山地深挖填建筑場地地基基礎處理案例分析

田雙

上海都市建筑設計有限公司 上海 200092

前言

隨著我國經濟的發展，中國迎來全面建設小康社會的歷史機遇期。中西部地區的發展迅速，然而中西部地區由于地理條件的限制，許多中小城市及郊區地處山區，有的城區及周邊高差還特別大，有的達20～300米，這無疑為城市擴容，基礎建設帶來挑戰。許多建筑項目面臨場地開挖平整，有的場地半挖半填，有的場地全部是回填，由于地形的高差，由于平整場地原有的高差，有的回填達10～50米深，這為工程建設特別是地基處理及基礎設計帶來極大的挑戰。由于回填幾個月項目就要開工建設，不能等幾年幾十年地基固結后再開工，作者結合自己的實際項目經驗，采用強夯及CFG樁的相結合的技術方法，成功的設計處理了幾個項目，供同行參閱交流，為山區類似項目建設積累經濟，服務國家的經濟建設。

1 項目概況

新建恩施州出入境檢驗檢疫局綜合實驗大樓項目位于湖北省恩施市金龍大道西側。該項目由上海都市建筑設計有限公司設計。建筑物概況表如下：

表1 建筑物概況表

該項目含一層地下室，層高為3.3米，地下室底標高為457.0米，而場地室外地坪標高為458.8米，即地下室嵌入土層深度僅為1.8米，位于室外地坪標高以上為1.5米。建筑物工程重要性等級為二級，場地等級為三級，地基等級為二級。巖土工程勘察等級為乙級。

2 場區地理位置、地形地貌

新建恩施州出入境檢驗檢疫局綜合實驗大樓場區位于恩施市城區，金龍大道一側，交通極為方便。

場區所處區域地貌為構造、剝蝕低山丘陵；原始微地貌為山間沖溝及斜坡地段，沖溝為西北—東南走向，建筑物布置大致與沖溝斜交，溝底標高約為442.3米，寬約15.0米，西南側以及東北側均以陡坡接低矮山脊，坡角20～50°之間；原始地面標高約在442.3～453.0米之間，現場區經過高挖低填整平后，場區平坦、開闊，周邊40.0米范圍內無邊坡、臨空面等，現場區地面標高大致為458.8米。

根據野外鉆探結果分析，擬建場地在勘察深度范圍內可劃分為以下3層：①人工填土Q4ml，②強風化泥質粉砂巖K，③中風化泥質粉砂巖K。

根據該項目建筑物的結構特點及場地地質條件，本著“安全、可行、經濟合理、技術先進、確保質量”的原則，我們建議該項目建筑物的基礎形式可采用樁基礎的基礎形式。

表2 樁基設計參數建議值表

3 基礎設計方案

根據地勘報告：本地區常采用的樁基類型有人工挖孔樁和機械鉆孔灌注樁，由于樁基成孔大部分均在15.0米以上，且上覆土層為人工填土，填土土質狀態松散，根據相關文件的規定，從安全施工角度考慮，不宜采用人工挖孔樁。據場區地層情況，地勘建議如下：該項目擬建建筑物采用機械鉆孔灌注樁。采用機械鉆孔灌注樁有以下優點：①擬建場地交通極為方便，場地平坦、開闊，便于機械的進場，具備機械鉆孔灌注樁施工條件；②采用機械鉆孔灌注樁，所需勞動力資源較少，施工速度快，施工工期較短；③擬建場地離城區相對較遠，為新開發地段，周邊無居民，施工時噪音對周邊環境基本無干擾。不足之處在于：①采用機械鉆孔灌注樁，施工時產生的泥漿會對周邊道路有一定的輕微污染，若泥漿經泥漿池沉淀后排放，可減輕對環境的污染；②采用機械鉆孔灌注樁，樁身質量與施工單位技術、管理素質有很大關系，不方便對樁端持力層進行檢查，由于填土厚度較大，建議施工前應進行試鉆，有必要時采用護壁措施。

綜上所述：采用機械鉆孔有較好的施工場地，本地區在該類地層有較好的成孔經驗，成孔對周圍環境基本無污染，我們建議本項目擬建建筑物采用機械鉆孔灌注樁。

單樁豎向承載力特征值估算

根據擬建建筑物及地基特點，根據《建筑地基基礎技術規范》DB42/242--2003第10.3.3-2條，單樁豎向承載力特征值按:Ra=qpaAp+up∑qsiali估算，嵌巖深度取2倍樁徑，其單樁豎向承載力特征值估算結果見表3：

表3 單樁豎向承載力特征值估算表（地勘報告）

說明：①未考慮樁側摩阻力，以8#鉆孔深度20.3m進行估算。②本單樁豎向承載力特征值僅做參考，實際單樁豎向承載力特征值應通過試樁的現場靜載荷試驗確定。（以上為直接引用地勘報告的描述）

