欠固結(jié)地基樁基工程設(shè)計優(yōu)選

戚健鋒

(上海電力建筑工程有限公司，上海 200437)

1 概述

隨著工程建設(shè)的不斷發(fā)展，城市密集程度越來越高，用地越來越緊張，城市建筑追求外觀造型導(dǎo)致整樓偏心等問題，使得特殊土的工程地質(zhì)特性突顯。原本承載力較好的場地，由于上部荷載較大，荷載分布不均，導(dǎo)致差異沉降和工后沉降都明顯增大。同時，由于未來周邊建設(shè)的情況不明，淺基礎(chǔ)極容易受到鄰近工程建設(shè)的影響，深基礎(chǔ)特別是樁基礎(chǔ)不僅在軟土地基受到青睞，在卵石、風化巖等硬質(zhì)地基也應(yīng)用越來越廣泛。本文針對在表層欠固結(jié)土的地基上，建造4棟高層建筑的基礎(chǔ)工程進行樁基優(yōu)選。

2 待建工程場地工程適宜性評價

2.1 地基土的工程特性

擬建場地地基土由素填土①、粉質(zhì)粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰?guī)r⑤、強風化凝灰?guī)r⑥1、強風化凝灰?guī)r⑥2、中風化凝灰?guī)r⑦組成。

素填土①：勘察期間回填整平(堆填時間不足1年)，尚未完成自重固結(jié)，欠壓實，土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏密不均，局部地段有揭露，厚度為0.40～2.50，變化較大，其工程地質(zhì)性能差。

粉質(zhì)粘土②：可塑～硬塑狀，該層力學強度一般，場地內(nèi)分布較均勻，厚度為4.20 m～12.00 m，承載力特征值fak=160 kPa，其工程地質(zhì)性能一般。

中砂③：松散～中密，局部鉆孔有揭露，厚度為0.50 m～6.90 m，承載力特征值fak=160 kPa，屬可液化砂土，其工程地質(zhì)性能差。

卵石④：松散～密實，厚度為1.30 m～9.90 m，變化較大，局部地段缺失，力學強度較高，承載力特征值fak=280 kPa，其工程地質(zhì)性能較好。

全風化凝灰?guī)r⑤：該層力學強度較高，變化較大，局部地段有揭露，厚度為1.00 m～3.30 m，未發(fā)現(xiàn)有碎巖體及軟弱夾層等，承載力特征值fak=350 kPa，工程地質(zhì)性能較好。

強風化凝灰?guī)r⑥1：該層力學強度較高，承載力特征值fak=450 kPa，穩(wěn)定性較好，厚度為0.70 m～9.40 m，層面較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有碎巖體及軟弱夾層等，工程地質(zhì)性能較好。

強風化凝灰?guī)r⑥2：該層力學強度較高，承載力特征值fak=1 000 kPa，穩(wěn)定性較好，厚度為0.50 m～17.70 m，層面起伏較大，工程地質(zhì)性能較好。

中風化凝灰?guī)r⑦：力學強度高，承載力特征值fak=3 000 kPa，分布較穩(wěn)定，但層面起伏較大，工程地質(zhì)性能好。

2.2 特殊土地質(zhì)條件評價

擬建場地分布各種特殊性土：雜填土及不同程度風化的花崗巖。

素填土①回填時未專門壓實處理，其密實度和均勻性較差，屬欠固結(jié)土，基槽開挖時應(yīng)做好支護和護坡，采用樁基時應(yīng)考慮負摩阻力影響；工程施工時，應(yīng)對場地內(nèi)填土進行夯實，以避免產(chǎn)生填土的“濕陷”及密實沉降問題。

不同程度風化的凝灰?guī)r具有遇水容易軟化而降低強度或產(chǎn)生崩塌失穩(wěn)，強度降低的特點，基礎(chǔ)施工宜避開雨季，同時做好排水、疏干工作。

