張小莉， 伍翔飛， 王迎豐， 曾華健

（江蘇省巖土工程公司，南京 210008）

0 引言

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，面臨的復雜地質條件越來越多，采用傳統(tǒng)單一樁型加固已較難滿足特定地層條件下的地基處理要求。為此，多樁型加固方法的研究與應用應運而生。多樁型加固方法在保留原單一樁型加固特征的基礎上，進一步結合另一種樁型，兩種樁型優(yōu)勢互補，對天然地基具有較好的處理效果，可有效解決傳統(tǒng)單一樁型在處理特殊地層地基時的缺陷與不足，改善原天然地基的承載性狀［1-3］。

目前，增強體地基加固方法包括碎石樁、砂土樁、灰土樁、水泥攪拌樁、CFG樁、預制樁及灌注樁等多種，其中碎石樁與CFG樁分別作為散體材料樁與粘結材料樁中的一種，以其處理效果較好、工程造價較低、環(huán)保等優(yōu)勢而被廣泛應用。尤其在涉及大型物流倉庫、工業(yè)廠房及路基等大面積軟土地基處理中具有較為明顯的優(yōu)勢［4，5］。

當前針對碎石樁、CFG樁等單一樁型工法或碎石樁聯合CFG樁等多樁型工法在地基處理中的研究也有較多。涉及多樁型工程應用［6-8］，碎石樁樁土應力比及置換率對承載性能影響［9］，碎石樁聯合CFG樁的多樁型復合地基承載力、減沉特性等［10，11］。但對于強夯碎石樁聯合CFG樁工法在復雜軟土地層條件下的應用研究較少。因此，以昆明某物流倉儲地基處理工程為例，利用多種方法進行復合地基設計計算，并結合現場實測結果，探究強夯碎石樁聯合CFG樁對復雜軟土地基的處治效果，相關結論可供類似工程參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

昆明市某物流倉庫場地總占地面積118900m2。項目分兩期建設，一期工程包含1#庫房、2#庫房、設備房、維修房、綜合樓及門衛(wèi)，用地面積63697m2；二期工程包含3#庫房、4#庫房及門衛(wèi)，用地面積55203m2。其中場地1#庫區(qū)采用孔內強夯碎石樁聯合CFG樁處理以提高地基承載能力及減小工后沉降。

1.2 地質條件

場地鉆孔揭露深度范圍內土層自上而下：①素填土，層厚1.5～6.8m，多為新近填土；③黏土，層厚0.7～8.9m，具中壓縮性，局部偏高壓縮性；③-2有機質黏土，層厚0.8～2.8m，具高壓縮性，局部中壓縮性；④黏土，層厚0.8～11.8m，以中壓縮性為主，局部夾高壓縮性；④-1泥炭質土，層厚0.6～7.8m，以中壓縮性為主，局部夾高壓縮性；⑤黏土，層厚1.0～8.3m，具中壓縮性，干強度高，場地局部分布。

2 加固機理

孔內強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基處理時，通過碎石樁對地表雜填土、軟黏土等進行處理，解決采用單一CFG樁處理時地基表層軟土承載力不足問題。通過CFG樁打穿下部軟弱夾層進入密實土，以解決單一采用碎石樁處理時地基工后沉降較大問題，使得處理后復合地基承載力及沉降變形均能滿足設計要求。

3 復合地基設計及計算

3.1 復合地基設計

根據場地各庫區(qū)地層條件差異性及設計要求，分別采用不同地基處理方法，以場地1#庫區(qū)為例，該庫區(qū)采用孔內強夯碎石樁聯合CFG樁對地基進行加固，地基處理設計參數及典型剖面如圖1所示。

圖1 孔內強夯碎石樁+CFG樁地基處理典型剖面（單位：mm）

3.2 設計計算工況

為評價強夯碎石樁聯合CFG樁在含軟弱夾層軟土地基處理中的應用效果，在現有地層條件及施工設計參數基礎上設計：①地基不處理；②僅采用強夯碎石樁處理；③僅采用CFG樁處理；④采用強夯碎石樁聯合CFG樁處理4種工況，采用規(guī)范復合模量法及數值群樁典型單元法分別計算4種工況條件下復合地基承載力及沉降變化，作為對設計計算方法及處理效果的評價標準［12，13］。

3.3 典型單元法

為分析碎石樁與CFG樁復合地基加固效果，并與規(guī)范復合模量法進行對比，采用有限差分軟件Flac3d進行數值分析，為簡化分析模型，建立群樁典型單元模型，模型尺寸水平方向考慮為4倍樁間距，深度方向根據地勘資料結果對各土層進行簡化，并考慮樁頂墊層及結構層厚度后取為30.6m，即16×16×30.6m，建立碎石樁聯合CFG樁數值分析模型如圖2所示。

