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岩土研究院

工程实例-灰土桩处理既有建筑物地基湿陷事故

278 2022-01-19 08:59:42

一、工程概况

(一)某厂房湿陷情况

该厂房建于60年代初,为单层多跨结构,独立基础,跨度8.Om,基础中心距6.0m,基础尺寸分别为2.9m×3.3m 和4.5m×5.0m,基础荷载为120kPa。由天窗、天车轨道和墙面裂缝的分布密度和宽度等判断为中等破坏。引起湿陷的主要原因是地表水人浸地基。

其来源有三∶

(1)屋顶排水系统年久失修,雨水汇集后倾泻于地基;

(2)纵贯厂房的地沟严重漏水;

(3)生产用水长期浸泡地基。

(二)工程地质条件

根据对数十个含水量调查孔和三个探井资料的分析,工程地质条件可概括为∶

1.含水量差异大。在不同钻孔和同一钻孔的不同深度,地基土含水量差异较大,最小6.2%,最大35%,浸水严重部位于地坪下9.0m处,天然含水量仍大于液限(25%)。这正是产生不均匀下沉,导致厂房破坏的直接原因。

2.自重湿陷性土层厚度较大。该区黄土层厚度大于20.0m,自重湿陷深度约10.0m,自重湿陷量30cm,总湿陷量38cm,湿陷等级为Ⅱ级。

3.压缩性高。该区一般压缩系数0.45MIPa-1,最大达0.84MPa-1。这反映了该区黄河河床沉积与山前洪积物、坡积物交相作用,地质情况复杂。

4.湿陷性变化大。(i)含水量较高,接近液限,无湿陷性。这种情况可能是原地基有湿陷性,经过长期浸水,湿陷基本完成,从而转化成承载力不足的软弱地基;(2)含水量较低(13%~18%).无湿陷性∶(3)含水量较高(20%一25%).有湿陷性。

(三)加固设计

本加固工程是在对石灰桩、灰土桩、旋喷法和硅化法等多种方案,进行加固效果和经济对比综合分析后,确定采用挤密灰土桩加固方案。灰土桩的平面布置,系于独立基础四周布一排桩,桩间距D.7m(2.3d)、桩径在十垫层以上(约3.0m)为0.25m,以下(约7.0m)为0.30m,桩长(处理厚度)10.0m。灰、土体积比为2∶8.本工程共加固 43 个独立基础,加固基础面积524m²,布灰土桩842根。

二、加固机理

(一)灰土桩的分段应力

用于既有建筑物湿陷性事故处理的灰土桩,与新建工程复合地基的灰土桩,在成桩方法、布桩间距、作用原理等方面都有所区别,因而桩身分段受力情况也不尽相同。图 4.6-14为用于既有建筑物湿陷事故处理的灰土桩桩身分段应力图。根据地基附加应力、地质条件和桩身作用等,把桩身分为四段,各段应力情况简述如下∶

AB 段∶该段在基础以上,桩周为填筑土,桩身只有自重应力无附加应力。此段对灰土桩的要求是密度与填筑土密度(pa为1.4t/m²)相同,即恢复土体的原状态。

BC段;该段长度为基础底面下土垫层厚度,一般认为土垫层的质量符合要求(A,≥0.93),因此与AB 段相似,要求灰土桩的夯实系数不小于土垫层的压实系数。这样桩身附加应力与土垫层的地基附加应力相同。

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CD段∶该段桩身应力可分两种情况∶

(1)当地基不再发生新的湿陷或压缩变形时,桩身附加应力为应力重分布后地基的附加应力;(2)当地基有新的应变(压缩或湿陷)产生时,并随着变形的增大,桩身应力迅速增加,直至达到地基应力的10倍~15倍。CD 段一般不超过3.0m