考慮到當地的設備技術能力，選用1000mm及12000mm直徑的鉆孔灌注樁比較可行：

計算結果如下：

不計負摩阻加擴底5#孔樁1.0m樁徑 1595 2154 2113 2672 6#孔樁1.0樁徑 1476 2041 1994 2559 7#孔樁1.0樁徑 1510 2060 2028 2578 8#孔樁1.0樁徑 1407 1984 1925 2503 5#孔樁1.2樁徑 2113 2672 2726 3284 6#孔樁1.2樁徑 1994 2559 2706 3171 7#孔樁1.2樁徑 2028 2578 2641 3190 8#孔樁1.2樁徑 1925 2503 2537 3115計負摩阻 不計負摩阻 計負摩阻加擴底

通計算比較說明如下幾點：

（1）對于新回填未固結的建筑場地，由于回填厚度深，3～50米不等，給基礎設計帶來很大的難度，基本上只能考慮機械樁基礎。

（2）回填土負摩阻很大，對樁基影響很大，與不計負摩阻時樁基承載能力相差35%。

（3）由于回填土負摩阻很大，增大樁徑對提高樁基承載能力效果不明明顯，性價比不高，樁徑由1.0m提升到1.2m，工程量增大了1.44倍，由表中可以看，樁的承載力并沒有同比例增加，約為1.36倍。

（4）擴底對于樁基承載能力提升非常明顯，擴底半徑增大20%，工程量增3.4%，但是樁基承載能力提升40%，但是由于樁端持力層為中風化泥巖，加之樁長為20多米，施工難度極大，幾乎沒有可操作性。

結合地質報告，選定了1.0m的鉆孔灌注樁作為設計工程樁基方案，設計特征值取值2250KN,結構計算柱底最大值為10196.80KN需布樁5樁，邊跨最大柱底特征值1669.80KN,布置三樁（考慮砼外墻荷載），樁基及承臺布置如下：

此基礎設計完成后，經過甲方聘請的造價咨詢公司計算，基礎造價需要850萬元，這個結果是甲方始料未及的，我方有所預料，但也不知會這么高的基礎代價。剛好本項目相隔不到300m就有一個相類似項目已在施工，基礎造價900萬，說明我們的設計本身是沒有問題的。

4 基礎優化設計

受甲方委托與要求，我方對原基礎方案進行優化，并進行必要的經濟性測算，并與地勘單位進行協商，同時也與施工圖圖紙審查機構進行溝通，與相關的施工方進行技術協調，得到了相關部門的支持！

由于場地的是新近開山回填的紅砂粉質巖，遇水浸泡就化為泥，深度為3～20m。回填土以下就是原始地形的山坡地表，也是典型的恩施丹霞地貌。地表為強風化泥質砂巖厚3～6m左右，再下一層為中風化泥質紅砂巖。由此可見回填土以下的地質結構簡單，巖土力學性能良好，無不良地質結構及地質災害的隱患，回填土石的原料全是就近挖山回填的泥質紅砂巖。改變回填土的力學性能，減小回填土的壓縮模量，提高回填土的密實度，提高其承載能力，減少場地的沉降量，是我們設計工程師需要考慮的本項目地基基礎處理的核心問題。經過認真分析，我方提出了如下的地基處理方及基礎設計方案：

（1）采用強夯處理，選30Tx20m夯擊能錘，其沖擊波影響深度為5～10m，設計采用滿夯，三遍，強夯后地基承載力要求達到150KPa。

（2）強夯后，再采用CFG樁對地基進行加固，形成復合地基，由于上部結構是高層建筑，中部柱下最大軸壓力為10196.80Kn，將CFG樁改進為C30砼，樁徑500mm,形成素混凝土樁復合地基，素混凝土樁端進入③層中風化泥質粉砂巖為樁基持力層，這樣可以提高單樁承載能力，同時，由于上部的回填土厚度大，可以用③中風化泥質粉砂巖為樁基持力層固定樁端，防止場地滑移，更好的保證場地的安全性，防止地質災害的發生。為了節省造價，經過經濟性對比，放棄了原來場地整體滿布的方案，采用柱下獨立基礎下局部地基加固布樁。這樣可以做到更加經濟。見基礎平面布置圖如下圖：

地基經強夯處理后，極大了改變了回填土的力學性能，具有一定的承載能力，設計要求達150Kpa,施工后來的現場原位實驗達160Kpa，也驗證了設計切實可行。

由于強夯改變了土體的力學性能，再做素混凝土樁時，原來的回填土對樁的負摩阻力-10KPa就不復存在，由于強夯地基土的變形及力學性能，短期內難以穩定，很難判定其準確的力學性能，根據筆者工程經驗，考慮其對樁的正摩阻是可行了，建議處取值1-5Kpa正摩阻,預估對于素混凝土樁的單樁承載力，本項目由此計算單樁承載能力特征估為531Kn。