圖2 強夯碎石樁聯合CFG樁數值分析模型

模型中碎石樁直徑1.4m，樁長6m，按4m×4m正方形布置，CFG樁直徑0.4m，樁長22m，在碎石樁間按等間距內插。在單元類型選取上，除CFG樁采用Pile結構單元模擬外，其余均采用實體單元模擬，在本構關系描述上，除結構層、CFG樁采用線彈性模型外，其余均采用M-C模型，計算模型各材料參數見表1。

表1 模型材料參數

模型邊界條件為設置四周及底部法向約束，頂部自由，同時為反映樁土相互作用關系，設置樁土接觸面參數，參數取值依據文獻［14］。模擬順序為先進行地應力平衡得到初始應力狀態(tài)，隨后依施工順序分別激活碎石樁單元、CFG樁單元、墊層單元及結構層單元，最后于模型頂面施加豎向附加荷載，并求解至平衡后提取計算結果。

4 復合地基計算分析

4.1 復合地基承載力分析

依據相關參數采用規(guī)范方法及數值方法計算復合地基承載力，其中數值法模擬條件與載荷試驗一致，即壓板面積1m2，載荷由40kPa按每級20kPa逐級加載至200kPa，加載過程中記錄每級加載收斂后的沉降值，將模擬結果與實測結果對比如圖3所示。

圖3 靜載Q-S曲線對比

從模擬值與試驗檢測值的對比結果來看，兩者在變化趨勢上基本一致，吻合較好，在加載初期，相同荷載作用下，模擬值較試驗值大，當加載超過140kPa后，模擬值較試驗值偏小，但總體誤差均小于10%，表明以所建數值模型分析此復合地基具有較高的可靠性。而從Q-S曲線的變化特征來看，復合地基靜載試驗Q-S曲線整體呈平緩的光滑曲線，未有明顯比例界限及極限荷載。依據規(guī)范，按s/b=0.01，可知復合地基承載力特征值約為140kPa，而采用復合模量法計算結果為132kPa。即載荷試驗、數值模擬及規(guī)范方法計算結果均顯示復合地基承載力大于120kPa，與原天然地基承載力特征值80kPa相比，可提高70%左右，表明強夯碎石樁聯合CFG樁對該類地基具有較好加固效果。

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4.2 復合地基沉降分析

（1） 分層沉降分析。為深入研究強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基沉降變形特征，探究4種不同處理工況對軟土地基的加固效果，采用數值典型單元法開展附加荷載作用下復合地基沉降計算，得到埋深范圍內不同處理工況條件下各土層沉降關系如圖4所示。

圖4 不同工況條件下地基分層沉降隨埋深關系

由圖4可知，埋深范圍內的沉降大致可分為4層，這與模型以4層土體劃分相一致，其中地表填土層及第3層下臥泥炭質軟土層沉降最大。附加應力作用下，天然地基各土層沉降總體表現最大，經碎石樁對表層填土進行處理后，沉降減小，但僅限于碎石樁處理深度（0～6m）范圍內。具體表現為該層總沉降量由23.3mm減小至14.2mm，減小幅度達39%，而處理深度范圍以下土層沉降值與天然地基基本一致，可知強夯碎石樁通過置換擠密作用可對地基軟土層進行有效加固，提高其壓縮模量，減小沉降變形，但受制于處理深度，僅能發(fā)揮對表層填土的沉降控制作用。而當采用CFG樁處理后，其處理深度范圍內各層土沉降量均有所減小，其中以第二層黏土及第三層泥炭質土降幅最大。與天然地基或碎石樁復合地基相比分別達到28.3%及35.8%，處理效果較好。但該CFG樁對于表層填土層則減沉效果不明顯，與天然地基相比，僅減沉2%左右。

當采用強夯碎石樁聯合CFG樁加固后，可知附加荷載作用下表層填土及其下臥層沉降量均有較大降幅，減沉效果非常明顯。表明通過碎石樁對表層填土加固，有效彌補了僅采用CFG樁加固時地基表層填土承載力不足及減沉效果不明顯的弊端，進一步采用CFG樁有效彌補了僅采用碎石樁處理時，下臥軟土層地基沉降過大的缺陷。實現強夯碎石樁與CFG樁在含軟弱夾層軟土地基處理中的優(yōu)勢互補作用。

