地基处理的重要性及北京地区几种常用方法简介
地基处理的重要性及
北京地区几种常用方法简介　
何世鸣  　马立春  　郭党生　
（中非地质工程勘查研究院  北京，１００１０２）　
[关键词] 地基处理  CFG桩夯实水泥土桩桩基强夯振动沉管碎石桩振冲碎石桩水泥土搅拌桩换填法柱锤冲扩挤密碎石桩
[摘要] 本文介绍了地基处理的产生历史，阐述了地基处理的作用及意义，提出了北京地区的建筑地基类型及存在的问题，结合笔者多年经验详细介绍了北京地区常用的几种地基处理方法，尤其总结了前沿的新技术，对我们今后地基处理设计施工提供了有价值的启发和指导。
1 概述
万丈高楼平地起，其荷载最终将传递到地基上，由于上部结构材料强度很高，地基土相应的强度很低、压缩性较大，因此必须通过设置一定结构型式和尺寸的基础来解决这个矛盾。而基础具有承上启下的作用，它一方面处于上部结构的荷载及地基反力的共同作用下，另一方面基础底面的反力又作为地基上的
荷载，使地基产生应力和变形。基础设计时，除了需保证基础结构本身具有足够的刚度和强度外，同时还需选择合理的尺寸和布置方案，使地基的强度和沉降保持在规范的允许范围之内。因此，基础设计又常称为地基基础设计。到了二十世纪八十年代，地基与基础设计又出现了更专业化的分工。凡是基础直接建造在未经加固的天然地层上时，这种地基称之为天然地基。若天然地基相对软弱，则事先要经过人工处理后再建造基础者，这种地基称之为人工地基，而欧美国家称之谓“地基处理”（Soil Treatment）或“地基加固”（Soil Improvement）。
在1981年6月召开的第十届国际土力学及基础工程会议有46篇论文专门论述了“地基处理”技术，并成为大会12个重要议题之一；在1983年召开的第八届欧洲土力学及基础工程会议上所讨论的主题就是“地基处理”。我国于1983年召开的第四届全国土力学基础工程会议也将“地基处理”列为重要议题之一。1983年中国土木工程学会成立了“地基处理学术委员会”。1986年在上海召开了第一届全国地基处理学术讨论会。
2  地基处理的作用与意义
建筑物的地基问题，概括地讲，可包括以下四个方面：
（1）强度及稳定性问题当地基的抗剪强度不足以支承上部结构的自重及外荷载时，地基就会产生局部或整体剪切破坏。
（2）压缩及不均匀沉降问题当地基上部结构的自重及外荷载作用下产生过大的变形
时，会影响结构物的正常使用，特别是超过建筑物所能允许的不均匀沉降时，结构可能开裂破坏。沉降量较大时，不均匀沉降往往也较大。湿陷性黄土遇水而发生剧烈的变形也可包括在这类地基问题中。
（3）地震、机器以及车辆的振动、波浪作用和爆破等动力荷载可能引起地基土，特别是饱和无粘性土的液化、失稳和震陷等危害。
（4）地基渗漏量或水力比降超过允许值时，会发生水量损失，或因潜蚀和管涌而可能导致失事。
当建筑物的天然地基存在上述四类问题之一或其中几个时，即须采取地基处理措施以保证建筑物的安全与正常使用。有的可在上部结构上采取一些措施。地基与建筑物的关系极为密切。据调查统计，世界各国各种土木、水利、交通等类工程的事故中，地基问题常常是主要问题。
地基问题的处理恰当与否，关系到整个工程质量、投资和进度。因此其重要性已越来越多地被人们所认识。
武汉某高层建筑，为十八层全剪力墙结构，总建筑面积14600m2，高度56.6m，底板厚1.6m，采用桩筏基础，设计原埋深为5m，Φ480夯扩桩满堂布置，总桩数366根，主筋6Φ１６，持力层为粉细砂层，
桩长２０．５ｍ，有效桩长１５．５ｍ，混凝土强度等级为Ｃ３０，单桩承载力标准值为１０００ＫＮ。由于施工不当造成基桩歪斜，修改设计将地下室底板抬高２ｍ，埋深减为３ｍ，使先期打入的１９０根桩接桩２ｍ。检测发现基坑内歪桩１７２根，占总桩长的５１．２％，歪桩最大偏位达１．７０ｍ，通过抽取６３根工程桩进行动测，发现其中１３根桩为Ⅲ类桩，有４根为深层缺陷，９根为浅层机械开挖损伤。基坑开挖完毕，在未对大量歪桩作任何补强处理情况下，即进行底板浇注，并在半个月内完成地下室施工，不到四个月即主体结构封顶。结构封顶后三个月即将竣工时大楼突发倾斜，建筑物整体倾斜５１‰，上端水平位移２．８８４ｍ，重心偏移１．４４２ｍ，且倾斜难以控制。为保证大楼周边建筑物和住户人员安全，建筑单位不得不采取上部结构减层控爆拆除。该事故造成了重大的经济损失和不良社会效应。教训是极其深刻的。　
