高填土地區的樁基設計探討

【摘要】本文對某工程高填土地區的多種樁基選型進行分析與比較，重點闡述負摩阻力的不利影響及消除措施，選擇承載性能好的擴底嵌巖樁樁基方案，可為類似地基條件的工程提供參考。

【關鍵詞】高填土；負摩阻力；嵌巖樁

1、 工程概況

本工程為四川省某市社會福利院新建工程，場地毗鄰兩高速公路，交通便捷，總建筑面積3.3萬m2。本工程共由六棟單體組成，最高層層數為6層，房屋高度最高為22.2m。本工程結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為6度，抗震設防分類為乙類，場地類別Ⅲ類。50年重現期基本風壓W0=0.40kNm2；地基基礎的設計等級為乙級，建筑樁基設計等級為乙級。建筑布置如圖1所示。

2、 樁基選型對比及確定

2.1 場地地基條件

根據地勘報告，場地原始地貌類型屬于寬谷中丘區，現對場地進行了回填，地表覆蓋較厚的素填土層，地面標高在322.79～345.50m之間，相對高差約為22.71m。結構松散，系新近堆積，堆積時間約2年，整個場地均有分布，原場地為小山丘，故分布極為不均勻，層厚0.50～23.60m。下覆蓋巖層為砂巖和砂質泥巖。砂質泥巖為紫紅、紅棕色，泥質結構，強風化帶巖芯破碎，裂隙發育，層厚0.7～6.2m，屬極軟巖，中風化層巖石質量指標RQD=45～65%，巖體較完整，為較軟巖。砂巖主要由石英、長石、云母組成，細粒結構，薄～中厚層構造，泥質、鈣質膠結。強風化巖石裂隙發育，屬較軟巖；中風化巖石巖體較完整，呈柱狀～長柱狀，屬較硬巖。各土層的力學性質及剖面圖如圖2、3所示。

同時通過結構建模分析，3、4#樓最大柱跨達8.6m，底層單柱最大反力標準值為6000kN。

通過初步分析，該場地巖層起伏劇烈，坡度大于10%，場地內均有不等厚度的欠固結的素填土，最厚處達20m，上部結構傳遞荷載大，這些均為本工程樁基設計的難點。

2.2 基礎選型

第一層素填土成份復雜，結構松散，強度低，屬極不均勻的高壓縮性土，而框架結構屬于對沉降敏感結構，且下覆巖石層離上部結構有較大深度，故不能選用淺基礎。中風化的砂質泥巖或砂巖分布穩定連續，工程性質好，力學強度高，可以作為上部結構的樁基持力層。樁側土層主要為素填土以及強風化砂巖或砂質泥巖，素填土不能提供正向的摩阻力，而強風化巖層厚度分布不均，砂泥互層，局部孔位有缺失，故不能提供穩定的側摩阻力。樁基設計時應按端承樁考慮。

按樁基施工工藝分，可分為預制樁和灌注樁。灌注樁又分挖沉管灌注樁、挖孔灌注樁和鉆（沖）孔灌注樁。預制樁具有制作方便、成樁速度快、樁身質量易于控制且不存在泥漿排放問題等優點，但缺點是：施工有噪音、振動、擠土、樁抗剪強度較差、不能嵌巖、垂直度難以控制。本工程單柱豎向荷載大，如果不能嵌巖則單樁豎向承載力偏小，單柱下需要布置多樁來承擔上部荷載，樁基經濟性不好，且樁數過多帶來布樁困難，加大施工周期。中風化巖層上覆有強風化巖層，預制樁難以穿越到達中風化巖層，施工會產生大量截樁，樁長難以得到保證。灌注樁的優點是省去了預制樁的制作、運輸、吊裝和打入等工序，樁不承受這些過程中的彎折和錘擊應力，從而節省了鋼材和造價。同時它更能適應基巖起伏變化劇烈的地質條件。其缺點是成樁過程安全是在地下“隱蔽”完成，施工過程中的許多環節把握不當則會影響成樁質量。人工挖孔樁質量穩定可靠，可徹底清孔，孔底無沉渣，可直觀檢查持力層，單樁承載力較高，但場地內填方區回填土較厚，回填的砂巖、砂質泥巖碎塊雜亂，且回填過程中回填料未經碾壓、夯實，在人工挖孔的過程中容易引起孔壁坍塌等，安全隱患大，工期不好保障。鉆孔灌注樁成樁不受場地限制，可晝夜施工，施工速度較快；場地離城鎮較遠，施工中產生較的泥漿容易處理；機械施工，人員不用下到孔底，安全風險小；機械施工，提高勞動效率，施工成本相對較低。

