩承担的处理面积1.25㎡；压板底面高程与设计高程相同，压板下设中砂找平层；共试验6组，测试结果见附表2，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）进行统计，6组试桩复合地基承载力特征值平均为688kpa，极差112kpa,小于平均值的30%，可将平均值688kpa作为场地的复合地基承载力特征值。 附表2 点号 桩号（m） 桩长（m） 最终
18、荷载（kpa） 累计沉降（mm） 残余沉降（mm） 复合地基承载力特征值（kpa） J1# B214 13.69 1514 10.70 1.48 754 J2# B252 13.69 1449 21.21 4.95 725 J3# B434 13.69 1449 23.96 12.41 725 J4# A645 10.22 1283 10.23 5.79 642 J5# A373 10.22 1283 13.60 7.01 642 J6# A62 10.22 1283 9.00 5.57 642
19、 4.3湿陷性检测 静压预制桩桩间土挤密效果、湿陷性消除情况， 均采用探井取样法进行检测。根据检测委托要求，本次在A、B区段各布设检测 点3个，在检验过程中，A区T1#检测点探井开挖时遇到下水管道破裂，导致试坑大量浸水，无法继续开挖 经设计单位同意，放弃了该检测点。B区则由于地基土长期浸水（附近锅炉房管道渗漏所致），在静压预制桩产全部采用粉喷桩进行了处理，3个检测点均未进行桩间土消除湿陷性挤密效果的检验。所以，本次检测仅在A区完成2个探井，掘探深度10.00-13.20m。自桩顶标高开始，间隔1.0m，取1件原状土试样（桩间土在三个桩构成的三角形重心部位取样）。所取
20、试样除进行常规项目试验外，均进行了湿陷性试验，浸水压力至600kpa。本次检测室内土工试验均按《土工试验方法标准》（GB∕T50123-1999）的有关要求进行操作和试验。 室内试验结果见附表3，从表中可以看出，桩间土样湿陷系数在600kpa及以下均小于0.015，即湿陷性已完全消除。土样干密度平均值1.66g∕cm3,标准差 0.08 g∕cm3,最小干密度1.54 g∕cm3,干密度最小平均值为1.60 g∕cm3,达到了设计要求。 成桩后桩间土土工试验综合成果表 附表3 序 号 钻 孔 编 号 土
21、 样 编 号 取 土 深 度 天然状态土的物理性指标 压 缩 系 数 压 缩 模 量 湿陷系数 湿陷系数 湿陷系数 含 水 率 密度 土粒比重 孔 隙 比 饱 和 度 湿 干 av 0.1-0.2 Es 0.1-0.2 δs δs δs W0 ρ0 ρd GS e0 Sr P=200 P=300 P=400 m % g/cm3 % Mpa-1 MPa 1 T2 00-136 1.95 17.9 1.85 1.57 2.71 0.727 67 0.1
22、3 13.28 0.002 0.002 0.002 2 T2 00-137 2.95 15.2 1.99 1.73 2.71 0.569 72 0.12 13.08 0.004 0.004 0.004 3 T2 00-138 3.95 12.8 1.86 1.65 2.71 0.643 54 0.08 20.54 0.006 0.007 0.008 4 T2 00-139 4.95 11.9 1.77 1.58 2.71 0.713 45 0.10 17.13 0.004 0.006 0.007
23、 5 T2 00-140 5.95 22.2 1.88 1.54 2.71 0.762 79 0.21 8.20 6 T2 00-141 6.95 22.4 1.95 1.59 2.71 0.701 87 0.15 11.34 0.002 0.002 0.004 7 T2 00-142 7.95 16.8 2.04 1.75 2.72 0.557 82 0.18 8.65 0.003 0.003 0.002 8 T2 00-143 9.15 12.3 1.73 1.54 2.70 0
24、753 44 0.11 15.94 0.007 0.007 0.008 9 T3 00-144 2.15 16.7 2.01 1.72 2.71 0.573 79 0.13 12.10 0.004 0.003 0.004 10 T3 00-145 3.15 17.5 2.01 1.71 2.71 0.584 81 0.12 13.20 0.003 0.004 0.003 11 T3 00-146 4.15 17.5 2.03 1.73 2.71 0.569 83 0.12 13.08 0.002
