Question

桂林岩溶区地基处理设计

Answer 1

桂林地基土的组成主要为填土（素填土以及杂填土）、粘性土（红粘土）、粉土以及漓江阶地形成的砂、砾石、卵石等，而基岩一般则为上泥盆统融县组石灰岩。市区绝大部分地段的地基表层军均分布有数十厘米至数米厚的填土，填土一般呈松散—稍密状态，一般情况下，不能作为地基的直接持力层，同时石灰岩基岩面附近分布有软土，地基中常常发育有溶洞、土洞及产生岩溶塌陷等现象。由于地基岩土层的复杂多样化，在修筑建筑物中，当不能采用天然地基作为基础的直接持力层时，须对地基采取相应的处理。目前，复合地基处理技术在桂林岩溶区地基加固的应用已经取得成功，应用面也得到逐步拓展。由于场地本身的复杂性，在对不满足建筑要求的场地地基进行加固处理时，宜根据场地实际地质情况，选择合理的地基承载力与变形计算方法，确保建筑经济安全。

桂林市中心地段地貌属漓江一级、二级阶地，土层一般较厚，上覆土层主要为填土、粘性土、粉土、砂、砾石、卵石等，局部地段发育有土洞、塌陷等不良地质现象，其地基加固处理方法有素混凝土桩（CFG桩）、旋喷桩、深层搅拌桩等，复合地基承载力与变形计算可依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）相关规定进行。然而局部地段，如桂林西城区，至临桂县城一带，上覆土层厚度分布较大范围为0～15 m，主要由冲洪积、残坡积形成的粘土、红粘土、次生红粘土、粉质粘土等组成，土层相对较薄，且岩溶不良地质作用强发育。文献[39]通过对桂林市西城区大量钻孔资料和地表测绘资料的统计分析表明：覆盖层厚度越小，岩溶塌陷越发育。厚度小于6 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的74％以上；厚度小于10 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的99％以上；覆盖层厚度大于10 m 时，基本上不会发生岩溶塌陷。在这种强岩溶发育地段采用复合地基加固技术时如何保证在荷载作用下，增强体与天然地基土体能够共同直接承担荷载的作用并进行合理可行的承载力与变形计算，将是加固设计首先要考虑解决的问题。

3.4.1　桂林岩溶区深层搅拌地基处理

按照《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）的规定^[40]，水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。在桂林岩溶地区，主要用来加固素填土地基、不含粗大杂质的杂填土地基以及漓江一级阶地的松软粉土等地基。桂林岩溶区深层搅拌桩的桩径一般为500 mm，桩长不超过20 m，多采用湿法施工。处理目的主要是加强地基土的地基承载力以及减少地基沉降变形。

3.4.1.1　单桩竖向承载力特征值

水泥搅拌桩单桩竖向承载力特征值应通过现场单桩载荷试验确定。有经验时单桩竖向承载力特征值R _a也可按式（3.11）和式（3.12）估算，取两者中小值。

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：u_p——桩的截面周长（m）;

q_si——第i层土的桩侧阻力特征值（kPa）；对淤泥可取4～7kPa；对淤泥质土可取6～12kPa；对软塑状态的粘性土可取10～15kPa；对可塑状态的粘性土可取12～18kPa；对于粉土、填土等可参考上述取值；对于新近填土，不宜计入桩侧阻力，甚至应考虑其负桩侧阻力。

l_i——第i层土的厚度（m）；

α——桩端天然地基土的承载力折减系数，与桩长、土层土质情况等因素有关，常取0.4～0.6;

A_p——桩的截面积（m²）;

q_p——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）;

n——桩长范围内所划分的土层数；

η——桩身强度折减系数；喷浆深层搅拌法取0.25～0.33;

f_cu——90 d龄期桩体水泥土立方体抗压强度平均值（kPa）。

3.4.1.2　复合地基的承载力特征值

竖向承载水泥搅拌桩复合地基的承载力特征值应通过复合地基载荷试验确定。有经验时水泥搅拌桩复合地基的承载力特征值可按式（3.13）估算：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：f_spk——复合地基的承载力特征值（kPa）;