DE 段∶该段已不再有分担荷载的作用,桩身应力即为地基的附加应力。

实际上,所谓的真正含义的灰土桩是指 CE段(实际成桩时两段并无分界面),至于 AC 段,桩孔回填的密度、夯实系数,只要与填筑土、土垫层保持一致即可达到要求,而不必与CE 段一般标准。因此,本加固工程设计要求 AC段桩径0.25m,C段桩径0.30m。

((二)灰土桩的单位冲击功能

应用冲击法成桩,其作法原理是借助冲击锤在一定高度(4.0m为宜)的重力势能,自由下落挤密夯扩灰土填料,在直径为16~20cm 的桩孔内,做成直径 25~30cm的灰土桩。经过多次试验和工程实践。得出两种常用桩径的单位冲击功能,并将其与所要求的施工标准列于表4.6-8。

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由表 4.6-8 可知,冲击法成桩的单位冲击能要比标准击实试验的单位击实动能(0.61MJ/m³)大得多、这是由冲击法成桩工艺本身所决定的。所需能量包括四个方面;(1)将松散的灰土填料(密度约为0.8t/m²³,层厚约 900mm。标击层厚 40mm,土层薄,能量利用率高}冲击挤密至大密实度的桩体(最大1.9t/m²,接近极限密度);(2)依靠挤密夯实填料、托小口径(0.16m~0.20m)的桩孔夯扩成大直径(0.25m~0.30m)的桩体;(3)冲击锤与桩孔摩擦的能量损失;(4)大落距的能量损失。

应用冲击法成桩时,引入单位冲击功能的概念具有重要意义∶(1)便于与标准击实试验、强夯等进行能量对比;(2)便于评定成桩标准;(3)便于把握施工质量。根据表4.6-8所给的单位冲云能,成一长 10.0m、桩径为0.30m 和0.25m. 的灰土桩,所需的总冲击能分别为15.18MJ和7.72MJ。本加固工程 10m 的桩长,土垫层以上3.0m,桩径 0.25m,土垫层以下7.0mn,桩径 0.30m,总冲击能为12.94MJ。

影响单位冲击能的主要因素有三∶(1)当天然含水量适中时,冲击夯扩成桩较易;(2)当地基天然密度较小时、桩周土的约束力较小,成桩较易;(3)当落距较大时,能量损失较大,利用效率较低,所需冲击能较大。

(三)灰土桩的挤密效果

冲击法成桩对地基是分两次挤密的;冲击锤先在地基中冲一直径为0.16~0.20m 的孔(一次济密),然后再加进灰土填料,挤密夯扩使灰土桩的桩径达到0.25~0.30ro(二次挤密)。其挤密效果主要与地基密实度、湿陷系数和天然含水量有关。但在施工场地确定后,前二者亦随之确定,只有天然含水量变化较大。本加固工程鲍质条件之一,就是"在不同钻孔和同一钻孔的不同深度,地基土的天然含水量差异较大"。这种含水量差异悬殊的地基,灰土桩挤密效果如何,可分为三种情况∶

(1)当地基含水量适中,亦即在其对应冲击能的最佳含水量附近时,挤密效果最佳。(2)当地基含水量较小,为硬塑以至半于硬状态时.由于土中缺乏必要的自由水。挤密效果较差。这时可采用掏孔注水等方法,改善含水量,使其接近最佳含水量,从而提高挤密效果。

(3)当地基含水量较大,以至大于液限,这时地基就不再是湿陷问题,而转化成饱和黄土的软弱地基问题,挤密作用同时即被置换作用所代替∶成桩工艺也随之变成掏孔—挤密夯扩灰土填料,灰土配合比由 2∶8变为3∶7或更大,灰土填料(也可用砂或碎石)的含水量控制在 10%左右。由于成桩过程中的夯扩挤压,引起超孔隙水压力,使原土位移而强度暂时降低。但随着时间的延续,除了地基土的结构强度自身有一定程度的恢复外,灰土桩在凝硬·过程中,要吸收周围土体的水分,周围土体的孔隙水压力要向桩体转移而消散.结具有效应力增大,强度提高。因此,成桩并不降低桩间土的强度。灰土桩就是依靠其置换作用来加固软弱地基的。这有两方面的含义;一是地基土物质组成的置换,对群桩她基,当按本工程的设计.以等边三角形布桩(间距0.7m)时,桩的面积占整个地基面积的17%,桩土面积比为1∶5;二是地基应力的置换,当桩体成至相对硬层时,桩的变形模量大,压缩性低,地基的附加应力便逐渐集中到桩上,地基土中的应力相应降低,桩在土中犹如钢筋在混凝土中的作用一样,亦即灰土桩依靠应力集中作用来提高地基承载力;当桩体未成至相对硬层而仍在软弱地基土中时,桩土复合她基主要起垫层作用,把她基附加应力向周围横向扩散。