凝灰?guī)r的風化均勻性差，較無規(guī)律，容易形成球狀風化的殘留體(孤石)。本次勘察僅在31號孔中揭露到風化殘留體(孤石)，但不排除在鉆孔之間還有孤石存在的可能；樁基施工時應(yīng)加強持力層檢驗判別。

2.3 地基穩(wěn)定性與均勻性評價

擬建場地地勢相對開闊，不存在滑坡、崩塌及泥石流等影響場地地基穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，據(jù)地面調(diào)查及鉆探結(jié)果顯示，場地內(nèi)及附近未發(fā)現(xiàn)其他人為地下工程及大面積開采地下水的活動，不會產(chǎn)生地面塌陷；未發(fā)現(xiàn)有隱伏的河道、溝浜、防空洞等對工程不利的地下埋藏物或構(gòu)筑物。對于擬作樁端持力層強風化凝灰?guī)r⑥、中風化凝灰?guī)r⑦及其影響深度范圍內(nèi)3倍樁身直徑或5 m深度范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有地下洞穴、臨空面、破碎巖體及軟弱夾層等對工程不利的地下埋藏物，地基穩(wěn)定性較好。

依據(jù)鉆探資料分析，擬建場地內(nèi)素填土①力學性能均勻性差，未完成自重固結(jié)，地基土均勻性差；粉質(zhì)粘土②分布較均勻，厚度變化較大，地基土均勻性一般；中砂③分布不均勻，地基土均勻性差；卵石④層位穩(wěn)定性一般，厚度變化較大，地基土均勻性一般；下伏全風化凝灰?guī)r⑤、強風化凝灰?guī)r⑥、中風化凝灰?guī)r⑦層位分布相對穩(wěn)定，但風化不均勻，且各風化帶基巖自身的力學性質(zhì)也因風化和裂隙發(fā)育程度不同而有所差異，綜合評價擬建場地地基均勻性差。

3 樁基方案比選

3.1 基礎(chǔ)工程概況

擬建建筑物共4棟，其中1號～4號樓主樓為32層，采用框剪結(jié)構(gòu)、單柱最大荷載為12 000 kN，設(shè)計地坪高程(±0.00)為52.30 m～53.70 m，室外地面高程為51.70 m～53.10 m，地下室承臺底標高47.50 m，基坑開挖后，基坑底部出露的巖土層為粉質(zhì)粘土②，其承載力特征值fak=160 kPa，承載力無法滿足單柱荷載要求，下伏土層為可液化砂層中砂③及卵石④，故擬建物采用天然地基淺基礎(chǔ)條件差，主樓需采用樁基礎(chǔ)。裙樓為1層～2層，均采用框架結(jié)構(gòu)、柱最大荷載為2 000 kN，裙樓設(shè)計地坪高程(±0.00)為52.10 m～53.70 m，室外地面高程51.30 m～53.10 m，純地下室設(shè)置1層，框剪結(jié)構(gòu)，單柱最大荷載為1 500 kN，地下室承臺底標高為47.50 m，基坑開挖后，基坑底部粉質(zhì)粘土②直接出露，擬建物具備采用天然地基淺基礎(chǔ)條件，擬建物若采用天然地基淺基礎(chǔ)，地下室應(yīng)考慮抗浮作用，應(yīng)設(shè)置抗浮樁；根據(jù)場地施工條件，結(jié)合經(jīng)濟費用，擬建裙樓及純地下室基礎(chǔ)形式也采用樁基礎(chǔ)。