A_p——单桩的截面积（m²）;

m——复合地基面积置换率；

R _a——单桩竖向承载力特征值（kN）；

β——桩间土承载力折减系数。当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.1～0.4，差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.5～0.9，差值大时或设置褥垫层时均取高值；

f_sk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），可取天然地基承载力特征值。

3.4.1.3　软弱下卧层强度验算

竖向承载水泥搅拌桩复合地基处理范围以下存在软弱下卧层时，软弱下卧层强度验算可按式（3.14）进行：

p_z +p_cz ≤f_az 　　　　　　　　　　（3.14）

式中：p_z——相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值（kPa）;

p_cz——软弱下卧层顶面处土的自重压力值（kPa）;

f_az——软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值（kPa）。

3.4.1.4　水泥搅拌桩复合地基的变形量

竖向承载水泥搅拌桩复合地基的变形量主要包括水泥搅拌桩复合土层的平均压缩变形量s₁和桩端下未加固土层的压缩变形量s₂，即s=s₁+s₂。

（1）水泥搅拌桩复合土层的平均压缩变形量s₁，可按式（3.15）计算：

s₁ =（p_z+p_z1）l/2E_sp 　　　　　　　（3.15）

水泥搅拌桩复合土层的压缩模量E_sp可按式（3.16）计算：

E_sp = mE_p +（1 - m）E_s 　　　　　　（3.16）

式中：p_z——水泥搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）;

p_z1——水泥搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa）;

l——水泥搅拌桩桩长（m）;

E_s——水泥搅拌桩桩间土的压缩模量（MPa）;

E _p——水泥搅拌桩桩身的压缩模量（MPa）。

（2）水泥搅拌桩桩端以下未加固土层的压缩变形量s₂，可采用现行国家规范《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的有关规定计算。

3.4.1.5　水泥搅拌桩桩身的施工质量检验

（1）成桩后3天内，可用轻型动力触探（N ₁₀）检查桩身的均匀性。检验数量宜为施工总桩数的1％，且不少于3根。

（2）成桩7天后，采用浅部开挖桩头（至设计桩顶标高处），目测检查水泥土桩均匀性，量测成桩直径。检查量为总桩数的5％。

（3）竖向承载水泥搅拌桩复合地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验。

（4）桩间土检验采用原位测试和室内土工试验。

3.4.2　桂林岩溶区素混凝土桩（CFG桩）地基处理

素混凝土桩（CFG 桩）复合地基，主要用于处理桂林岩溶区粘性土、粉土、砂土和已完成自重压密的填土等地基。桩径一般要求取300～600 mm。但在桂林岩溶区的工程实践表明，很多工程采用桩径220 mm 的素混凝土桩，施工方便，工程成本较低，地基处理的效果良好。

3.4.2.1  复合地基承载力特征值f_spk

复合地基承载力特征值f_spk应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计可按式（3.13）估算。但公式中的桩间土承载力折减系数β，取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值。

3.4.2.2  单桩竖向承载力特征值R_a

单桩竖向承载力特征值R_a的取值应符合下列规定：

当采用单桩载荷试验确定时，可将单桩竖向极限承载力除以安全系数2；但当地很少做载荷试验，因此，一般情况下，按式（3.17）估算：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：u_p——桩的周长（m）;

n——桩长范围内所划分的土层数；

q_si——第i层土的桩侧阻力特征值（kPa）;

q_p——桩端端阻力特征值（kPa）;

l_i——第i层土的厚度（m）。

3.4.2.3　桩身强度

桩体试块抗压强度平均值应满足式（3.18）的要求：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：f_cu为桩体混合料试块（边长150 mm 立方体）标准养护28 d后的立方体抗压强度平均值（kPa）。

3.4.2.4　复合地基沉降计算

复合地基沉降宜按式（3.19）计算：

s = s₁ + s₂ 　　　　　　　　　（3.19）

式中：s₁——复合土层压缩量，（mm）;

s₂——下卧土层的压缩量，（mm）。

s₁、s₂的计算可采用分层总和法，按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）的规定执行。

3.4.2.4.1　s₁的计算

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：Δp_i——第i层土的平均附加应力增量，（kPa）;

h_i——第i层计算土层的厚度，（m）;

E_spi——第i层复合土体的压缩模量（MPa），按式（3.21）计算。

E_sp = mE_p +（1-m）E_s 　　　　　　（3.21）

式中：E_p——桩体压缩模量（MPa）;

E_s——桩间土压缩模量（MPa）。

3.4.2.4.2　s₂的计算

s₂的计算公式同s₁，其中作用在下卧层顶部的附加压力可采用压力扩散法或等效实体法确定。

复合地基的下卧层是指复合土层下未加固的土层。由于其未加固处理，土的工程特性没有改变，只是因其上复合土层的工程性能改善，导致下卧层的应力分布有所变化，故主要是设法计算比较合适的下卧土层的应力分布，然后再采用分层总和法计算其沉降s₂。目前在工程实践中，计算复合地基下卧层附加应力分布的近似方法主要有应力扩散法、等效实体法等。