綜上所述，對上述三種樁基類型，從安全、經濟、技術上、場地地層情況及成樁可能性方面考慮，采用鉆孔灌注樁為宜，樁端應全斷面嵌入巖體中一倍樁徑以上。

2.3 樁基負摩阻力原理及對策

本工程場地表層有3～20米不等的素填土，為高填方區。樁在穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結土、液化土層進入相對較硬土層時，當樁周土層產生的沉降超過基樁的沉降時，應計入樁側負摩阻力。可見，當樁側土體產生相對樁身向下的變形時，樁側就會產生負摩阻力。Fellenius（1971）曾指出，地面的十分小的下沉就能使樁基中產生的負摩阻力達到樁側摩阻最大理論值的很大部分。需要注意的是，負摩阻力不是樁承載力的一部分，而成為施加在樁上的外荷載。在樁基設計中如未考慮此部分荷載，則會增大沉降，影響建筑物的安全。樁基的負摩阻力如圖4所示。

按《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）計算負摩阻力。對于端承型基樁應考慮負摩阻力引起基樁的下拉荷載 ，可按下式驗算基樁承載力：

負摩阻力的計算是個較復雜的問題，其大小受樁側和樁底土層的強度、土的壓縮性、樁的類型、時間效應等諸多因素的影響，因此，一般只能采用簡化計算。大量試驗與工程實測結果表明，以負摩阻力有效應力法計算較接近實際。某層的樁側負摩阻力等于負摩阻力系數與該層土的平均豎向有效應力的乘積。即（式2）

目前，在工程上采取消減樁側負摩阻力的措施一般如下幾個方面：①端承樁法：使樁端支撐在巖層或堅硬土層上，一般增大樁截面，如擴底；②軟弱地基處理：在鉆孔灌注樁施工前，先對軟弱地基進行預壓、夯實或灌漿加固，減少固結引起的沉降；③地基浸水法；④涂層法；⑤分段施工法；⑥套管法。跟本工程的實際情況，可以采用方法①和②結合使用。

2.4 嵌巖樁計算與設計

中風化砂巖及砂質泥巖屬于完整、較完整的基巖，可以按嵌巖樁設計，充分發揮大直徑樁的豎向抗壓承載力。嵌巖樁嵌巖部分的嵌固力是嵌巖樁的承載力高于端承樁的主要原因。嵌入基巖部分的樁與基巖的相互作用比較復雜，嵌巖段的側摩阻力（嵌固力）與底部的端阻力發揮的過程是不同的。實測資料表明，當嵌巖深度為3倍樁徑時，樁的嵌固力與端阻力可以得到很好的配合，嵌固力占總承載力的60%以上，可以用最少的工程量獲得最佳的承載效果，因此稱為最佳嵌巖深度。同時也應注意到，本工程上覆土層為軟弱土層，所能提供的摩阻力可以偏小，樁的長徑比也較小，故樁的端阻力也發揮的舉足輕重的作用。

取某一典型孔為例，計算單樁負摩阻力產生的下拉荷載以及樁身承載力。樁身直徑Φ1000mm，擴底直徑為Φ1400mm，嵌巖深度3200mm；負摩阻力系數 =0.35，素填土厚度8m，強風化砂質泥巖厚度1m。持力層為基巖，中性點深度 = ，即中性點深度等于樁周素填土下限深度。

結語：

通過對本工程深厚填土產生的負摩阻力的分析和擴底嵌巖樁承載力的計算，表明必須考慮負摩阻力對樁基的不利影響，采用承載性能好的擴底嵌巖樁除了可以抵消負摩阻力外，還能有足夠余量承擔上部結構傳來的豎向荷載。綜上所述，高填土地區的地基設計復雜程度要高于一般地質條件的基礎設計。除設計外，在勘察、施工、檢測各個環節中均應把控質量、加強措施、提高要求，以保證基礎安全。

參考文獻：

[1]JGJ 94-2008 建筑樁基技術規范[S].

[2]張雁，劉金波.樁基手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3]林凡偉，祝紅山.樁基負摩阻力的設計探討[J].科技資訊，2015，（05）：66.