25、 0.002 0.001 12 T3 00-147 5.15 23.1 1.95 1.58 2.71 0.711 88 0.25 6.84 0.004 0.003 0.002 13 T3 00-148 6.15 19.5 2.07 1.73 2.71 0.564 94 0.23 6.80 0.003 0.004 0.004 14 T3 00-149 7.15 18.8 2.03 1.71 2.71 0.586 87 0.29 5.47 0.006 0.005 0.003 15 T3 00-150
26、 8.15 21.2 2.07 1.71 2.71 0.587 98 0.13 12.21 0.004 0.005 0.008 16 T3 00-151 10.00 17.5 2.01 1.71 2.70 0.578 82 0.12 13.15 0.003 0.004 0.003 序 号 钻 孔 编 号 土 样 编 号 取 土 深 度 湿陷系数 湿陷系数 湿陷系数 湿陷起始压力 自 重 压 力 自重湿陷系数 液 限 塑 限 塑 性 指 数 液
27、 性 指 数 土 分 类 名 称 δs δs δs P=400 P=500 P=600 Psn Pc δ=S WL Wp Le LL m Kpa-1 KPa % % 分类 标准： CB 50021-2001 1 T2 00-136 1.95 0.002 0.002 0.004 ＞600 198 0.001 27.0 16.3 10.7 0.15 2 T2 00-137 2.95 0.004 0.005 0.003 ＞600 220 0.003 27.2 16.
28、4 10.8 -0.11 粉质粘土 3 T2 00-138 3.95 0.008 0.008 0.003 ＞600 238 0.002 26.2 16.1 10.1 -0.33 粉质粘土 4 T2 00-139 4.95 0.007 0.008 0.005 ＞600 256 0.003 26.4 16.2 10.2 -0.42 粉质粘土 5 T2 00-140 5.95 0.005 ＞600 26.7 16.4 10.3 0.56 粉质粘土 6 T2 00-141 6.95 0.0
29、04 0.004 0.002 ＞600 295 0.001 27.8 16.6 11.2 0.52 粉质粘土 7 T2 00-142 7.95 0.002 0.002 0.003 ＞600 323 0.001 29.6 17.0 12.6 -0.02 粉质粘土 8 T2 00-143 9.15 0.008 0.008 0.011 ＞600 334 0.006 24.3 15.4 8.9 -0.35 粉质粘土 9 T3 00-144 2.15 0.004 0.004 0.002 ＞600 204
30、0.001 26.2 15.9 10.3 0.08 粉土 10 T3 00-145 3.15 0.003 0.004 0.002 ＞600 224 0.001 26.1 16.0 10.1 0.15 粉质粘土 11 T3 00-146 4.15 0.001 0.001 0.002 ＞600 245 0.001 26.5 16.2 10.3 0.13 粉质粘土 12 T3 00-147 5.15 0.002 0.002 0.004 ＞600 260 27.5 16.8 10.7 0.59 粉质粘
31、土 13 T3 00-148 6.15 0.004 0.004 0.002 ＞600 285 28.0 16.7 11.3 0.25 粉质粘土 14 T3 00-149 7.15 0.003 0.003 0.003 ＞600 305 0.001 27.1 16.3 10.8 0.23 粉质粘土 15 T3 00-150 8.15 0.008 0.009 0.002 ＞600 325 0.006 26.6 16.2 10.4 0.48 粉质粘土 16 T3 00-151 10.00 0.003
32、 0.002 0.002 ＞600 362 0.001 22.3 14.7 7.6 0.37 粉土 5.沉降观测 本工程从2005年，10月7日开始观测至2006年8月20日主体封顶后，沉降量最大值为16.76mm，最小值为9.07mm，满足规范要求。沉降量至2006年12月20日沉降量最大值为17.71mm，最小值为9.40mm。沉降观测记录详附表4。 沉 降 观 测 记 录 附表4 编号
33、 点位 时间 1 2 4 11 12 14 5 7 8 9 10 形象进度 003 2005.11.6 0 0 0.1 0.2 0.1 0.1 0 0 0.2 0.2 0.2 施工至三层顶板剪力墙砼 006 2005.11.30 0 0.2 0.2 0.3 0.1 0.1 0.4 0.4 0.5 0.6 0.3 施工至六层顶板剪力墙砼 009 2005.12.25 0.3 0.4 0.3 0.6 0.3 0.1 0.5 0.4 0.7 0.8 0.4 施工至九层顶板剪力墙砼