（2） 總沉降分析。為研究4種工況條件下，強夯碎石樁聯合CFG樁工法的加固效果，分別采用數值典型單元法和規(guī)范復合模量法計算附加荷載作用下復合地基的總沉降規(guī)律對比如圖5所示。

由圖5可知，附加荷載作用下，工況1總沉降量最大。當采用碎石樁加固后，工況2總沉降有所減小，相較于工況1，降幅在10%～15%。當采用CFG樁加固后，沉降降幅有所增加，相較于工況1，降幅在37%左右，相較于工況2降幅為24%～32%。當采用強夯碎石樁聯合CFG樁處理后，沉降降幅進一步增加，相較于工況1，降幅在58%左右，相較于工況2降幅50%～58%，相較于工況3，減小約36%。綜上可知，對于含軟弱夾層軟土地基，采用CFG樁可有效發(fā)揮減沉作用。此外，從圖中還可以看出，采用數值典型單元法計算結果總體較復合模量法偏小，但兩者誤差在10%以下。故在進行復合地基設計時，可采用兩種方法進行設計計算，但相較于數值典型單元法，規(guī)范復合模量法更偏安全。

圖5 不同工況條件下地坪總沉降對比

（3） 差異沉降分析。為研究強夯碎石樁聯合CFG樁工法對地坪差異沉降的處治效果。進一步擴展前述典型單元模型范圍，并考慮庫外天然地基影響，同時考慮對稱性建立1/4復合地基數值模型，設計庫內地坪堆載30kPa，分別計算附加荷載作用下4種處理工況條件下的地坪沉降分布，繪制地坪沉降等值線如圖6所示。

由圖6可知，附加荷載作用下，地坪沉降總體表現為中間大，四周小的擴散型分布，這與附加應力的擴散疊加效應相一致。當地基未經任何加固處理時，最大沉降值位于地坪中部，達130mm左右，其中最大差異沉降約96mm；當僅采用強夯碎石樁加固后，地坪最大沉降減小至120mm左右，最大差異沉降降至80mm左右；當僅采用CFG樁加固后，地坪最大沉降值進一步減小至80mm左右，最大差異沉降減小至20mm左右，而當采用強夯碎石樁聯合CFG樁加固處理后，地坪最大沉降相比僅采用CFG樁加固時進一步減小至約70mm，而最大差異沉降則減小約40mm。

圖6 不同工況條件下地坪結構層沉降分布

依據規(guī)范對框架結構地基變形允許值的規(guī)定，對于高壓縮性土，相鄰柱基沉降差應不超過下式規(guī)定：

式中，l為相鄰計算點的中心距離。

由此可知，對于含軟弱下臥層軟土地基，當地基未處理或僅采用強夯碎石樁處理時，附加荷載作用下總體沉降均較大，且差異沉降亦不能滿足地坪結構層平整度要求。進一步采用CFG疏樁加固后，可有效減小地坪總沉降及差異沉降，使地坪差異變形滿足規(guī)范要求。

4.3 樁土應力比分析

樁土應力比對復合地基能否有效發(fā)揮其承載力具有重要影響，若樁土應力比過大易導致樁身內力過大而破壞，樁土應力比過小則不利于樁身正常發(fā)揮其承載力，且由于樁間土受荷過大而產生較大沉降，故樁土應力比應保持在一個合理范圍內較為適宜［15］。

為探究不同地基處理方法下復合地基樁土應力及樁土應力比隨荷載加載過程中的變化情況，利用Flac3d內置fish語言遍歷提取模型墊層與樁頂交界面處加固樁及樁間土應力，并求取平均值，繪制樁及樁間土應力隨荷載變化關系如圖7所示。

圖7 加固樁及樁間土應力隨荷載變化關系

由圖7可知，加固樁及樁間土均隨附加荷載的增加呈線性遞增關系，相較于碎石樁及樁間土，CFG樁應力隨荷載增加遞增速率最快，原因在于CFG樁體模量較大，其所承擔的外荷載權重也較大，而碎石樁及樁間土最小。CFG樁應力隨荷載變化關系中，工況4較工況3變化速率快，即增加碎石樁后，隨附加荷載的增加，CFG樁將承擔更大的外荷載作用，同時由于碎石樁的置換擠密作用，將分擔一部分應力以減小填土層的受力變形。進一步得出各工況條件下樁土應力比隨荷載變化關系如圖8所示。

