高层建筑CFG桩复合地基在不均匀性地基中应用之剖析关文章.docx

高层建筑CFG桩复合地基在不均匀性地基中应用之剖析关文章.docx

《高层建筑CFG桩复合地基在不均匀性地基中应用之剖析关文章.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高层建筑CFG桩复合地基在不均匀性地基中应用之剖析关文章.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高层建筑CFG桩复合地基在不均匀性地基中应用之剖析关文章

复合地基系列质量问题之研判与补救措施

关文章田焕锋吴红兵

（中国有色金属工业西安勘察设计研究院　西安　710054）

摘要：

设计方案不当，布桩不合理，没有因地基制宜，致使地基横向变形不均。

加之施工质量问题严重，桩身不合格率竟然高达90%。

造成了复合地基整体不合格。

具体反映在：

复合地基承载力低，极值大，离散性大；地基变形显著不均匀，尤其是横向变形不均匀性凸显。

由于高层建筑L/b和H/b比值大，这就决定了横向变形敏感，容易发生横向整体倾斜。

而复合地基恰好在该方向上的变形最不均匀。

两者耦合，发生横向倾斜的可能性加大。

总体上，本复合地基属于不合格工程。

发生如此系列性质量问题前所未有；质量问题之严重，不经再次设计加固处理补救，不能应用绝无仅有。

关键词：

顺从性调刚度设计横向地基不均匀倾覆压力

1. 前言

　　场地和地基背景：

原来采用石灰桩复合地基方案做过地基加固处理，其后，改用高层建筑地基，但因占地面积缺少约1/3b宽度；同时地基强度和地基变形两个核心问题均不能满足建高层之需。

于是，设计采用素砼桩复合地基方案，对地基进行二次整片加固处理。

经过质量检测，并经分析，严谨的研判认为，整体复合地基不合格：

第一，首先是设计失误，没有因工程地基背景采取有针对性的布桩，致使复合地基刚度（E、ES）不但没有得到改善、调匀，反而造成地基变形均匀性失调，不仅地基的不均匀加重，更为严重的是沿基础短边横向（沿基础b方向）地基变形显著不均匀。

而该方向恰是高层建筑地基变形最敏感、极易导致发生横向倾斜的关键方向。

第二，施工质量整体不合格。

经过质量检测桩身质量绝大部分为不合格。

Ⅳ类不合格桩高达90%。

桩是复合地基成败、好与坏的主体，主控地基变形、地基强度和地基变形均匀性。

桩体对复合地基举足轻重，一旦出现质量问题，或需要采取补偿处理；或需要采取补救处理；或采取抢救处理；甚至报废，重新进行加固处理。

第三，桩体质量问题。

复合地基强度和变形是桩体的函数。

桩的质量问题反应在单桩（或多桩）载荷试验p～s曲线和s-lgt曲线簇的形态和变化上，5处单桩载荷试验变形曲线失常，以致不论是用拐点法、切线法或者是相对变形法，均给不出fspk和变形参数（E）。

