高压旋喷桩复合地基在世博项目中的应用.pdf

第32卷 增刊2 岩 土 工 程 学 报 Vol.32 Supp.2 2010 年 8 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Aug. 2010 高压旋喷桩复合地基在世博项目中的应用 陈国栋，梁永辉，詹金林 现代建筑设计集团上海申元岩土工程有限公司，上海 200040 摘 要结合世博民居文化区项目邻近建筑高填土工程，首先以 PHC 桩安全系数 K≥2 为控制条件，从填土厚度和填 土距离两方面通过 PLAXIS 有限元模拟确定填土地基处理范围；然后采用 PLAXIS 对高压旋喷注浆和土工格栅加筋碎 石垫层方案处理地基的效果进行分析，有限元分析结果表明 PHC 桩身的最大水平位移和最大弯矩均比地基处理前至少 减少 30；并通过对现场荷载试验、钻孔取芯和监测结果的综合分析，表明该地基处理方案具有较好的效果，值得在 实际工程中推广应用。 关键词高压旋喷注浆；土工格栅；被动桩；PLAXIS 有限元 中图分类号TU472 文献标识码A 文章编号1000–45482010S2–0414–04 作者简介 陈国栋1983– ， 男， 江苏南通人， 硕士， 主要从事地基处理、 地基基础设计、 环境岩土等方面工作。 E-mail guodong19。 Application of high-pressure jet grouting piles composite foundation in the Expo project CHEN Guo-dong, LIANG Yong-hui, ZHAN Jin-lin Shanghai Xiandai Architectural Design Group, Shen Yuan Geotechnical Co., Ltd, Shanghai 200040, China Abstract For the Expo residential and cultural area high fill project, based on finite element simulation using PLAXIS, firstly the scope of ground treatment in terms of fill thickness and distance are determined with safety factor of PHC K≥2 as control condition; then the effects of treatment by high pressure jet grouting and geogrid-gravel cushion are assessed. The simulation results show that the maximum horizontal displacement and bending moment of PHC pile are at least 30 less than untreated. Through comprehensive analysis of in-situ load test, core drilling and monitor results, it shows that the ground treatment is effective and worthy of wide application in practical engineering. Key words high pressure jet grouting; geogrid; passive pile; PLAXIS FEM 0 引 言 高压旋喷注浆具有加固体强度高、 加固质量均匀、 加固体形态可控、经济实用以及在施工过程中基本无 环境污染等优点，目前已经成为国内外工程界普遍接 受的地基处理方法[1]。高压喷射注浆是利用钻机把有 喷嘴管的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设 备使浆液或水成为 20 MPa 左右的高压流从喷嘴中喷 射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度向上提 升，使浆液与土粒强制搅拌混合。浆液凝固后，便在 土中形成一个固结体，从而提高地基承载力，改善地 基土变形性质的目的[2-3]。 1 工程概况 1.1 工程基本资料 世博民居文化区项目为上海世博会配套项目，项 目位于上海浦东新区三林楔形绿地南片结构规划区 域。 本项目中各建筑为地下 1 层， 地上 2～5 层不等结 构，基础采用 Ф600 的 PHC 桩基础，桩长 32～34 m。 根据规划设计要求，部分建筑物外围地面将回填 2.0～5.0 m 高的景观填土。 