3  北京地区建筑地基类型及问题
    （１）软土地基。由于软土承载力低、压缩性高，有时多层建筑也要打桩，软土地基更重要的是变形问题，即使荷载不超过地基允许承载力，如果建筑物体形复杂、荷载不均匀，或地基土性变化较大，以及建筑物之间的距离较近，造成相邻基础应力叠加也会导致建筑物产生不均匀沉降或整体倾斜或房屋开裂。　
由于土的渗透系数较小，固结速率慢，如果施工速度过快，也可造成局部产生较大的塑性开展区，使建筑物产生不均匀沉降。在地震荷载或其他动荷载作用下会发生震陷。
（2）非均匀地基。系指主要持力层范围由多层土组成，各层土的坡度一般比较大。若采用天然地基可能引起地基不均匀下沉，导致建筑物倾斜或开裂。
（3）可液化地基。松散饱和的粉细砂、粉土，当埋藏不深时，在地震荷载或其他动荷载作用下，使孔隙水压力急剧上升，土的有效应力迅速降低使土体液化，地基发生喷砂冒水现象，
造成建筑物不均匀下沉或损坏。
（4）大面积人工填土地基。人工填土一般分为三类，即素填土、杂填土和冲填土。素填土是由碎石、砂土、粉土、粘性土组成的填土，其中含有少量杂质；杂填土是由建筑物垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物组成；冲填土则是由水力冲填泥砂形成的填土。
一般填土地基都要进行处理，特别是杂填土地基，由于生活垃圾和有机质的存在，腐烂后有沼气产生，对这样的填土地基，要消除过大沉降和不均匀沉降，又要消除沼气对人类的危害。
（5）山区地基。山区地基可分为下卧层基岩表面呈倾斜岩层地基；岩土交错地基；大块孤石地基和局部软弱地基。
山区地基的问题主要是滑坡，造成建筑物失稳和不均匀沉降致使房屋开裂或倾斜。
4  北京地区几种常用方法简介
目前北京地区常用的地基处理方法主要有：CFG桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基、桩基（灌注桩常用，预制桩已不常用）、强夯法、振动沉管碎石桩、振冲碎石桩、水泥土搅拌桩、换填法、柱锤冲扩挤密碎石桩。
（1）CFG桩复合地基。在碎石桩桩体材料中掺加适量石屑、粉煤灰和水泥加水拌和，制成一种粘结强度较高的桩体，称之为水泥粉煤灰碎石桩（Cement Fly-ash Gravel pile），简称为CFG桩。CFG桩、桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基。如果在材料中加入砂子，即成为素混凝土桩。
对基础形式而言，CFG桩适用于条形基础、独立基础，也可用于筏基和箱形基础。
就土性而言，CFG桩可用于处理粘性土、粉土、砂土和自重固结的素填土等地基。
目前在高层建筑中，例如望京小区、北苑小区等地上24～28层建筑中，采用CFG桩复合地基，为提高桩体材料的强度，一般均为素混凝土桩，能满足承载力要求并有效地控制沉降，且较桩基节省大量资金，因而CFG桩复合地基得到广泛应用。
高层建筑与裙房或纯地下车库相联又在同一个底板上时，为避免因荷载不同造成沉降差异，即可在建筑物下布CFG桩调节沉降差异而达到使其均匀沉降的目的。
为了更好地利用地基沉降规律节约造价，笔者又发明了CFG短桩复合地基技术（zl98125248.6），适
用于地层较为均匀且桩端有较好持力层的地基，先后在北京城建集团北苑住宅小区4-01、4-02、3-06、3-08、3-05、3-12、5-13均为地上24～26层住宅楼，总参北京地区退休干部住宅小区南1#、2#、南4#、5#楼均为地上28层住宅楼，房修大屯小区5#楼，地上20层，建国公寓A、B楼，地上22～24层等地区应用。
在某些地区既为了控制沉降差，同时又要节省投资。例如高层与纯地下车库同一块底板，可选用长短桩结合的方法进行处理（如CFG长桩与CFG短桩复合或CFG长桩与夯实水泥土桩复合），既发挥了长桩控制沉降的作用又充分发挥短桩利用好的持力层提高承载力的优势，做到安全可靠，节约投资。
