岩溶场地高填方强夯挤密置换处理地基设计

李建功①    ,刘铸民②    ,刘志鹏③

②昆明经济技术开发区投资开发集团有限公司，云南 昆明 650000

③西北综合勘察设计研究院云南分院，云南 昆明 650000

【摘要】对岩溶场地高填方地基，分别采用旋挖嵌岩灌注桩及强夯挤密置换处理地基+条形基础进行了选型对比，最终确定采用强夯挤密置换处理地基，即满足了设计计算及建筑使用要求，同时取得了较好的经济效益，并对强夯挤密置换处理地基进行了详细介绍。

【关键词】岩溶场地；高填方；强夯挤密置换处理地基

1、前言

岩溶场地（亦称喀斯特地貌）在我国分布较为广泛，其中西南地区更是常见。云南省昆明市某建筑项目场地由于早期是采石场，部分区域有采石坑，周边地块建设时被弃土回填，形成了较厚杂土回填区。项目对于高层建筑为确保建筑结构安全，采用了旋挖嵌岩灌注桩，但对位于高填方区独立的多层建筑并未采用常规旋挖嵌岩灌注桩，而是采用了强夯挤密置换处理地基，在满足了建筑安全及使用功能的同时，取得了较好的经济效益，现将该部分地基基础设计情况编撰成文，以期为广大同仁提供部分参考。

2、项目概况

该项目位于云南省昆明市，抗震设防烈度为8度0.2g，地震分组第三组，场地类别为Ⅱ类。高层建筑（10~21F）使用性质为办公、酒店及公寓，其下设置1~2层地下室；多层建筑(3~6F)为配套商业，无地下室。其中多层建筑中的8#、11#及12#栋为高填方区的独立建筑，栋号位置、层数及建筑高度信息如下图1：

图1.栋号平面布置图

3、地质概况

对本文而言，就主要地层进行简化说明如下：

(1) 第四系全新统填土层（Q4ml）

①层—填土：褐黄色，稍湿，松散状态，以粉质粘土为主，夹少量建筑垃圾、生活垃圾及灰岩块石，为近三年内堆填，未经过碾压，结构松散，分布于场地大部分地段。揭露层厚0.2m～12.9m，层顶埋深0.00m，层底埋深0.2m～12.9m。

(2) 第四系全新统坡洪积层（Q4dl+pl）

②层—粉质粘土：褐红、褐黄、褐灰色，可塑状态为主，部分硬塑状态。

②1层—含砾粉质粘土：褐红、褐黄、褐灰色，可塑状态。

（3）第四系坡残积（Q4el）层

③层—红粘土：褐红、棕红色，稍湿，硬塑状态为主，局部坚硬状态，含少量灰岩风化残块，局部分布有灰岩孤石。

③1层—红粘土：褐红、棕红色，稍湿，软塑状态为主，局部可塑状态。

③2层—红粘土：褐红、棕红色，稍湿，可塑状态为主，局部软塑状态。

③3层－土洞：本次勘察中部分钻孔揭露，在接近基岩面段钻具在自重作用下缓慢下沉，钻探无岩芯的现象，初步分析为土洞或岩体中的裂隙，洞径（或裂隙深度）1.1m。

（4）石炭系威宁组（C2w）地层

场地周边出露的岩层产状85～110°∠20～35°，基岩因岩性变化和风化差异而具有不均匀性。

④层—较完整(中等风化)白云质灰岩：岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级。

④1层—较破碎(中等风化)白云质灰岩：岩体较破碎，岩体基本质量等级属于Ⅳ级。

④2层—破碎(强风化)白云质灰岩：岩体极破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ～Ⅴ级。

④3层—较完整(中等风化) 泥质灰岩。

④4层—破碎(中等风化) 泥质灰岩。

④5层—溶洞（溶隙）：以褐红色、灰黄色可塑～软塑状态红粘土充填为主，局部半充填，揭露溶洞垂直高度0.4m～7.9m。勘探孔遇该类型溶洞率为25.9%左右。

④6层—溶洞（空洞）：无充填，揭露溶洞垂直高度1.2m～6.5m，勘探孔遇该类型溶洞率为4.4%左右。

拟建场地基岩起伏大，场地内总勘探孔遇溶洞率为30.3%，判定拟建场地岩溶发育等级总体上属强发育。

其中8#栋、11#栋、12#栋典型地质剖面如下图2：

图2.典型地质剖面图

4、基础选型

8#、11#、12#栋基础底面标高均为1972.55，由地质勘察报告可知基底以下回填土深度分别约为6.65~8.58m、5.9~7.85m、6.75~7.66m。基础方案考虑：方案1-常规旋挖嵌岩灌注桩+承台、地梁；方案2-强夯挤密置换处理地基+条形基础，现分别介绍如下：

