不均勻地基基礎(chǔ)設(shè)計選型
——以福州大學(xué)城某高校教學(xué)實驗樓為例

吳承志

(福建工程學(xué)院 福建福州 350001)

0 引言

建筑基礎(chǔ)是承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，并傳遞到地基中的重要受力構(gòu)件，是建筑物安全、穩(wěn)定的重要保證。建筑基礎(chǔ)占整個建筑物工程造價約10%～20%，對軟弱地質(zhì)條件下的多層建筑，建筑基礎(chǔ)造價占比可能更高。而從施工工期角度來看，建筑基礎(chǔ)工程所占的工期約占整個施工工期的20%～30%，有時，由于基礎(chǔ)的復(fù)雜性，基礎(chǔ)施工工期可達30%以上。可見，建筑基礎(chǔ)設(shè)計的選型不僅涉及建筑結(jié)構(gòu)的安全，也很大程度影響整個工程的造價和工期。因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，建筑基礎(chǔ)的設(shè)計選型尤為重要。

基于此，本文以福州大學(xué)城某高校教學(xué)實驗樓為工程案例，詳細分析不均勻地基基礎(chǔ)選型，為其它工程地基基礎(chǔ)選型優(yōu)化提供參考。

1 案例工程概況

1.1 建筑構(gòu)物概述

福州大學(xué)城某高校教學(xué)實驗樓位于福州市閩侯縣上街鎮(zhèn)。建筑占地面積6097.44 m2，總建筑面積26 794.7 m2，其中，地上建筑面積22 903.33 m2，東側(cè)布置一層地下室，建筑面積3909.61 m2，如圖1所示。

圖1 平面示意圖

建筑場地整平標(biāo)高8.950 m，設(shè)計±0.00相當(dāng)于絕對高程8.95，地下室埋深約5.1 m(高程3.85 m)。教學(xué)實驗樓主體為5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部為4層和1層，如圖2所示。

圖2 縱剖面示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

場地位于福州沖海積盆地西部，原始地貌屬剝蝕殘丘地貌單元。覆蓋土層主要由全新統(tǒng)至更新統(tǒng)的沖海積相及殘積土層組成，下伏燕山晚期侵入的細粒花崗巖，地層結(jié)構(gòu)較為簡單。自上而下依次為：①素填土、②粉質(zhì)粘土、②-1淤泥、③殘積粘性土、④全風(fēng)化花崗巖、⑤土狀強風(fēng)化花崗巖、⑥碎塊狀強風(fēng)化花崗巖、⑦中風(fēng)化花崗巖，如圖3所示。

圖3 典型地質(zhì)剖面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報告揭示，在②粉質(zhì)粘土、③殘積粘性土、④全風(fēng)化花崗巖和⑤土狀強風(fēng)化花崗巖層中，存在大量的球狀風(fēng)化核(孤石)，孤石的大小不一、埋深不一，密度差異較大(圖4),給樁基選型帶來很大困難。而場地西側(cè)則存在1m～13m厚的①素填土和②-1淤泥，無法滿足淺基礎(chǔ)的地基承載力和變形控制要求(地基土設(shè)計參數(shù)詳見表1)。

表1 地基土設(shè)計計算指標(biāo)

圖4 場地整平發(fā)現(xiàn)大量孤石

2 基礎(chǔ)設(shè)計選型分析

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，該場地淺層存在軟硬不一的淤泥、粉質(zhì)粘土和殘積粘性土，且在粉質(zhì)粘土、殘積粘性土層、全風(fēng)化花崗巖層和強風(fēng)化花崗巖層殘存大量孤石，給基礎(chǔ)選型增加不少難度。為此，進行了多方案分析。比選詳況如下。

2.1 淺基礎(chǔ)方案

根據(jù)建筑物特征，該建筑東側(cè)為5層建筑，且有一層地下室，因此基礎(chǔ)底板大部分落在殘積粘性土層，采用淺基礎(chǔ)具備條件。西側(cè)為1～5層建筑，下部為壓縮模量較小的素填土層和淤泥層，無地下室，通過沉降縫斷開，基本上可以滿足承載力要求。但因五層部分局部落在淤泥層上，使沉降不均勻性風(fēng)險加大。因此，不宜采用全淺基方案。