也有采用CFG桩与碎石桩复合桩型进行地基处理的实例，目的是提高地基承载力控制
沉降又消除地层液化或同时对杂填土挤密提高承载力处理。
（2）夯实水泥土桩。是指在地面用工人洛阳铲或长螺旋钻机成孔，把土料筛过后与水泥拌合填入孔内，分层填分层夯，直至填到设计桩顶标高所形成的桩。夯实水泥土桩与桩间土共同作用即形成夯实水泥土桩复合地基。
夯实水泥土桩因其桩体材料强度限制，提高承载力有限，因此常用于多层建筑地基处理。例如北京大兴区南苑小区、旧宫小区等六层建筑多用夯实水泥土桩进行地基处理。跟石灰桩相比因其取代其中的石灰，使用更安全，应用也更广泛。
夯实水泥土桩适用于处理地下水位以上的粉土、素填土、杂填土、粘性土和淤泥质土等地基。人工洛阳铲成孔一般不超过6m。
（3）桩基。主要分为预制桩与灌注桩，预制桩由于施工时用锤击、振动法沉桩，造成振动、噪音，还由于其造价较高，因而在北京地区目前已少用。
钻孔灌注桩是利用钻机或人工挖成孔下钢筋笼后浇注混凝土形成的桩。
桩基础具有承载力高、沉降量小、适应持力层埋深变化大的优点，因此，被广泛用于各种建筑、构筑物中，如：
・荷重大、沉降限制严格的高大楼房、库房等建筑物及高架桥。　
・扰力大的动力设备基础，采用桩基可减小基础振幅，减少对周围环境影响。
・重大、精密（机械）仪器、设备基础常用桩基减少外界的影响，提高仪器设备精度。　
・严格控制倾斜的高耸构筑物等。
・地震区建筑物、构筑物用桩基减少震害。
・软土地区的大型厂房以及持力层埋深变化大的浅丘、山区等建筑物基础常采用桩基。
・水岸线以外的结构物，如码头、船台及船坞常用桩基。　
例如北京轻轨桥基、西直门交通枢纽工程、现代城、国贸大厦、财富中心等重大工程均采用桩基。　
值得一提的是不少工程桩基采用了后压浆技术，后压浆技术在我国已有十多年的历史，技术较为成熟，后压浆能提高承载力７０～１００％。例如西直门交通枢纽工程，因为采用了后压浆技术，将原设计桩长减短了近１／３，节约造价上千万，效益极为明显。　
旋挖钻机成孔因具有低噪音、低振动、成孔速度快、自带动力、无泥浆污染等特点，其应用日益广泛。　
近来有施工单位申请了长螺旋成孔、管内泵压混凝土后插钢筋笼成桩专利，包括笔者申请的专利，很好地解决了小直径长桩下钢筋笼难、灌注混凝土更难的难题，同时解决了泥浆污染、振动、噪音问题，施工速度快，易于实现文明施工，目前被广泛应用于基础桩、护坡桩、抗浮桩等。效果极为明显。　
（４）强夯法。强夯法是用重量８０～４００ＫＮ的重锤，落距６～４０ｍ冲击地基，使地基土振密和压密，以加固地基土，达到提高强度降低压缩性的目的。　
强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地
基。对于含水量过高的土夯实效果差，形成“橡皮土”，不宜使用。强夯法因其大的振动对周围环境的影响，不适于居住稠密区及周围有重要建筑设施的场地。　
强夯法以其适应土质广、效果好，不耗贵重材料甚至不耗材料、造价低、工期短的特点，成为我国地基处理的一项重要措施。　
例如北京地区回龙观轻轨站大坑回填即采用强夯法，边回填边夯实，回填量数十万方；再如北京大兴区化学危险品仓库基地为消除液化，提高承载力也采用了强夯，取得了好的效果。目前正在施工的首钢迁安基地强夯处理面积达百万平方米，均大大降低处理造价，取得好的经济效益和社会效益。
（5）振动沉管碎石桩。是采用振动沉管打桩机通过锤击、振动或静压将钢管沉入设计深度，将碎石通过料口灌入，边振动边拔出钢管而形成的碎石桩。
具有无泥浆污染、操作简单、造价低、施工速度快、能消除土层液化等特点。适用于粘性土、粉土、松散～中密砂土，但在厚度较大中密以上砂层中沉桩施工困难，同时由于其提高承载力有限，常用于多层建筑地基处理。例如：河北三河城建新村Ⅰ期工程56栋六层住宅楼全部采用振动沉管碎石桩进行地基处理，效果良好。再如昌平国家粮库地基处理也采用了振动沉管碎石桩。均有效地消除了地层液化，提高了承载力，满足了设计要求。