3.2 樁基設(shè)計方案比選

根據(jù)場地條件，上覆欠固結(jié)填土，下為不均勻強風化巖的特性，對預(yù)制樁、沖、鉆孔灌注樁、人工挖孔灌注樁進行可行性分析。

3.2.1預(yù)制樁

擬建1號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為4.29 m～7.74 m(層頂標高為39.76 m～43.21 m)，強風化凝灰?guī)r⑥1埋藏深度為11.34 m～14.23 m(層頂標高為33.27 m～36.16 m)；局部地段強風化凝灰?guī)r⑥1缺失，卵石④以下直接揭露到強風化凝灰?guī)r⑥2；樁型若選擇預(yù)制樁，以卵石④作為樁端持力層；樁長難以滿足規(guī)范及設(shè)計要求；若持力層選擇在強風化凝灰?guī)r⑥1、強風化凝灰?guī)r⑥2，樁身穿越巖土層為粉質(zhì)粘土②、卵石④，其卵石④為松散～密實，樁身穿越卵石④難度較大，若選擇預(yù)制樁，樁基施工時應(yīng)采用預(yù)鉆孔再沉樁方式進行施工，確保樁長滿足規(guī)范及設(shè)計要求。擬建2號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為5.87 m～9.47 m(層頂標高為38.03 m～41.63 m)，強風化凝灰?guī)r⑥1埋藏深度為10.15 m～12.94 m(層頂標高為34.56 m～37.35 m)；局部地段卵石④缺失，樁型若選擇預(yù)制樁，以卵石④或強風化凝灰?guī)r⑥1作為樁端持力層；樁身穿越巖土層為粉質(zhì)粘土②、中砂③，樁身穿越各巖土層難度不大。若持力層選擇在強風化凝灰?guī)r⑥1，樁身穿越巖土層為粉質(zhì)粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰?guī)r⑤，其卵石④為松散～密實，樁身穿越卵石④難度較大，若選擇預(yù)制樁，樁基施工時應(yīng)采用預(yù)鉆孔再沉樁方式進行施工，確保樁長滿足規(guī)范及設(shè)計要求。擬建3號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為4.72 m～5.97 m(層頂標高為41.53 m～42.78 m)，強風化凝灰?guī)r⑥1埋藏深度為9.42 m～12.18 m(層頂標高為35.32 m～38.08 m)；擬建4號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為6.97 m～9.40 m(層頂標高為38.10 m～40.53 m)，強風化凝灰?guī)r⑥1埋藏深度為11.36 m～14.07 m(層頂標高為33.43 m～36.14 m)，該兩處塔樓下的樁型若選擇預(yù)制樁，以卵石④作為樁端持力層；樁長難以滿足規(guī)范及設(shè)計要求；若持力層選擇在強風化凝灰?guī)r⑥1，樁身穿越巖土層為粉質(zhì)粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰?guī)r⑤，其卵石④為松散～密實，樁身穿越卵石④難度較大，樁基施工時應(yīng)采用預(yù)鉆孔再沉樁方式進行施工。

綜上所述，若采用預(yù)制樁，1號、2號樓及裙樓以卵石④作為樁端持力層；局部地段持力層埋藏深度較淺，可結(jié)合預(yù)鉆孔再沉樁方式進行施工。為確保樁長滿足規(guī)范及設(shè)計要求，3號、4號樓需以強風化凝灰?guī)r⑥1作為樁端持力層，樁基施工時應(yīng)采用預(yù)鉆孔再沉樁方式進行施工。

3.2.2沖、鉆孔灌注樁

擬建物地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，強風化凝灰?guī)r⑥1埋藏深度為7.65 m～14.51 m(層頂標高為32.99 m～39.85 m)；或強風化凝灰?guī)r⑥2埋藏深度為7.82 m～18.65 m(層頂標高為28.85 m～39.68 m)；中風化凝灰?guī)r⑦埋藏深度為9.59 m～29.97 m(層頂標高為17.53 m～37.91 m)；如選擇沖、鉆孔灌注樁，建議1號～5號 樓主樓以中風化凝灰?guī)r⑦作為樁端持力層；裙樓及純地下室以強風化凝灰?guī)r⑥2或中風化凝灰?guī)r⑦作為樁端持力層；該種樁型穿透力強，穩(wěn)定性較好，單樁承載力高，但施工工期偏長，造價偏高。

3.2.3人工挖孔灌注樁

擬建物樁型若選擇人工挖孔灌注樁，以強風化凝灰?guī)r⑥1作為樁端持力層，場地內(nèi)分布有強透水層(中砂③、卵石④)，且強風化凝灰?guī)r⑥1埋藏深度超過15 m，按建設(shè)主管部門的相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定禁止采用人工挖孔灌注樁。