（1）方案1：采用旋挖嵌岩灌注桩。灌注桩桩径600mm，以④层较完整(中风化)白云质灰岩（单轴饱和杭压强度标准值frk=40.80MP）、④1层较破碎(中等风化)白云质灰岩（单轴饱和杭压强度标准值frk=24.63MP）为桩端持力层，单桩承载力特征值分别为4500KN、3420KN。为避免室内地坪后期沉降过大，造成地坪开裂，在结构±0.000位置设置结构梁板。按规范要求进行计算后，桩基础方案自结构±0.000及以下所有构件（含承台、地梁、首层结构梁板）工程量及造价统计如下表1：

工程量及费用统计表1

方案2：采用强夯挤密置换处理地基+条形基础。首先对建筑单体平面范围外扩不少于5m范围内（满足《建筑地基处理技术规范JGJ 79-2012》第6.3.3-6条规定）进行：a.全范围强夯处理；b.完成后再进行强夯挤密块石墩二次加固处理，进一步加强回填土地基承载力，提高地基压缩模量，减少建筑物工后沉降。根据强夯施工单位以往工程经验本项目场地经上述地基处理后可确保地基承载力特征值fak≥180kPa，地基土层压缩模量Es≥7.5MPa，按规范要求进行计算后，强夯挤密置换处理地基+条形基础方案工程量及造价统计（未含首层建筑地坪）如下表2：

工程量及费用统计表2

    由表1及表2中最终的费用合计可知三栋建筑采用强夯挤密置换处理地基+条形基础方案仅从工程量角度大致可节约投资约46%，同时考虑到建筑室外部分若与建筑单体同时采用强夯处理可避免道路、管网后期由于差异沉降过大造成开裂或破坏，最终决定采用强夯挤密置换处理地基+条形基础方案。

5、强夯挤密置换处理技术要求及施工方案

强夯地基施工前应在施工现场选取试验区进行试验性施工，试验区面积不宜小于20mx20m，以获取施工参数。在确保地基处理完成后地基承载力特征值fak≥180kPa，地基土层压缩模量Es≥7.5MPa的条件下，强夯挤密置换处理技术要求及施工方案分述如下：   

（1）全范围强夯处理

如上图1“栋号平面布置图”填充区域所示范围，即便全范围进行强夯地基处理，总面积约为6565m2，强夯处理面积相对较小，而回填土厚度较厚，根据素填土层厚度与建筑物平面布置，采用分层强夯方案，自上而下分为二层，各层强夯要求如下：

1）底层强夯夯前场平标高整理为1968.85m，

填土层厚度4.0-5.6m，采用3000kN.m低能级半置换强夯地基处理方案，三遍成夯施工工艺，第一遍、第二遍为点夯，第三遍为满夯。点夯单击夯击能采用3000kN.m，第一遍点夯5m×5m正方形布点，第二遍点夯夯点布置在第一遍每四个呈方形布置的夯点中心处，第一遍夯点和第二遍夯点整体呈梅花形布置。第一遍主点夯夯击次数以最后两击平均夯沉量不大于5cm控制并不少于10击；当夯坑深度超过3.0m且起锤困难时，暂停夯击，用装载机将石料填入夯坑内，继续夯击，如此重复，直至最后两击平均夯沉量小于5cm同时夯坑深度小于2.5m时停止点夯作业。第二遍主点夯的夯击次数以最后两击平均夯沉量不大于5cm控制并不少于10击；当夯坑深度超过3.0m且起锤困难时，暂停夯击，用装载机将石料填入夯坑内，继续夯击，如此重复，直至最后两击平均夯沉量小于5cm同时夯坑深度小于2.5m时停止点夯作业，夯机移至下一个夯点施工。第三遍满夯单点夯击能采用1500kN.m，夯印搭接1/4布点，夯点击数3击。点夯处理深层地基，满夯处理浅层地基，最终有效加固处理深度≥4m。

2）顶层强夯夯前场平标高为1972.85m，填土

层厚度4.0m，夯击能、夯点布置、夯击遍数等均同底层强夯层，最终有效加固处理深度≥4m。

8#、11#、12#及周边场地底层、顶层夯点布置如下图3：

图3.全范围夯点布置图

（2）强夯挤密块石墩处理

强夯挤密块石墩作为地基二次加固，其技术要求及施工方案要求如下：

1)设计技术要求：

1.挤密块石墩墩位布置于框架柱及柱跨跨中，以8#栋为例，墩位布置如下图4：

图4.8栋挤密块石墩墩位布置图

2.强夯挤密块石墩处理深度应穿透回填土层，着底在底部老土层(进入原土层深度不小于1.0m)；

3.先成孔、后成墩；

4.成孔采用子弹形伸缩铸钢夯锤，直径1.35m，长度12～19m，夯锤重量22t（见下图5）冲击成孔，成孔深度7.5～10.0m成孔直径Φ不小于1500m；

   图5.子弹形冲孔夯锤及成孔情况

5.采用圆柱形平底锤成墩，平底锤直径1.25m，夯锤重量10t（见下图6~7），成墩直径不小于Φ1600mm，每次加料后夯击数8~10击，；

图6.墩体材料填筑             图7.平锤

6.墩体材料选用级配良好的碎石、块石、矿渣、建筑拉圾等硬质粗颗粒材料，如选用碎块石材料，填料级配应良好，最大粒径应不宜大于20cm，碎石（粒经2~20cm）的质量大于总质量的50％，粒径大于300mm的块石含量应小于30%。