经查，是桩体砼离析，并且出现在桩顶部和桩身中上部，而该部位是受力最大的部位。

其次是成孔时孔底残渣厚度超过规定，成桩时未予清除，导致桩变形量陡增，p～s曲线形态失常，有效桩长变短。

桩是复合地基的脊梁，桩身的问题直接殃及整个工程。

分析认为：

因为设计方案存在问题波及整体工程。

施工质量不合格，赖以承载上部荷载的构件功能失效。

本工程两者皆有之，因而复合地基名存实亡。

以上问题的出现，归纳起来应属于技术素质和驾驭工程的综合能力与本工程的要求不相称直接相关。

具有典型性。

该工程是高层建筑，该复合地基应重新设计，进行加固处理。

否则不得施工建筑。

2. 拟建工程及地基条件

2.1建筑物概况

住宅楼为18层高层建筑。

剪力墙结构，筏板基础。

基础埋深4.5m。

场地平面为长方形，长为52.768m，宽为16.5m。

2.2地基工程地质条件

场地平坦。

地基地层由冲洪积成因之黄土状土和粗砂卵石共5层构成，成层较规律，层位比较稳定。

岩性和地基性能汇总于表1。

岩性特征及

值表1

地层

编号

岩性描述

层厚

（m～m）

fak/kPa

①

杂填土：

由碎砖等建筑垃圾及粘性土组成，土质疏松，局部地段为素填土

2.30～3.10

/

②

黄土状土：

褐黄色，可塑状态，含氧化铁斑块，层间有薄层砂土

5.80～7.00

160

③

黄土状土：

褐色，可塑状态，含氧化铁斑块，层间有薄层砂土

4.40～5.90

160

④

粉质粘土：

灰黄色，可塑状态，含氧化铁斑块。

土质较均匀

4.30～12.20

140

④-1

粗砂：

长石、石英质，含氧化铁斑块。

级配较好，中密状态

1.70～2.40

180

⑤

卵石：

主要由石英岩、花岗岩碎块组成，亚圆形，一般粒径20~60mm，充填约25%的粗砾砂，偶见漂石。

中密状态

未揭穿，最大揭露厚度为11.9m

400

3.地基处理背景及地基现状

地基主要受力层工程地质和岩土条件已如表1所述。

由于场地建筑的需要，此前曾经进行过灰土桩复合地基加固处理。

后来把场地改变为高层建筑用地，于是，经过地基方案设计，在原有场地上采用素砼桩复合地基工法再次加固处理，以应高层建筑地基之需。

3.1素砼桩复合地基设计方案

素砼桩满堂布设。

根据场地现状，将场地分为A、B两个地段（如图1）。

桩平面设计A、B两地段不同。

1）位于场地南半侧为B区，宽度（b）为2/3b。

桩距（Sa）为1.62m，排距为1.80m，桩长l=13.8m，桩身砼强度等级C30。

桩端地层分别为②、③、④和⑤层。

2）位于场地北侧为A区，宽度（b）为1/3b。

除Sa变为2.20m，其它同B区。

该地段除有素砼桩，还有早期完成的石灰桩，详示于图1。

在桩顶铺设0.5m砂石褥垫层，构成复合地基。

设计要求fspk≥380kPa。

图1素砼桩和原有灰土桩平面位置

○——石灰桩——素砼桩

3.2复合地基的类型及其属性

从复合地基桩的刚度上判定，该复合地基桩体属于刚性桩，桩土应力比（n）大体在10左右，而桩身承担上部荷载份额远大于桩间土。

因此，桩是复合地基的主体，桩体质量对该复合地基总体质量起着主率作用。

因此，素砼桩平面布设、桩体质量等，是决定本工程成败的核心。

4.素砼桩复合地基质量分析与判读

经过一系列质量检测结果，通过系统分析，严谨判读认为：

该复合地基存在系列质量问题，严重影响到高层地基强度、刚度、地基变形和稳定性几个核心问题。

4.1复合地基变形均匀性研判

地基变形均匀性分为一般不均匀性和严重不均匀性两类。

1）一般不均匀性问题

曾如前文所述，A区有石灰桩和素砼桩两种刚度不同的两种类型桩（图1）。

平面显示，该区桩占据的平面面积大，桩的置换率（m）大，而桩占地面积大，桩间土占地面积相对小，桩承担上部荷载的大部分，土承担小部分。

因此，桩充分发挥了作用。

于是，该地段复合地基的刚度大，复合地基综合性能好。

但B区，桩的置换率（m）相对要小，桩占地面积小，而桩间土占地面积相对大，因而桩不能充分发挥作用。