綜上所述：在樁型選擇上擬建1號～4號樓主樓、裙樓及純地下室可采用預(yù)制樁或沖(鉆)孔灌注樁，但是由于場地土顆粒較粗、樁端入巖，預(yù)制樁打入困難，仍需先沖、鉆孔再下放預(yù)制樁。

3.3 樁基施工方案比選

3.3.1預(yù)制樁

擬建物樁型若采用預(yù)制樁，場地四周距離已有建筑物較遠，沉樁方式采用錘擊或靜壓均可，考慮到卵石③厚度為1.30 m～9.90 m，建議采用錘擊式預(yù)應(yīng)力管樁進行施工，但應(yīng)作好樁基施工的作業(yè)時間，以避免噪聲對周邊村民及環(huán)境的不利影響。施工時以壓樁力或貫入度并結(jié)合標高控制樁長。以強風化凝灰?guī)r⑥1作為樁端持力層；樁端穿越的土層為粉質(zhì)粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰?guī)r⑤，建議采用具有較大壓樁力的機械或大噸位樁錘，樁若較難壓(打)進時，不可強加壓(打)力，以免樁身爆裂，應(yīng)采用加焊樁尖及預(yù)鉆孔沉樁等輔助措施，樁端進入持力層的深度均應(yīng)以壓樁力或貫入度控制為主，標高控制為輔。

3.3.2沖、鉆孔灌注樁

擬建物樁型若采用沖、鉆孔灌注樁，該樁型穿透能力強，可穿填石、孤石進入穩(wěn)定巖層。場地內(nèi)傾斜陡變的巖面容易使樁基產(chǎn)生偏移、斜樁。因此建議樁基施工時在巖面坡度大于10%的部位布置超前鉆孔進行施工勘察，以加強樁端持力層的識別。樁身穿越的土層，對基樁施工影響較小，但應(yīng)防止中砂③、卵石④在沉樁過程中出現(xiàn)塌孔問題，故應(yīng)做好孔壁泥漿支護工作，該樁型存在的問題是施工質(zhì)量較難控制，常出現(xiàn)樁端沉渣，厚度較大等施工質(zhì)量影響樁基承載力；建議選擇施工經(jīng)驗豐富、管理先進的施工隊伍，并采用樁端壓力注漿工藝；為減少樁端沉渣，建議采用反循環(huán)清渣施工工藝，保證沉渣厚度小于5 cm，同時應(yīng)強化檢測手段。在施工時，應(yīng)嚴格控制合理的泥漿配比，以免產(chǎn)生斷樁、離析、樁底沉渣等問題，在主要含水層地段應(yīng)合理調(diào)整泥漿配合比，確保樁基質(zhì)量。

3.4 樁基方案的經(jīng)濟性比選

按省標DBJ 13—07—2006建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范第9.2.4式，估算預(yù)制樁、沖(鉆)孔灌注樁單樁豎向承載力見表1。

表1 單樁豎向承載力特征值估算表

通過單樁承載力估算，可以得出預(yù)制樁和灌注樁(持力層分別選擇⑥2或⑦層)單位體積的承載力特征值，見表2。

表2 不同樁型的單樁單位體積承載力特征值

由此可見，灌注樁盡管樁長長，直徑大，但是承載力發(fā)揮效力更大，單位混凝土用量的灌注樁經(jīng)濟性更好。

4 結(jié)語

考慮經(jīng)濟性和施工適宜性，采用沖(鉆)孔灌注樁具有更好的場地適宜性，技術(shù)方案可行，施工難度較小，對比同體積混凝土預(yù)制樁具有較高的承載力發(fā)揮效力，經(jīng)濟性更好。由此得出，選擇沖(鉆)孔灌注樁作為基礎(chǔ)工程設(shè)計方案，1號～4號樓主樓以中風化凝灰?guī)r⑦作為樁端持力層；裙樓及純地下室以強風化凝灰?guī)r⑥2作為樁端持力層。