2.2 PHC預(yù)制樁方案

該方案施工工藝簡單、速度快，單樁承載力較高，為擠土樁，會產(chǎn)生擠土效應(yīng)。擬建建物筑物周邊環(huán)境相對簡單，但鉆孔揭示有埋深不一的孤石，且在場地整平過程中已發(fā)現(xiàn)大量孤石。對該地質(zhì)狀況，PHC管樁成樁過程極易出現(xiàn)斷樁、截樁等現(xiàn)象，成樁困難，影響樁基質(zhì)量。雖然可以通過成樁過程的補樁方法解決孤石問題，但會造成補樁費用增加和補樁困難。因此，該方案可行性較差。

2.3 沖孔灌注樁方案

該方案可以順利穿透上覆地基各土層，達到設(shè)計要求的碎塊狀強風(fēng)化花崗巖層少量擠土作用，但對施工技術(shù)要求較高，對泥漿護壁等工藝及樁端清孔要求嚴(yán)格，工期較長。對多層建筑，單樁最大荷載僅6000 kN，最小荷載僅1500 kN的柱網(wǎng)，而且相對造價較高，性價比不高。因此，大量的孤石會造成造價和工期的增加，在技術(shù)上雖然可行，但經(jīng)濟性不佳。

2.4 人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)方案

因局部地段存在淤泥，持力層碎塊狀強風(fēng)化花崗巖巖面埋深超過15m，按福建省關(guān)于人工挖孔樁相關(guān)規(guī)定禁止使用。地下室地段開挖后持力層巖面雖未超過15m，但勘察鉆孔揭示場地存在孤石，人工成孔也相對較困難。因此，該方案可行性較差。

2.5 沖孔灌注樁+淺基礎(chǔ)(片筏基礎(chǔ))方案

該方案結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)特點及不均勻地基條件，為充分發(fā)揮淺層較硬地層承載力，同時避免樁基穿透孤石的技術(shù)難度，將東側(cè)地下室部分采用片筏基礎(chǔ)。而西側(cè)因軟土和填土較厚，不適合采用淺基礎(chǔ)，則選擇沖孔灌注樁基礎(chǔ)。同時，結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)特點，在淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)交界區(qū)域，將上部結(jié)構(gòu)斷開，設(shè)置沉降縫，較好解決兩種基礎(chǔ)型式的差異沉降問題，減少樁基施工對孤石處理的不確定性問題，并在工期、造價等方面顯示其優(yōu)越性。

通過上述分析，對各方案技術(shù)、經(jīng)濟、安全、工期等進行定性、定量計算，匯總于表2，可以明顯顯示，選擇部分沖孔灌注樁+淺基礎(chǔ)組合方案，在各方面均表現(xiàn)較優(yōu)。故，該工程將其作為最后選擇方案。

表2 基礎(chǔ)選型技術(shù)與經(jīng)濟對比

3 基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 地下室區(qū)域

該工程G軸至X軸、16軸至48軸范圍內(nèi)下設(shè)一層地下室，地下室埋深約5 m(室內(nèi)正負零標(biāo)高起算)。地下室底板主要落于層②粉質(zhì)粘土、③殘積粘性土上(參照圖3 典型地質(zhì)剖面圖)，局部落于②-1淤泥(僅JK4鉆孔揭示，淤泥厚2 m)、⑤土狀強風(fēng)化花崗巖上(僅ZK16鉆孔揭示，土狀強風(fēng)化厚1.65 m)。因此，在地下室范圍可采用粉質(zhì)粘土或殘積粘性土作為天然地基持力層，筏板底部進入持力層不小于300 mm，荷載較集中的柱子部位采用墩基礎(chǔ)加強。在局部淤泥部位，采取挖除2 m左右淤泥，挖入③殘積粘性土下300 mm，然后采用級配砂石換填至底板標(biāo)高。這樣，在地下室區(qū)域內(nèi)(建筑平面示意圖1中A塊陰影區(qū)域)，就可以采用天然基礎(chǔ)進行設(shè)計。

3.2 地下室南側(cè)建筑

該工程A軸至G軸、16軸至48軸范圍內(nèi)(建筑平面示意圖1中B塊陰影區(qū)域)，地質(zhì)勘察報告未揭示軟弱土層，土質(zhì)狀況良好，則采用深埋片筏基礎(chǔ)(埋深與地下室底板標(biāo)高一致)，采用殘積粘性土作為天然地基持力層，筏板底部進入持力層不小于300 mm。這樣，整個東側(cè)區(qū)域土方可以大開挖，施工便捷。