于是该地段复合地基的刚度相对小，复合地基综合性能弱于A区。

不均匀性从桩身质量上也能显示出来。

桩身质量有90%是Ⅳ类桩，加上孔底残渣超厚，而刚性桩是传递上部荷载的主体，因此，桩的质量问题，影响到复合地基整体工程性能，这部分容后评述。

2）地基横向不均匀性研判

地基横向不均匀性是考量高层建筑地基至关重要地基变形问题。

因为高层建筑的特点是：

①高层建筑荷载大、深基础、高度大、重心高，对地基变形要求严格。

保证和评价的重点是建筑的倾斜，而横向倾斜是控制高层建筑稳定性的重点。

引发横向倾斜是地基横向变形不均匀。

②高层建筑L/B、H/b比值大，横向变形敏感，容易引发横向倾斜。

一旦发生横向倾斜，重心偏移，产生倾覆力，加重倾斜发生。

③高层建筑对地基变形顺从性小。

从建筑结构上，属于大底盘基础。

从基础到上部结构构件强度高、断面大、刚度大、整体性强。

适应地基变形性能差，不具有变形相容、位移协调性能。

当地基发生不均匀变形时，不是从墙体开裂形态进行自我顺从性调节，而是以局部或整体发生倾斜为其适应性调节。

而倾斜发展到一定程度时，建筑重心被动偏移，继而产生倾覆力，将会促进加大倾斜度。

而复合地基恰好在基础宽度方向显著的具有不均匀性。

前已表述，A、B两地段桩的置换率（m）截然不同，m不同意味着桩承担荷载份额不同。

显然，A区的m、地基刚度均大于B区。

具体到地基变形、地基承载能力上，A区好于B区。

相形之下，A区复合地基性能优于B区。

B区成弱势区。

构成了比较整齐的横向不均匀性分界线，而这恰好和高层建筑容易发生横向倾斜相吻合。

因此，发生横向倾斜的可能性变得更大。

4.2桩体质量检测结果分析评价

素砼桩属于刚性桩，是复合地基承担上部荷载和提高承载力主体。

因此，桩体质量的好坏，直接影响整体复合地基的成败。

采用低应变方法，抽检59根桩。

其中有53根桩上端和桩中部严重离析，桩的刚度变小、恶化，致使有效桩长变短。

按桩身完整性划分属于Ⅳ类桩，占抽检总数90%。

其余6根桩桩身完整，属于Ⅰ、Ⅱ类桩，占抽检总数的10%。

详见图2直方图。

图2桩身完整性直方图

Ⅰ、Ⅱ类桩，不影响桩承担上部荷载，属于正常桩。

Ⅳ类桩，影响桩的综合性能和桩的承载能力，属于不合格桩。

基于上述桩身完整性和桩身刚度恶化程度分析，总体认为，素砼质量低劣。

桩是衡量复合地基的加固体，桩融双重作用于一身；承担上部荷载；改善地基变形，调整变形不均匀性。

而复合地基性能的调整改善，取决于桩的质量和桩的平面布置形式。

因此，桩一旦出现质量问题，复合地基就失去了功能和作用，皮之不存，毛之焉附。

4.3 单桩复合地基承载力试验结果及评述

复合地基承载力（fspk）是该工程的核心参数，设计方要求fspk≥380kPa。

这是衡量处理后地基能否满足要求的唯一的量化标准。

为获取fspk值，采用单桩载荷试验方法实测共5处。

试验结果绘制了p～s曲线和与之匹配的s-lgt曲线，如图3。

a）T1试验点

b）T2试验点

c）T3试验点

d）T4试验点

e）T5试验点

图3单桩载荷试验曲线变化形态

采用p～s和s-lgt两种曲线对照方法进行分析，先剖析p～s曲线类型，再分析s-lgt曲线簇变化状态，根据两者进行对比确定fspk。

在5处曲线中，仅有1个如图3b）试验曲线p～s和s-lgt类型正常变化，其余4处曲线形态失常。

这种异常变化不能用地基土好坏（或强弱）所能解释。

分析认为，孔底残渣厚度超出规定，普遍偏厚，没有清理或加固处理，如图3a）、d）。

另外，桩体砼严重离析，尤其桩顶处的离析，强度低，刚度小，受荷后因应力集中被压碎、压裂，导致曲线变化异常，如图3c）、d）。

桩顶压碎、压裂，p～s曲线很快就会反映出来，加荷开始变形量不大，继续加荷时，变形量陡增，曲线呈折线变化。

孔底残渣厚度大的p～s曲线，因为桩体属于刚性桩，受荷后桩顶先受力产生桩土位移，当荷载继续增加，桩土间位移向桩中部发展，p～s曲线呈缓变型变化，直到桩轴力传递到桩下端时，桩上部侧阻发挥极值，桩端土开始受力产生沉降变形，p～s曲线陡降，如图3e）p～s曲线，相应s-lgt曲线失去平行尾部下垂。