压力扩散法：该法是将复合土体作为加固的垫层，故作用于其上的荷载，即按一定的扩散角θ通过复合土体传递至下卧土层顶面。由此获得作用于下卧土层顶面的荷载平均应力，以及相应的作用范围，并以此计算下卧土层中的应力分布，求其沉降。

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

等效实体法：该法是将复合土体视为一局部的实体，犹如墩式基础。作用其上的荷载扣除周边摩阻力f后直接传至实体底面。故作用于下卧土层顶面的荷载应力为：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

上两式中：

p_z——荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值（kPa）;

L——基础的长度（m）;

B——基础的宽度（m）;

h——复合地基加固区的深度（m）;

a₀,b₀——分别为基础长度和宽度方向桩的外包尺寸（m）;

p₀——复合地基加固区顶部的附加压力（kPa）；

θ——压力扩散角（°）；

f——复合地基加固区桩侧阻力（kPa）。

3.4.3　桂林岩溶区高压旋喷桩地基处理

高压旋喷桩复合地基适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。过去在桂林地区用得不多，现在越来越多用来处理岩溶地区软弱地基土层，例如，桂林市福泰房地产开发有限公司御林湾住宅小区、桂林市广运实业投资有限责任公司美居商贸城二期Al区、桂林市北斗置业发展有限公司铁西商住楼等工程中，均采用高压旋喷桩复合地基，用来局部软弱下卧层及溶槽内的软土处理、溶洞及“鹰嘴”灰岩等岩溶强烈发育区的处理，取得了很好的效果。高压旋喷桩复合地基的承载力特征值达到280 kPa以上，完全可以满足当地建筑物对地基承载力的要求。

3.4.3.1　高压旋喷桩复合地基承载力

高压旋喷桩复合地基承载力特征值f_spk应通过现场载荷试验确定。初步设计可按式（3.13）估算。公式中的β为桩间土承载力折减系数，取值0～0.5，天然地基承载力较高时取大值。

3.4.3.2　高压旋喷桩单桩竖向承载力

高压旋喷桩单桩竖向承载力特征值可通过现场单桩载荷试验确定，也可按式（3.24）和（3.25）估算，取两者中的较小值：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：f_cu——与旋喷桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下28d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；

η——桩身强度折减系数，可取0.33;

u_p——桩的截面周长（m）;

q_si——第i层土的桩侧阻力特征值（kPa）;

l_i——第i层土的厚度（m）;

A_p——桩的截面积（m²）;

q_p——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）;

n——桩长范围内的土层数。

3.4.3.3　高压旋喷桩施工

以桂林市北斗置业发展有限公司铁西商住楼高压喷射注浆地基处理为例^[41]，采用400 mm、500 mm桩径的DZ-3T振动式沉管桩机，其施工方法及工艺如下。

3.4.3.3.1　工艺流程

CFG 桩：先定出基础轴线，后根据CFG 桩平面布置图定出桩位→桩机对正桩位→当沉管到达设计标高后，就可以灌注混凝土→振动提拔沉管灌入拌和好的混凝土料→直至地面结束→成桩移机另一桩位。

高压喷射注浆：测放桩位→30型钻机引孔→穿过卵石→下塑料隔管→旋喷钻机对正孔位→灰浆制备→插管至设计桩底标高→喷浆试压→桩底旋喷浆液→恒速提升旋喷浆液桩顶标高→冲洗灰浆制备机具输浆管道→结束一根桩施工→移机对正下一孔位。

3.4.3.3.2　技术参数

CFG桩：桩身采用碎石（粒径3～5 cm）、石粉、水泥（强度等级32.5）；施工坍落度为30～50 mm；桩身混凝土强度等级C15，并进行配合比试验。

高压喷射注浆：旋喷速度为20转/min；提升速度为20 cm/min；旋转泵压不小于26 MPa；浆液配比为水：水泥＝1:1；相对密度为1.5。

3.4.3.3.3　施工质量检查

（1）桩头开挖检查：经开挖桩头检查，CFG 桩桩形好，桩头水泥土强度高，一般桩径大于500 mm，旋喷桩一般桩径达到600 mm左右；

（2）施工用水泥经复检合格；

（3）现场取54组水泥碎石桩混凝土试块自然养护，28 d抗压强度平均值为19.4 MPa，满足设计要求；

（4）经复合地基载荷试验检测，复合地基承载力达到280 kPa，达到设计要求；

（5）抽取施工总桩数的10％做桩基低应变检测，所测桩桩身结构完整，桩身混凝土强度等级达到C15，桩身质量达到设计要求。

3.4.4　桂林岩溶区地基灌浆处理

灌浆法是利用液压、气压或电化学的方法，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以充填、渗透或挤密等方式，进入土颗粒之间的孔隙中或土体的裂缝中，将原来松散的土体胶结成一个整体，形成强度高、防渗和化学稳定性好的固结体。