2）施工方案

采用二遍成夯的强夯挤密块石桩地基处理施工工艺。

第一遍为强夯挤密块石墩，墩位布置在条基下，按照上述“设计技术要求”完成成孔后，进行成墩施工，成墩采用平锤分段填筑、分层夯实工艺，每次加料量不大于5立方米(自然方)，孔内填筑高度不超过2.5m，分层夯实击数8~10击，成墩长度1.5m，最后三击平均夯沉量小于100mm时停夯。成墩施工至地面以下1.5m处，停止施工，用填料填筑至孔口。

   第二遍为单点夯，单击夯击能采用2000kN.m，夯击次数以最后两击平均夯沉量不大于5cm控制并不少于5击，夯点布置在块石墩中心处。

（3）全范围强夯及强夯挤密块石墩处理的其余施工参数、要求及安全保障措施等可参《建筑地基处理技术规范JGJ 79-2012》第6.3章节要求。

6、检测要求

强夯地基处理施工过程中的质量监测尤为重要，必须认真检查施工过程中的各项测试数据和施工记录，不符合设计要求时应补夯或采取其他有效措施。本项目全范围强夯处理后地基需对承载力、均匀性进行检测，现分阶段介绍如下：

（1）承载力检测：采用静载荷试验，每组静力载荷试验分二处进行，第一处布置在点夯夯点中心点，采用直径2.5米圆形荷载板。第二处布置在夯点间，荷载板面积为2.0×2.0 m

2，根据静载荷试验确定加固土层的承载力。同样以8#栋为例底层、顶层的试验结果分别如下表3~4：

由表可知检测结果均满足要求。

（2）地基均匀性检测：采用瑞雷波试验，大面积测控地基的加固效果。本项目共布置瑞雷波探测点6个，每个探测点在强夯处理完成后检测一次。检测结论摘录如下：

1）本次6个瑞雷波检测点下深度0.0~8.0米范围内，瑞雷波速度在153.0~218.0米/秒之间，各测点相同深度处瑞雷波速差别绝大多数在5%以内，最大为9%，表明场地内经强夯处理后土层瑞雷波速比较均衡；

2）本次检测的6个测点0~20米深度等效瑞雷波速度在245~256.0米/秒范围。按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），填方地基强夯处理后达到了Ⅱ类场地要求，与原地质勘察报告相符。

本次检测的一个典型瑞雷面波记录如下图8：

图8.典型瑞雷面波记录

（3）前述各项检测的检测数量满足《建筑地基处理技术规范JGJ 79-2012》第6.3.14-3条规定。

（4）检测建议：由于本项目前期设计时地基承载力要求为180kpa，在全范围强夯处理后经静载荷试验检测地基承载力特征值已达200kpa，已经满足计算要求同时具备一定富裕度，经与建设方协商在进行强夯挤密墩处理后未再进行地基承载力检测。建议其他项目采用强夯挤密墩处理后再次对墩间土（当墩间土为粘性土或砂土时可采用标准灌入试验）及墩点位置进行静载荷试验，确定加固土层的承载力及建筑物范围内最终地基土层压缩模，根据该检测结果再次修正地基基础设计，可进一步节约基础造价。

7、沉降情况

8#、11#、12#栋主体已完工1年有余，依据第三方检测单位提供的沉降观测数据，各栋沉降最小、最大及沉降差统计如下表3：

8#、11#、12#栋沉降观测统计表3

由表可知各栋号沉降结果均较小，完全满足规范及使用要求，同时也证明了回填场地在常规全范围强夯处理后再辅助强夯挤密块石墩处理后，在确保场地承载力的条件下更可有效减少建筑物沉降，确保建筑安全。

8、结语

项目场地为岩溶场地并具有较高填方，加之场地基岩承载力较高，常规设计一般会采用旋挖嵌岩灌注桩，综合施工勘察费用，最终基础费用相对都会偏高，本项目采用了强夯挤密置换处理地基+条形基础，即取得了较好的经济效益，同时还尽可能避免了高填方区室外场地后期沉降差异造成道路、市政管网开裂、破坏的可能，希望能对各位同行有一定的借鉴作用。

【参考文献】

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 79-2012.建筑地基处理技术规范[S].北京 中国建筑工业出版社 2012.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].北京 中国建筑工业出版社 2011.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设

部.JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].北京 中国建筑工业出版社 2008.

作者信息：

一、李建功：云南营造工程设计集团有限公司，现有职称：高级工程师

邮箱：[e-mail]，

二、刘铸民：昆明经济技术开发区投资开发集团有限公司，

现有职称：高级工程师

邮箱[e-mail]

三、刘志鹏：西北综合勘察设计研究院云南分院，现有职称：高级工程师

邮箱：[e-mail]