基于低应变刚度检测桩身完整性残缺，孔底残渣厚度超标等直接原因，是导致4处单桩复合地基载荷试验曲线失去常态的结果。

据此，经综合判定：

素砼桩复合地基质量不合格。

并且因此造成地基强度、变形不均匀。

4.4小结

纵观上述各项分析和研判认为：

该复合地基质量问题是系列性质问题，融地基变形、地基强度、桩身质量、桩的布设方案，乃至横向地基变形显著不均匀性等一系列问题于一体。

不经过二次设计、加固处理用来建筑高层建筑是不可能的。

5.重新设计加固处理方案

重新设计，包括复合地基方案设计，调整横向地基不均匀性和提高复合地基承载力等三个核心质量问题。

5.1调整复合地基横向不均匀性方案

基于A、B两个地段，地基刚度（Es）不均匀性，从调整地基刚度入手，抑强补弱，以期达到横向变形均匀之目的。

建议采用以干硬砼为填料的孔内夯扩桩（DDC）复合地基方案，已有工程经验表明，该桩成孔直径可达到650mm，桩的断面大、刚度大、承载能力高，可减少补桩数量。

施工质量容易控制。

成孔、成桩质量易于掌控。

A区段地基刚度大，以解决承载力不足为主，可适量补桩，桩距Sa=200cm~250cm，适当提高桩的置换率（m）。

B区段地基刚度相对较小，以增强地基刚度为主，解决承载不足为辅。

桩距Sa=150cm，提高桩的置换率（m）。

桩长l=13.0m~14.0m。

桩身砼强度为C30。

单桩复合地基承载力有望达到600kPa。

5.2仍采用素砼灌注桩方案

该方案成桩质量不易控制，成桩直径因没有侧向挤压作用，桩断面小，补桩数量比较多。

布桩按正方形布设，桩长l=13.0m。

A区桩距Sa=1.8m，B区Sa=1.6m。

5.3关于褥垫层厚度和边桩设置

刚性桩复合地基桩和桩间土刚度相应悬殊，应铺设砂土褥垫层，但厚度不应大于300mm，以厚度为200mm为宜，以利消减桩顶应力集中，调整桩土应力分配比，不计应力扩散，不设边桩。

铺设时用轻型压路机碾压，压实系数λc=0.90。

在上部荷载作用下：

褥垫层受力之后，砂石受力作用发生滚动向桩间土位移，因此，桩间土受力在先，调动后桩间土承载充分发挥，达到桩受力为主，桩间土受力为辅。

共同承担上部荷载。

若褥垫层厚度大于500mm，必须碾压加密，压实系数不能小于0.95，砂石紧密没有滚动发生位移空间。

承担上部荷载后，虽然受力，但移动微小，起不到调动发挥桩间土承载力作用。

又因为垫层厚度大，且堆积紧密，应力均布向下传递，应力差小，伏于其下的桩受力在先，桩间土只是在桩土发生位移条件下产生侧阻力，参与并提供桩基承载力。

因此，从严格的机理分析认为，这种情况下属于桩基范畴，而不是复合地基。

这种厚度的褥垫层起到的作用是垫层地基的作用，不是褥垫层的作用。

因此，有应力扩散作用，应增设边桩。

6.结论

综合上述分析、评述，可得出如下结论：

1）复合地基强度、地基不均匀性和高层建筑可能发生横向倾斜等问题，均不能满足工程要求。

造成工程失败的核心是：

桩身质量和成孔质量大面积不合格，不合格率竟高达90%。

2）设计方案不当，施工质量低劣，是酿成复合地基整体质量不合格的前置原因。

追根探底，源于技术素质、驾驭工程能力均不敷工程要求。

3）针对铸成工程失败的原因，重新加固处理应确保桩体的合格率不得低于90%。

补桩质量确保，可以解决承载力、变形不均匀性等一系列问题。

4）地基横向不均匀性，以调整地基刚度设计为原则，在桩距上做调整，置换率上体现。

通过地基刚度调整，达到地基横向变形均匀之目的。