灌浆法可用于防渗、堵漏、地基加固和纠正建筑物偏斜，适用于处理砂及砂砾石地基、粘性土地及和湿陷性黄土地基等，尤其非常适合处理桂林漓江阶地以砂卵石为主的岩溶塌陷地基。

按照施工工艺和灌浆工作原理的不同，灌浆方法可分为下列几种：渗透灌浆、压密灌浆、劈裂灌浆、电化学灌浆。桂林岩溶区地基处理主要采用渗透灌浆和压密灌浆。

渗透灌浆：将注浆管埋设于需要灌浆的地层内，在灌浆泵输送压力的作用下，将调制好的浆液输送和渗透进入土的孔隙或岩石的裂缝中。如果孔隙、裂缝等通道的孔径不小而浆液的黏度不高（如水灰比大的水泥浆或其他黏度更小的浆材）且灌浆压力较大，则浆液将被压送到较远的距离以外，即浆液的扩散半径大。但当裂隙微小、连通性差且其间存在填充物时，则浆液不易扩散。岩石地基和大坝中的防渗帷幕灌浆，需要用高压水反复冲洗裂隙中的填充物，并在浆液中掺入2％水泥量的钠基膨润土，才能使浆液渗入细缝中。

渗透灌浆适用于中砂以上的砂砾石层，例如桂林漓江阶地以砂卵石为主的岩溶塌陷地基、市区松散的杂填土地基。

压密灌浆：采取较高的压力将浓浆（或水泥砂浆）经钻孔挤压入土体中而形成扩大了的球状、柱状等浆液固结体，以提高地基的承载力，减少建筑地基的变形。为了保持压密灌浆较高的压力，在钻孔套管或处理过的钻孔孔壁与注浆管之间应设置止浆塞（与大气隔开），从注浆管端部压出的“浆泡”，甚至可使局部土体向四方挤密和上抬。我国各地均有压密注浆成功的实例。

在红粘土地基中采用渗透灌浆的效果常不理想，原因是红粘土的粘粒含量较多、粒间孔隙小和透水性低等。

3.4.4.1　浆液扩散半径（r）的确定

由于当地没有成熟的确定浆液扩散半径r的设计经验，一般来说，可按灌浆体呈球形扩散来估算浆液扩散半径r，根据1938年马格（Maag）首次发表的牛顿型浆的球形扩散公式，浆液的扩散半径r可以由下式估算确定：

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中：r₀——灌浆管半径（cm）;

k——土的渗透系数（cm/s）;

h——与灌浆压力相当的水头高度值（cm）;

t——灌浆时间（s）;

n——土的孔隙率（%）；

β——浆液黏度对水的黏度比。

3.4.4.2　灌浆孔位布置

灌浆孔一般采取梅花形分布。

3.4.4.3　灌浆孔孔深

以穿透被处理的松散软弱层为主，一般应不低于6 m。

3.4.4.4　灌浆压力

在处理土洞地基时，若土洞内无充填物，一般可先在土洞内充填碎石或中、粗砂，然后进行渗透灌浆。渗透灌浆就是在压力的作用下，使浆液填充土洞内充填物的孔隙，并要求浆液不扰动破坏周围地基土层的结构。浆液的扩散能力与灌浆压力的大小密切相关，灌浆压力提高，可增大浆液扩散半径，增加可灌性。但是，灌浆压力太大，将有可能导致土洞周围地基土层的破坏，降低承载力，或者转变成劈裂灌浆，造成不必要的浪费；若灌浆压力太小，又不能灌满土洞内充填物的孔隙，降低处理效果。因此，进行土洞地基灌浆，必须选择一个合适的灌浆压力范围。目前，工程实践中灌浆压力的确定，多数是依据设计人员的经验来确定，部分工程通过现场试验确定。

桂林岩溶区灌浆压力经验一般为0.15～0.30 MPa，并根据吸浆量情况现场适当调整。

3.4.4.5　灌浆材料

一般采用普通硅酸盐水泥，灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，浆液配置以先稀后浓为原则。

3.4.4.6　灌浆结束标准

（1）灌浆过程中，当灌浆压力达到0.25～0.30 MPa并持续20～30 min不吸浆或吸浆量很少时即终灌；

（2）当灌浆过程中产生地面冒浆，且将冒浆部位堵塞后再灌，如此重复2～3次，再冒浆时即终灌。

3.4.4.7　质量检验

地基检测与检验可根据工程要求和当地经验采用开挖检查、钻探取心、标准贯入试验、动力触探试验、荷载试验等方法进行。