（6）振冲碎石桩。是采用起吊装置将振冲器吊起对准桩位，利用振冲器强烈水平振动和压力水冲将振冲器贯入到设计深度，使松砂地基加密，或在软弱土层中填入碎石形成碎石桩，由碎石桩和原地基土组成复合地基，从而提高地基强度。
对土层而言振冲碎石桩适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。特点是施工机具简单、操作方便、加固质量容易控制，施工速度快，加固时不需钢材、水泥，仅用碎石、卵石等当地材料，造价低，对砂层液化处理更有独到的优越性。但施工中排放污水、污泥量较大，在人口稠密区和没有排污场地时要受到限制。
目前有的施工单位将振冲碎石桩与强夯结合起来，较好地满足了承载力及消除液化要求，又大大降低了成本，是一种不错的方法，还有将振冲碎石桩与夯实水泥土桩结合使用的例子。类似的设计还有在铺设褥垫层时采用大吨位碾压机进行碾压，效果也很好。
例如北京通州区月亮河渡假村地基处理即采用了振冲碎石桩加强夯的办法，首钢回龙观钢结构厂房即采用了振冲碎石桩与大吨位碾压机相结合的方法。
北京地区目前常用的振冲器有30KW和75KW两种。
（7）水泥土搅拌桩。是利用深层搅拌钻机，将软土和水泥浆强制搅拌，利用水泥浆和软土之间的一系
列物理-化学反应，使软土硬结时具有整体性、稳定性和一定强度的改性水泥土桩，与软土一起形成复合地基。一般处理深度多在15米以内。
处理的土层适用于正常固结的淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土等地基。由于水泥土搅拌桩桩体材料限制，提高承载力有限，常用于多层建筑。用材料单一，施工简单，效率高，是一种好的地基处理措施。例如北京平谷区林荫家园十八栋六层住宅楼均采用水泥土搅拌桩进行处理，效率高，成本低，质量好，验收检测一次全部通过，建设方比较满意。
（8）换填法也称垫层法。是指把基础下一定深度的软弱（性质差）的土层换填成好的土层的方法。目前常用换填垫层有的土垫层、灰土垫层、砂垫层、碎石（卵石）垫层、粉煤灰垫层、高炉矿渣垫层等。只要化学成分稳定、易于压实，造价便宜的材料均可作为垫层材料。其实质是把基础下软弱的土层挖掉换填上物理力学性质好的材料，以减少建筑物的沉降，提高地基强度。多用于中小型建筑工程。例如浜、塘、沟等的局部处理，采用砂、碎石垫层较好，中小型工程大面积回填则用素土垫层较经济，灰土或二灰土垫层则适用于湿陷性土地基的处理。
夯实或压实机具可用人力夯、蛙式打夯机、推土机、压路机等。
铺筑垫层分层铺设要求铺设厚度为15～30cm，如深度不同时，基土面应挖成踏步或斜坡形；分段施工时，接头处做成斜坡，每层错开0.5～１ｍ；砂石垫层最大粒径不应大于５ｃｍ，碾压一般应为３～４
遍，冻结的天然砂石、土块不能使用。　
如望京小区某十四层楼，原设计为天然地基，开挖后发现有近三分之一基础下为黑淤泥质土，采用级配砂石进行换填节约了造价、抢了工期。　
（９）柱锤冲扩挤密碎石桩。是用起重机、步履式夯扩机或其他专用机具将重１．０～９．０ｔ，直径可为３２５ｍｍ、３７７ｍｍ和５００ｍｍ，长度２～６ｍ的钢锤或钢管内浇混凝土制成的锤提起，冲击成孔，然后分次填石料，边填料边夯实形成的桩，由碎石桩与周围土体共同形成复合地基。　
由于其具有冲击能量可控，具有很好的冲扩能力，尤其适用于地下有一定障碍物的杂填土地基，这是其他成孔方法所难以相比的，还可处理粉土、粘性土、素填土和黄土等地基。地基处理深度一般不宜大于１０ｍ，复合地基承载力特征值不宜超过１６０ＫＰａ，常用于多层建筑地基处理。由于其处理地下障碍物的能力及可替代便宜的材料，成本低廉，因而成为一种新型的好的处理措施。同时也由于其振动和噪音的影响，在人口稠密区及有重要建筑物或设施的环境下应用受限制。　
例如：北京望京地区中央工艺美院原为一垃圾坑，埋有大量的混凝土块，采用了该方法，克服了回转、振动、沉管等方法成孔的困难，又克服了不能使用强夯的限制，取得了好的效果。
[参考文献]
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