3.3 擬建物西側(cè)采用樁基。

該工程即1軸至16軸范圍內(nèi)(建筑平面示意圖1中C塊區(qū)域)，根據(jù)該工程地質(zhì)勘察報告揭示，存在厚層軟弱土②-1淤泥(層厚0 m～4.6 m)，最大厚度達8.5 m，粉質(zhì)粘土或殘積粘性土埋深太深，不適合采用天然淺基。因此，選用⑥碎塊狀強風(fēng)化花崗巖或⑦中風(fēng)化花崗巖作為持力層的沖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑800/1000 mm，樁端進入持力層深度為1.0 m，預(yù)計樁長10 m～25 m。

3.4 擬建筑物東側(cè)采用沖灌注樁+天然淺基

考慮到擬建筑物東西側(cè)層數(shù)一致，荷載大致相當(dāng)，但西側(cè)采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，沉降少；東側(cè)采用天然淺基，沉降大，可能產(chǎn)生不均勻沉降；而且天然淺基中有地下室部位比無地下室部位的整體剛度較大，會產(chǎn)生沉降差。因此，采用不同基礎(chǔ)型式的建筑結(jié)構(gòu)之間設(shè)置沉降縫、地下室底板設(shè)置后澆帶等處理措施，則可以有效預(yù)防并減少不同基礎(chǔ)型式間的沉降差問題。

由于樁基和天然淺基可以分成兩個施工段同時施工，大大節(jié)約工期。結(jié)構(gòu)安全，經(jīng)濟適中，工期可控。綜合考慮了技術(shù)、質(zhì)量、安全、工期、造價等因素后，最終采用沖孔灌注樁+天然淺基方案。

經(jīng)采用PKPM軟件對淺基部分進行沉降計算分析(圖5)，該擬建物最大沉降量98 mm，最小沉降量3 mm(中間天井部分)，沉降差95 mm，但從建筑單體分析，沉降差約為40 mm～50 mm，基本滿足淺基礎(chǔ)沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 淺基礎(chǔ)沉降計算分析結(jié)果(單位:mm)

4 實施效果

基礎(chǔ)設(shè)計確定后，沖孔灌注樁和淺基礎(chǔ)同步開始施工。沖孔灌注樁施工實際歷時65 d；地下室土方開挖、地下室底板、片筏基礎(chǔ)施工實際歷時45 d；施工至±0.00(含整個基礎(chǔ)分部及地下室)總工期90 d。

樁基施工結(jié)束后，經(jīng)靜載檢測，均符合規(guī)范規(guī)定，在極限承載力作用下，沉降量分別為6.66 mm、7.54 mm、8.60 mm和7.43 mm。對淺基礎(chǔ)部分進行載荷板試驗，在設(shè)計荷載作用下，沉降量分別為5.70 mm、8.76 mm和8.50 mm，均滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

施工期間至工程結(jié)束一年時間，淺基礎(chǔ)部分日均沉降最大值0.04 mm，累計最大沉降量4.8 mm，比計算沉降量小得多。樁基部分日均沉降量最大值0.03 mm，累計最大沉降量3.8 mm。淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)沉降量比較接近。實測沉降觀測平面圖如圖6所示，沉降觀測曲線如圖7所示。

圖6 沉降監(jiān)測點平面示意圖

圖7 沉降觀測曲線

從造價角度分析，沖孔灌注樁因遇孤石處理，約增加 50萬元費用，其他造價基本在原來控制范圍。

5 結(jié)論

福州大學(xué)城某實際工程案例表明：對地勘報告的技術(shù)參數(shù)和建議進行有效分析，綜合考慮建筑物的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合不均勻地基條件，進行多個基礎(chǔ)方案選型比較，提出的經(jīng)濟、合理的筏板+沖孔灌注樁的基礎(chǔ)型式，既保證了工程質(zhì)量，又有效降低了工程成本，縮短工期，取得較好的綜合效益。

案例工程因地制宜，選用樁基+天然淺基的組合基礎(chǔ)形式，通過沉降縫斷開等技術(shù)措施，有效地控制了不均勻沉降，說明了采用組合基礎(chǔ)形式，只要設(shè)計技術(shù)措施得當(dāng)，也是可行。從沉降觀測結(jié)果來看，淺基和樁基兩部分的沉降差并不大，因此對多層建筑不設(shè)沉降縫處理，值得探討。

案例工程淺基礎(chǔ)設(shè)計，對局部柱下荷載較大區(qū)域采用墩基處理，有效地降低了筏板基礎(chǔ)的造價，是值得借鑒的方案。

從文中幾個方案比較中可以發(fā)現(xiàn)，對于富含孤石的地基采用各種樁型技術(shù)難度和造價都偏高，尤其對于多層建筑，應(yīng)優(yōu)先選擇淺基礎(chǔ)方案。