34、 012 2006.3.15 0.4 0.8 0.5 0.9 0.7 0.3 0.7 0.7 1.0 1.1 0.8 施工至十二层顶板剪力墙砼 015 2006.4.7 0.6 0.9 0.8 1.0 0.9 0.5 0.8 0.9 1.3 1.3 1.0 施工至十五层顶板剪力墙砼 018 2006.5.4 0.7 0.9 1.0 1.2 0.9 0.7 1.0 1.1 1.4 1.4 1.3 施工至十八层顶板剪力墙砼 021 2006.5.27 0.8 0.9 1.0 1.2 1.0 1.0
35、 1.0 1.1 1.4 1.5 1.3 施工至二十一层顶板剪力墙砼 024 2006.6.23 0.8 1.0 1.1 1.2 1.0 1.0 1.1 1.1 1.4 1.5 1.3 施工至二十四层顶板剪力墙砼 028 2006.7.21 0.904 1.028 1.168 1.297 1.166 1.074 1.247 1.015 1.505 1.675 1.426 施工至二十八层顶板剪力墙砼 029 2006.8.20 0.907 1.038 1.179 1.303 1.179 1.079 1.248
36、1.266 1.527 1.676 1.433 每月一次的观测，主体已完成 031 2006.10.20 0.931 1.055 1.201 1.332 1.194 1.085 1.260 1.287 1.559 1.705 1.445 每月一次的观测，主体已完成 033 2006.12.20 0.940 1.063 1.218 1.343 1.216 1.093 1.275 1.297 1.578 1.712 1.461 每月一次的观测，主体已完成 6.小结 静压预制桩在太铁建南住宅小区北楼工程中加以运用，且获得成功。 采
37、用静压预制桩在湿陷性黄土地区，且作为复合地基是一个新课题，采用此项工艺进行地基处理，既可消除湿陷性又可提高承载力，可谓一举两得，再加上静力压桩桩身质量好，施工无噪音、无污染、施工进度快，与其它复合性地基处理方法相比有一定的优势。桩间距，或置换率m的确定比较重要，采用本文之公式，对太原及其周边地区，取1.60g/cm3是可行的，对其余地区可根据地区经验加以调整。据太原某单位最新统计结果，干密度1.55g/cm3是湿陷和非湿陷的分界值。 黄土地区或多或少地是夹有一定的砂卵石层，施工中采用预钻孔（洛阳铲）钻透夹层后再回填素土后压桩是可行的。 本场地天然地面下15-16m系非湿陷性土层，可作为桩端
38、持力层，设计时考虑挤密后侧阻力特征值取30kpa，端阻力取1000kpa，所得的复合地基特征值为687Kpa，静压桩施工完后检测所得复合地基特征值为688kpa，二者如此巧合，也说明我们的取值是正确的。 若非湿陷性土层埋深非常深。比如30.0m，上述之方法是否可行，在此发表一点儿我们的看法，首先本方法不属桩基范畴，而属于复合地基的范畴，应按地基处理规范的水泥粉煤灰碎石桩法及灰土挤密桩法的有关规定执行。 其次本方法由于湿陷性完全消除，相当于整片处理，基础直下方已不考虑地基土受水产生湿陷的这种工况，但应考虑基础外侧受水的工况，故“超出建筑物外墙基础底面外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2 ，并不应小于2m”，若在此宽度内与已有建筑物的位置相重叠，应视为已处理，处理方法可用素土挤密法，本工程在静压桩外边缘打入两排φ400的灰土挤密桩作为静压桩的护桩。 参考文献： [1] 中华人民共和国国家标准 湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）[S]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2004 [2] 中华人民共和国行业标准 建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）[S]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2002 [3] 中华人民共和国行业标准 建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）[S]. 北京： 中国建筑工业出版社, 2008 7
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