單樁承載能力特征值算例如下：

土層號 厚度(m) 側阻(qsik)端阻(qpk) 直徑(m)側阻力 端載力 樁承載力1 18.4 1 0 0.5 57.8 0.0 58 2 1.9 30 0 0.5 179.0 0.0 179 3 0 100 1500 0.5 0.0 294.4 294樁長 20.3 承載力 531

主樓地質勘探孔各孔對應的樁的承載能力標準值如下：

1#:726Kn，2#:653Kn，3#:760Kn，4#:628Kn，5#:1013Kn，6#:586Kn，7#:604Kn，8#:531Kn，9#:667Kn，10#:678Kn，11#:557Kn，12#:558Kn，由于場地的地勢起伏變化，最小值為531Kn，最大值為1013Kn，500mm樁直徑對應的C30混凝土樁抗壓承載能力：Q==0.7Acfc=0.7x3.14x250x250x14.3/1000=1964Kn

本項目實際取值為300Kn（實際偏于保守），樁間距為1500mm。

置換率為：m=3.14Ac/A=3.14x250x250/(1500x1500)x100%=8.7%

復合地基承載能力值fspk計算：fspk=mRa/Ap+β(1-m)fak=0.087x300(3.14x0.25x0.25)+0.9x(1-0.087)x150=256KPa

復合地基加回的地基承載能特征值取255KPa。

5 基礎設計

經加固后復合地基特征值取255KPa取值，本項目中柱最大柱底標準值為10196.80KN，故本項目地基加固后可以采用柱下獨立基礎，本項目帶有地下室，地下室采用300mm厚防水板，防水板不考慮受力,配筋力構造Φ10@1150雙層雙向，樁頂上基礎下采用500mm中粗級配砂作為褥墊層。

獨立基礎布置平面圖如下：

本優化后的地基基礎設計，經第三方造價機構核算，造價經為約500萬元，相對于原基礎設計方案，節省了約350萬的建設資金，相當于節省了41%的基礎造價，本基礎設計方案得到了業主建設方的認可，也得到了審圖部門的認可，順利通過了施工圖審查。

本項目于2017年底交付使用，經4年多的觀測，本項目最大沉降量為5.13mm，最小沉降為4.10mm，沉降差為1.03mm，均滿足國家現行設計規范要求。地基處理后地基及素混凝土樁的承載能力檢測，均達到設計要求，強夯后場地承載能力特征值為160KPa。由此可見，本次地基基礎設計完全科學合理，為此類地基基礎處理積累了成功的寶貴經驗。

6 項目設計小結

（1）作者近幾年做了武陵山區（恩施及湘西）多個山地項目的設計，由于山區平地少，開挖及回填形成的建筑場地非常普遍，相對而言武陵山區的經濟發展目前相對落后，建設資金有限，處理好山地項目的基礎設計，可以節省大量的資金，為當地經濟發展做貢獻。

（2）本項目所在地區的對此類項目的傳統做學法是人工挖孔樁、機械鉆孔樁，但是從本項的分析進看，類似項目不宜采用人工挖孔樁，松散的回填土不適合人工護壁施工，施工安全隱患巨大。機械鉆孔樁由于場地有很厚的回填土層，由于回填土層成在較大的負摩阻，機械樁承載能力大大下降，約降低35%左右。

（3）強夯與CFG樁的組合運用，有效了改善了回填土的力學性能，通過作者近幾年的經驗，強夯處理后，可以有效消除樁基負摩阻，摩阻力可以取1～5Kpa。對于低層建筑，或有可能采用地基處理后的淺基礎，如獨立基礎、條形基礎或筏板基礎，不必要采用樁基礎，大大的節省工程造價，且施工周期縮短1～2個月。

（4）CFG樁基礎，將樁端進入強風化層、中風化層，可以有效改變持力層起伏變化地基基礎的沉降差，本項目的最終沉降量為6mm以內，沉降差為2mm以內，效果很好。

（5）本項目成功經驗的推廣，對于推動當地的經濟建設具有極大的價值，可以每年為當地的經濟建設節約數億乃至數百億的資金。例如受本項的影響，當地某煙草廠房直接采用強夯處理后淺基礎，地當某汽車城項目，回填土厚度為0-30m的低層建筑，強夯后采用了淺基礎，節約了大量的工程資金。

（6）對于強夯后的場地土的回彈、強夯后的CFG樁復合地基的變形及力學性能等有待進一步研究。

以上為作者對于山地深挖深回填建筑場地地基基礎處理的設計心得體會并加提煉總結，供同行及相關專業的專家學者學生交流探討，不妥之處，還望讀者指正為謝。

參考資料

本項目地勘報告，《建筑地基基礎設計手冊》。