(四)灰土桩的作用

1,提高地基承载力。(1)由于成孔和成桩的两次挤密,消除了湿陷性,提高了地基密度.从而提高了地基承载力;(2)灰土桩的无侧限抗压强度在 500-1000kPa之间,其在地基中的承载力一般在 600kPa 以上,而与之对应的桩间土的承载力仅为50~100kPz,应力分担比在极限承载力时为10~15。灰土桩通过与周围土体的摩擦力来分担荷载,降低地基下一定范围(2.0~4.0m)土的应力,提高地基承载力。

2.减少地基下未加固土的变形量。

(1)设置在基础四周的灰土桩.与其加固土体共问起帷幕作用,约束基础下未加固土受水湿陷时产生的侧向挤出变形,使压力与沉降呈直线关系,从而减少了地基的沉降量;

(2)由于灰土桩的分担荷载作用,减少了部分地基土的应力,使其小于湿陷起始压力,这部分土受水便不再湿陷,从而减少了湿陷量。

3.起相对隔水墙作用。土的渗透用渗透系数k衡量,黄土的水平渗透系数 k,在 10-6 左右,与之对应的孔隙比在1.0左右。经挤密加固后,孔隙比大大降低(桩体孔隙比在 0.60 左右),从而降低土的渗透性,使其 k;接近 10-'cm/s,有效地阻止基础以外表水下渗入浸地基。

4.改善地基土的含水量。标准击实能时灰土填料最佳含水量一般在 16%~20%之间,即在塑限附近;但冲击法大击实能下,灰土填料的最佳含水量要小些,在 10%左右。灰土桩在凝硬过程中,要与桩间土进行离子交换和含水量平衡,吸收水份,从而降低了地基土的含水量。

三、效果检测

(一)单桩挤密影响范围

分别应用土工试验和静力触探评定加固效果,两者互相对比互相印证得出结论。单桩挤密的土工试验结果见表4.6-9,干密度和挤密系数沿柱径方向变化曲线见图4.6-15,单桩提高地基承载力静力触探结果见表4.6-10,承载力提高沿径向变化曲线见图4.6-16。

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另一方面。注意到试验场地的天然含水量(在10%左右)和干密度(小于1.3t/m³)均较小,如果采用掏孔漫水法使地基含水量接近最佳含水量(16%~20%),或地基干密度大于1.35t/m²,则挤密的效果还会更佳。图4.6-15中灰土桩的压实系数(1.13大于1,说明了冲击法成桩的一个特点一—桩体处于准极限压密状态。图 4.6-16 曲线Ⅰ是取地基的平均承载力为 200kPa而绘出的;曲线Ⅱ为按承载力提高百分数绘出,两种曲线所得结论基本相同。

由冲击法所成灰土桩经开挖可见,桩身均匀、垂直、圆顺、无缩颈、空洞等大的缺陷。桩身平均直径0.32m。桩身截面为灰土颗粒以桩中为中心排列有序的同心圆。说明应用冲击法成桩的机械、工艺等是可行的。

(二)群桩复合地基的承载力

群桩的挤密效果。图4.6-17为群桩加固地基平固图,灰土桩按等边三角形布置,桩间距0.70m,各触探点位置示于图上。群桩提高地基承载力的百分数列于表4.6-11。

