沉管碎石桩复合地基处理及深基坑支护技术在南疆地区应用研究

1 工程概况

第一师阿拉尔市2022年公共租赁住房建设项目位于阿拉尔市塔里木大道和胜利大道之间，南口路东侧，阿拉尔福泉人家小区的北侧；项目总用地面积16 797.44 m²，总建筑面积为25 846.01 m²，地上11层，带地下1层车库。本场地形属于塔里木盆地西北部，地貌属于塔里木河冲洪积平原，拟建场地地势平坦，土层地质主要是杂填土和粉质粘土等。场地地层自上而下分述如下。

填土层：层厚0.5~1.2 m，平均层厚在0.6 m，以建筑垃圾为主，局部杂填土厚度较大。粉砂层：层顶埋深0.5~1.2 m，矿物成分以长石、石英、云母等为主，该层呈透镜体呈片层状分布，不连续，局部缺失。粉砂层：层顶埋深0.7~2.5 m，松散–中密，层厚0.2~0.4m，级配不良，矿物成分以长石、石英、云母等为主，厚度较大。场地标准冻土层厚度0.8 m，场地地下水静水位埋深在自然地面以下3.9~4.5 m，基础埋深范围内存在地下水，对钢筋混凝土具有中等腐蚀性。

2 施工方案

2.1 基坑支护

基坑采用“放坡+土钉墙挂网喷浆”支护形式，土层分层开挖，每层不大于3 m。基坑一级坡按照1∶0.7放坡开挖，在–3.0 m处放台，放台宽度为1m。土钉外径48 mm，壁厚约3 mm。同时铺设直径2 mm的钢筋网片。基坑土钉水平间距为1.5 m，自上而下竖向间距为1.5 m和3.0 m。自上而下土钉长度为6.0 m。面板采用M5砂浆，喷射法作业，厚度50~80 mm。

本项目采用水泥砂浆注浆，水泥浆具体参数：水灰比0.4~0.45，灰砂比0.5~1.0。拌和用砂采用中粗砂，含泥量不大于3 %。注浆压力为0.3~0.6 MPa。

2.2 沉管碎石桩复合地基处理方案

拟建场地土地基承载力f_ak=110 kPa，因场地土层承载力无法满足设计对承载力的需求。根据结构设计要求，建（构）筑物地基处理要达到以下处理目标：处理后地基承载力特征值f_spk>180 kPa。项目比选了多种地基处理和加固方案，综合考量南疆地区地质条件、技术成效、经济效益和施工难度，最终确定采用沉管碎石桩复合地基处理方案。

图1为碎石桩平面布置示意，图2为桩剖面示意。设计碎石桩桩径500 mm，有效桩长8.0 m，虚桩长约1.2 m（1号、2号、4号、8号）。碎石桩布置在筏形基础边线外2.8 m范围内，以等边三角形形式布置，间距1.40 m。碎石桩体材料填充为含泥量小于5 %的卵石和碎石等，其最大粒径不大于50 mm。桩与基础之间设置厚度为300 mm的褥垫层，其材料采用粒径小于30 mm的天然级配碎石和砂石等。褥垫层宽度超出基础处理范围外边线0.30 m，褥垫层碾压夯实。

图1 碎石桩平面布置示意

图2 桩剖面示意

2.3 动静力计算

2.3.1 静力计算

静力计算依托盈建科基础设计软件验算，计算结果显示，桩承载力、地基承载力、地基沉降和基础抗浮稳定等均符合设计要求。

2.3.2 动力计算

二维计算模型由地基土、桩结构两部分组成，如图3所示。采用时域一维杆方法求解地震波斜入射下成层自由场动力反应，进而基于二维有限元程序、粘弹性人工边界条件、地震输入方法，建立了开放地基条件下地震动斜入射时二维系统动力反应分析时域整体模型，计算结果满足工程设计要求。