由于本场地地处黄浦江边， 场地部分区域曾经为垃圾填埋场，土质条件差。场地 地基土层构成见表 1。为保证建筑外侧填方产生的负 摩阻力及水平力不会对工程桩产生不利作用，须对填 方之下地基采取有效的地基处理措施[4-5]。 1.2 地基处理范围的确定 由于不同填土厚度及填土到建筑的不同距离对 PHC 桩的影响不同，因此地基处理范围的划分主要通 过填土厚度和填土到建筑的距离两方面来控制。 ─────── 收稿日期2010–04–20 增刊 2 陈国栋，等. 高压旋喷桩复合地基在世博项目中的应用 415 表 1 场地地基土层构成一览表 Table 1 List of soil layers 层号 土层名称 层厚/m 状态或密实度 ①A 杂填土 1.5～10.5 松散 ①B 素填土 1.3～4.5 松散 ②0 灰色黏质粉土 3.1～16.3 松散～稍密 ④1 灰色淤泥质黏土 1.0～9.6 流塑 ④2-1 灰色砂质粉土夹黏性土 0.8～5.0 稍密为主 ④2-2 灰色砂质粉土 1.8～5.7 中密为主 ⑤1 灰色粉质黏土 0.9～4.6 软塑 ⑤3 灰色粉质黏土 1.0～5.9 软塑 ⑤4 灰绿色粉质黏土 1.2～1.8 可塑 ⑥ 暗绿～草黄色粉质黏土 1.2～7.0 可塑 ⑦ 草黄色砂质粉土 未穿 中密～密实 PHC 桩的水平承载力较低，针对此工程而言，土 体较大的侧向变形可能导致 PHC 桩的剪断破坏， 而由 于 PHC 桩基设计时已充分考虑了负摩阻力的影响， 因 此本工程地基处理的重点是减小外围填土产生的对邻 近建筑外侧地基的侧向变形。我国工程部门对水平受 荷桩普遍采用的 m 法[6-7]，PHC 桩的相对刚度系数 T 为 444 5 5 6 0 3.8 10π600380 3 100.9600100064 EI T mb − − 4961 mm4.96 m。 PHC 桩入土深度 t 32 m444.9619.84 mLT≥。 根据港口工程桩基规范 （JTJ25498）中的相 关规定，本次PHC桩内力的计算应按弹性长桩计算。 由于计算弹性长桩需要考虑多种因素，解析或半解析 算法均十分复杂，而有限单元数值计算方法能考虑影 响桩基工作性能的众多因素，且具有一定的精度，因 此对PHC管桩的受力特性采用有限元数值计算方法。 桩身的最大水平位移和弯矩采用计算被动桩常用 的两阶段法[8]。将有限元计算出来的填土对建筑基础 下土体产生的附加应力等效至作用在桩身的外力， PHC桩与土体之间的作用采用水平受荷桩普遍采用 的m法。本工程中，地基处理区域主要是根据PHC 桩的安全系数K来确定（定义PHC桩的安全系数K 为 桩 身 极 限 弯 矩 与 计 算 最 大 弯 矩 的 比 值 ， 即 KMu/Mmax。本工程中建筑采用的PHC600（110）桩， 其极限弯矩Mu为332 kNm） 。如果K＜2，则认为基 础下PHC桩存在被剪断的危险， 该工况下填土地基需 要处理；如果K≥2，则认为填土对基础下PHC桩的 影响较小，PHC桩不存在被剪断的危险，该工况下填 土地基不需要处理。 （1）填土厚度 图1所示为紧邻建筑边缘不同厚度的填土对建筑 物地基变形的影响。可以看出邻近建筑边缘填土地基 最大沉降、建筑基础边缘下土体的最大水平位移都随 着填土厚度的增加而增加， 当填土厚度超过3.2 m时， PHC桩安全系数K＜2。因此可认为，当邻近建筑的 填土厚度H＞3.2 m， 土体产生的水平位移已经使PHC 桩存在被剪断的危险，该区域填土地基则需要进行地 基处理，来减小填土对PHC桩的不利影响。 图 1 填土厚度与邻近建筑物边缘填土地基变形关系 Fig. 1 Relationship between filling thickness and foundation deation of adjacent building （2）填土距离 图2所示为填土距离与邻近建筑物边缘填土地基 变形关系图，当5 m高的填土距离不小于30 m时，K ≥2，建议5 m填土的安全距离取为30 m，填土距离 小于30 m时，地基须采取相应的措施；当填土高度 为4 m时，K2这条限制线位于填土距离15～20 m 之间，建议4 m填土的安全距离取为20 m，填土距离 小于20 m时，地基须采取相应的措施。 1.3 工程措施 根据本场地工程地质情况，拟对填土区域局部增 强地基侧向刚度，地基处理方案见图3。 416 岩 土 工 程 学 报 2010 年 图 2 填土距离与邻近建筑物边缘填土地基变形关系 Fig. 2 Relationship between filling distance and foundation .deation of adjacent building 图 3 地基处理方案示意图 Fig. 3 Schematic diagram of ground treatment （1）3.2 m＜填土厚度H≤4.0 m，且填土距离小 于20 m时 沿建筑边缘布设2排Ф8002000旋喷桩， 桩长10 m，桩顶铺设40 cm土工格栅加筋碎石垫层。 （2）4.0 m＜填土厚度H≤5.0 m，且填土距离小 于30 m时 沿建筑边缘布设3排Ф8002000旋喷桩， 桩长10 m，桩顶铺设60 cm土工格栅加筋碎石垫层。 （3） 填土应严格控制填土速率， 分层缓慢进行堆 载。每层填土厚度不超过1 m，每层填土完成后应间 歇1周时间再进行下次填土。 2 地基处理效果有限元分析 在3.5，4，5 m厚度的填土作用下，利用PLAXIS 软件分别对地基处理前后的地基进行了数值模拟分 析。有限元模拟中，PHC桩和土工格栅分别采用 PLAXIS软件中Plate单元和Geogrid单元模拟。各土 层土工计算参数选用勘察报告中提供的建议值。不同 厚度的填土有限元计算结果汇总于表2。 从表2中可以看出，未处理地基在3.5～5.0 m厚 度填土的作用下，桩身最大水平位移7.1～10.6 mm， PHC桩安全系数K均小于2，基础下PHC桩存在被 剪断的危险；而地基在经过“高压旋喷注浆土工格 栅加筋碎石垫层”方案处理之后，桩身最大水平位移 4.8～6.4 mm，PHC桩安全系数K均不小于2， 基础下 土体最大水平位移和桩身最大弯矩均比地基处理前减 少30以上，可以看出采用“高压旋喷注浆土工格 栅加筋碎石垫层”地基处理方案处理世博民居文化区 填土地基的效果十分显著。 3 检测、监测结果 3.1 现场荷载试验结果及评价 为了检验单桩和复合地基的承载力和变形特性， 在旋喷桩施工结束28 d后进行了3组单桩荷载试验和 5组复合地基荷载试验。 单桩荷载试验采用Ф800圆形承压板，3组单桩 荷载试验的Q–S曲线如图4； 复合地基荷载试验承压 板尺寸为2.02.0 m2，5组复合地基荷载试验的p–S 曲线见如图5，加载量不小于200 kPa。由图4～5得 到，单桩竖向承载力特征值不小于190 kN，复合地基 承载力特征值不小于100 kPa，均满足设计要求。 3.2 钻孔取芯检验 13组钻取芯样的无侧限抗压强度试验的试验结 果显示，芯样的无侧限抗压强度值为1.5～6.0 MPa， 均满足设计要求的1.4 MPa。 3.3 监测结果 填土过程中建筑物边缘下土体水平位移的监测结 果显示，在填土后的3 d内，建筑物边缘下土体的水 平位移最大值均小于设计提供的水平位移监测报警值 3 mm/d，堆土3 d以后，建筑边缘下土体的水平位移 呈明显减小趋势。 表 2 高压旋喷注浆土工格栅加筋碎石垫层方案地基处理效果 Table 2 Effect of high pressure jet grouting and geogrid-gravel cushion ground treatment （1）未处理 （2）高压旋喷注浆土工格栅加筋碎石垫层 减少率比较/ 填土厚度 /m 桩身最大 水平位移/mm 桩身 最大弯矩/kNm PHC 桩 安全系数 K 桩身 最大水平位移 /mm 桩身 最大弯矩 /kNm PHC 桩 安全系数 K 桩身最大 水平位移 桩身最 大弯矩 3.5 7.1 170.0 1.9 4.8 115.5 2.9 32.4 32.4 4.0 8.2 192.0 1.7 5.7 133.5 2.5 30.5 30.5 5.0 10.6 247.1 1.3 6.4 147.8 2.2 39.6 40.2 增刊 2 陈国栋，等. 高压旋喷桩复合地基在世博项目中的应用 417 图 4 单桩荷载 Q–S 曲线 Fig. 4 Q–S curves of single pile 图 5 复合地基荷载试验 p–S 曲线 Fig. 5 p–S curves of composite foundation 4 结 语 （1）以PHC桩安全系数K≥2为控制条件，确定 本项目填土地基处理范围为①3.2 m＜填土厚度 H≤4.0 m，且填土距离小于20 m区域；②4.0 m＜填土 厚度H≤5.0 m，且填土距离小于30 m区域。 （2）PLAXIS有限元分析结果得出，“高压旋喷 注浆土工格栅加筋碎石垫层”处理后的填土地基， PHC桩桩身的最大水平位移和桩身最大弯矩均比地 基处理前至少减少30。 （3） 通过现场荷载试验结果， 单桩竖向承载力特 征值不小于190 kN，复合地基承载力特征值不小于 100 kPa，满足设计要求；通过钻孔取芯检验，旋喷桩 芯样的无侧限抗压强度均满足设计要求的1.4 MPa。 （4） “高压旋喷桩土工格栅加筋碎石垫层”方 案处理地基能有效地提高地基承载力，改善土体应力 环境，有效地减少土体变形。现场检测、监测结果表 明，世博民居文化区采用该地基处理方案是成功的。 参考文献 [1] 李小杰. 高压旋喷桩复合地基承载力与沉降计算方法分析 [J]. 岩土力学, 2004, 259 1499–1502. 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