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表4.6-11中的承载力为地坪下1.0~5.0m(共4.0m)承载力的平均值,承载力提高的百分数亦为平均值。由表4.6-11可知,内线中点承载力提高幅度最大,抗变形能力最强,挤密效果最佳,边线中点次之,三角形重心点(距桩中0.40m)最差,但其承载力提高幅度(74. 1%)亦大于单桩4-4点(距桩中0.30m)的幅度(63%)。这与其他成桩方法所得结论是一致的。实际上表4.6-11、图4.6-17中的1-1、2-2、3-3各点,均比其附近各点的挤密效果差,或者说其附近各点的挤密效果,要比该点好,这说明表 4.6-11的数据是偏小的。显而易见,群桩的挤密效果远优于单桩。

(三)群桩复合地基的承载力

1.桩间土的容许承载力。表4.6-11 所列三个薄弱点的承载力平均值为370kPa,则整个桩间土的承载力平均值必大于370kPa;又桩间土的平均变形模量大于 22.2MPa(三个薄弱点的平均值),比原地基(10MPa)提高一倍多,地基的湿陷性全部消除,因此可以偏于安全地取桩间土的容许承载力为 200kPa。

2.灰土桩的容许承载力。为确定灰土桩的容许承载力,本次对 5号、6号桩做了载荷试验,最大荷载 800kPa,其 p-s

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曲线见图4.6-18。由图可知、比例界限约为 400kPa,若用相对变形 1%计算,容许承载力 5 号桩为 450kPa,6号桩为620kPa,平均 535kPa。因此可取 500kPa为灰土桩的容许承载力。

3.群桩复合地基的容许承载力。由灰土桩和桩间土的容许承载力可知,桩土应力比为2.5。由复合地基载荷试验资料可知,一般桩土应力比在1.7~3.0之间。当本场地采用应力比为2.5时,其桩土变形基本是相容的。根据灰土桩的容许承载力为 500kPa,桩间土容许承载力为200kPa,桩土面积比为1∶5计算可得,灰土桩复合地基的容许承载力为260kPa。

4。单排桩加固体的容许承载力。本次地基加固工程系在基础四周布一排桩,桩在有效挤密区内承载力平均提高幅度大于50%,桩间土承载力平均值大于300kPa,容许承载力偏于安全地取 150kPa,由于系单排桩,桩间土对灰土桩的约束较群桩差。灰土桩容许承载力可取 400kPa。这样单排桩加固体的容许承载力为 200kPa。

四、加固效果

(一)根据上述理论分析和试验研究表明,应用冲击法成桩的机械,工艺是可行的,所成灰土桩达到或超过设计要求。

(二)应用冲击法及其所要求的施工标准,成桩直径分别为0.25m和0.30m 的灰土桩,所需的单位冲击能分别为15.72MJ/m²和21.47MJ/m²。

(三)应用挤密灰土桩处理自重湿陷性黄土地基,可以全部消除湿陷性,提高地基土的变形模量,降低压缩性,从面提高地基的抗变形能力和承载力。应按等边三角形布桩,桩间距为2.3d 时,桩间土和桩的容许承载力分别为 200kPa和 500kPa,挤密灰土桩复合地基的容许承载力为 260kPa。当在基础四周或两边按单排布桩加固既有建筑物地基时,加固体的容许承载力为200kPa。

(四)灰土桩用于加固既有建筑物地基时,其作用是多方面的,除具有消除湿陷性、提高承载力和约束地基挤出变形外,尚起抗水防渗和改善地基土含水量的作用。

(五)挤密灰土桩处理湿陷性黄土地基,属于"地表作业,深层加密"的"以土治土"的原位地基处理方法,不破坏并利用地基土原有的结构强度 ,形成新的承载力和水稳性更好的地基;土方量少,节约"三材",在地基处理尤其是在湿陷性黄土地区的地基处理中.具有良好的经济效益和广阔的发展前景。