圖8 樁土應力比隨荷載變化關系

由圖8可知，CFG樁土應力比隨附加荷載增加而減小，其中工況4（GK4）幅值整體大于工況3（GK3），且兩者均在荷載20kPa之前降幅最大，之后降幅逐漸減小。碎石樁土應力比則隨附加荷載的增加呈先增大后減小的變化趨勢，其中工況4（GK4）樁土應力比在荷載50kPa之前遞增趨勢較工況2（GK2）更明顯，隨后逐漸減小。而工況2（GK2）碎石樁土應力比在荷載40kPa之前遞增趨勢不明顯，但之后呈明顯遞減趨勢。上述結果表明相較于單一樁型，強夯碎石樁聯合CFG樁的多樁型地基處理工法可充分發(fā)揮兩種樁型的優(yōu)勢，提高碎石樁及CFG樁的應力承載比，減小樁間土沉降。

5 地基處理效果分析

5.1 復合地基檢測分析

對場地強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基進行現場平板載荷試驗，根據規(guī)范要求，隨機選取5處進行靜載試驗，試驗壓板面積為1m2，載荷由40kPa按每級20kPa逐級加載至200kPa，隨后卸載至0kPa，檢測過程中，實時記錄各級荷載下的壓板沉降量，統(tǒng)計各點數據后示于圖9所示。

由圖9可知，平板載荷試驗沉降曲線平穩(wěn)，表明未出現地層剪切破壞或樁的大尺寸滑動。根據相關規(guī)范要求，對碎石樁等散體材料樁，當地基以黏性土、粉土為主時，可取S/D=0.01時對應的荷載為復合地基承載力特征值，且其值應小于等于最大加載值的一半。試驗取D值為1m，則總沉降S為10mm。從圖9中可以看出，復合地基承載力特征值均大于120kPa，沉降變形亦較小，復合地基承載力滿足設計要求。

圖9 平板靜載試驗Q-S曲線

5.2 復合地基沉降監(jiān)測分析

（1） 實測結果分析。在項目場地Ⅳ區(qū)（1#庫）經強夯碎石樁聯合CFG樁處理完成且墊層施工完畢后開始沉降監(jiān)測，結果如圖10所示。

圖10 庫區(qū)地坪沉降曲線

由圖10可知，地基處理施工完成近4年，一期工程已投入使用3年，監(jiān)測數據顯示，地坪沉降量較小，平均下沉9mm。其中主體結構施工期間，地坪沉降量在7～9mm，投入使用兩年期間，地坪沉降量在6～8mm，隨后沉降趨勢進一步減小。投入使用至今，庫區(qū)觀測結果顯示地坪與基礎差異沉降較小，一期工程地坪、柱角等均未出現明顯裂縫?？芍獜姾凰槭瘶堵摵螩FG樁對該類型軟土地基具有較好的加固效果。

（2） 實測與計算結果對比分析。結合前述分析結果，將規(guī)范復合模量法、數值典型單元法及現場監(jiān)測庫區(qū)地坪總沉降進行對比如圖11所示。

圖11 沉降結果對比分析

由圖11可知，庫區(qū)地坪沉降量現場監(jiān)測結果在15mm左右，小于數值模擬與規(guī)范理論計算結果，其中規(guī)范復合模量法及數值典型單元法計算結果偏大，原因在于場地施工期間，地基已產生一部分固結沉降，而現場監(jiān)測結果為工后運營期地坪沉降，同時地勘土層參數取值亦尚偏保守，通過實際監(jiān)測結果可知強夯碎石樁聯合CFG樁工法在軟土地基中具有良好的處理效果，能滿足地基處理設計要求。

6 結語

（1） 孔內強夯碎石樁聯合CFG樁復合地基處理工法利用碎石樁提高天然地基承載力，利用CFG樁處理下覆軟土夾層，減小地基沉降，在上覆高壓縮性軟填土，下覆軟弱夾層等復雜軟土地基中具有較好的適用性。

（2） 強夯碎石樁通過置換擠密作用對填土層進行加固，減小填土壓縮性，可提高原天然地基承載力約70%，對地基承載力改善較大，但減沉效果有限（僅限于處理深度范圍內）。進一步采用CFG樁對下臥軟土層加固可減沉約50%，同時亦可有效抑制地坪差異沉降，兩樁結合可有效改善天然地基承載力及沉降變形。

（3） 與單一樁型相比，強夯碎石樁聯合CFG樁的多樁型地基處理工法可充分發(fā)揮兩種樁型的優(yōu)勢，提高碎石樁及CFG樁的應力承載比，減小樁間土沉降。

（4） 復合地基設計計算中，采用數值典型單元法計算結果較規(guī)范復合模量法偏小，但兩者誤差在10%以下，且采用規(guī)范復合模量法更偏安全。