图3 计算模型示意

（1）控制方程。桩和水平成层半空间（土、岩）均假定为线弹性单相固体介质。

（2）边界条件。考虑固体远场的波辐射效应，引入了固体介质的粘弹性吸收边界。

（3）地震作用。当震源相对较浅或多介质场地距离震中适度远时，地震作用应该看作平面体波倾斜入射或面波入射，场地地震反应分析归结为平面体波倾斜或面波入射下成层半空间中的波动传播问题。本研究地震作用采用平面P和SV波形式从半空间无限远处向场地右上方倾斜入射，在具体程序实现方面，先进行自由场动力响应计算，通过斯涅尔定律，可以得到二维场地边界的动力响应，进而转化为地震等效荷载，然后嵌入近场有限元模型，即可计算出整体模型动力响应。选用如图4所示的Kobe实测地震记录，截取前20 s为计算时长，采用的时间步长为0.002 s。

图4 Kobe地震记录

3 施工技术措施

3.1 基坑开挖及支护技术

基坑采用放坡+土钉墙进行支护，土层分层开挖，每层不大于3.0 m；以1∶0.75放坡，在–3.0 m处设置放坡平台，平台宽度1.0 m；基坑支护面板主筋用三级钢筋，50 mm×50 mm的钢筋网片。边坡土钉水平间距1.5 m，竖向间距自上而下1.5 m、3.0 m；土钉长6.0 m，面板采用M5砂浆，喷射法作业，厚度80 mm。

（1）挂网施工。首层边坡开挖完成后进行坡面钢筋挂网施工，网片连接方式采用搭接，搭接长度200 mm，坡顶处网片上翻1.5 m，然后用钢筋插入土层固定，钢筋插入土层深度1 m。

（2）土钉施工。土钉采用外径48 mm，壁厚不小于3 mm钢管制作，土钉上钻注浆孔，孔间距0.3~0.5m，呈梅花形；采用机械打入边坡，土钉打入土中角度为15°~20°，角度允许偏差± 5°。

（3）面板筋施工。边坡挂网和土钉施作完成后进行面板筋施工，面筋采用钢筋，将土钉水平、竖向进行焊接连接。

（4）注浆。采用水泥浆注浆，水灰比取0.5~0.55，水泥采用32.5的普通硅酸盐水泥。注浆压力0.3~0.6 MPa，压力注浆时在钻孔口部设置止浆塞，注浆饱满后应保持压力3~5 min，在初凝前需补浆2~3次。

（5）喷浆。1）水泥采用32.5的普通硅酸盐水泥，干净的中砂、石粉。2）喷射混凝土配合比通过试验确定，粗骨料最大粒径小于12 mm。3）提前清理受喷面，预设喷射混凝土厚度标志，确保厚度均匀符合设计要求，同时确保钢筋网片喷浆后不外露，喷射作业分区分段进行，由左及右，自上而下。

3.2 沉管碎石桩施工

（1）施工放样、布设点位。根据施工图纸布设桩位，定位偏差在± 50 mm内。

（2）振动沉管。开启振动锤，将桩管下到设计深度，每下沉0.5 m留振30 s。

（3）碎石填料。达到设计深度后，稍提升桩管使桩尖打开，将碎石由加料口注入桩管内。

（4）施工顺序。为保证质量和进度，采用跳打形式并由外及内进行，相邻桩采用跳跃间打。

3.3 边坡稳定安全措施

（1）及时组织地面及基坑排水，避免水的存在影响土体有效应力和抗剪强度，进而造成边坡塌方。

（2）边坡开挖采取分区分段自上而下依次进行，优化施工工艺，避免坡体失稳。

3.4 基坑降水措施

基坑降水采用管井井点降水，降水井距基坑边1 m位置，单口井深25 m。首层边坡支护完成，进行降水施工；降水至基底以下0.7 m，开始下层土方开挖。

4 结束语

本研究从工程实际出发，立足南疆地区地质特征，因地制宜优选地基处理和深基坑支护方案，依托盈建科基础设计软件静力计算，地基承载力、抗浮稳定性等指标均满足要求，引入粘弹性人工边界利用有限元方法进行动力计算，验算SV波和P波倾斜入射时的地震反应，充分论证方案的可行性，并简要阐述现场管理的具体技术措施。