洛陽(yáng)廣廈·中州國(guó)際地基基礎(chǔ)方案決策

徐 將，李澤澤，曹 煒

(1．天津市地質(zhì)工程勘察院，天津300191;2．中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610081)

對(duì)巖土工程基礎(chǔ)處理，從巖土力學(xué)指標(biāo)方面分析有多個(gè)方案可供選擇時(shí)，方案選擇要從地基土層及安全適用、經(jīng)濟(jì)的角度等方面進(jìn)行綜合考慮，為設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料及建議。本文針對(duì)一個(gè)典型的工程場(chǎng)地地基土層情況，對(duì)其進(jìn)行地基處理、綜合設(shè)計(jì)與施工，較好地解決了實(shí)際問(wèn)題[1］。

1 工程及工程地質(zhì)概況

擬建洛陽(yáng)廣廈中州國(guó)際位于洛陽(yáng)市西工區(qū)，北臨中州中路，西鄰洛陽(yáng)市地稅局，向北與王城公園隔路相望。該高層住宅樓及裙房均近東西走向，長(zhǎng)117.68 m，寬19.74 m，地上31層，地下1層，剪力墻結(jié)構(gòu)，筏形基礎(chǔ)基底壓力450 kPa，地下室地面埋深－5.60 m，基礎(chǔ)埋深－7.50 m。商業(yè)用房方向長(zhǎng)119.48 m，兩端寬30.24 m，中部寬13.74 m，地上5層，局部4層，地下 1層，框架結(jié)構(gòu)，單柱豎向最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值3 600 kN。地下車庫(kù)室內(nèi)地面埋深－5.60 m。

該場(chǎng)地位于洛陽(yáng)盆地西端，所屬地貌單元為洛河二級(jí)階地。場(chǎng)地開(kāi)闊，地形平坦，根據(jù)地質(zhì)資料，不存在全新活動(dòng)斷裂、滑坡、崩塌、泥石流、震陷等不良地質(zhì)作用。場(chǎng)地地基土分布穩(wěn)定，除濕陷性黃土及填土外無(wú)其它特殊性巖土，適宜建筑。

抗震設(shè)防烈度為7度，抗震分組屬第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地特征周期值為0.35 s。場(chǎng)地土屬中軟土。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，為對(duì)建筑抗震不利地段。地基不存在地震液化土層。場(chǎng)地內(nèi)地下水位位于第⑧層土下部，地下水類型屬潛水，地下水穩(wěn)定水位埋深19.15～21.02 m，年變化幅度為3.0 m。該地下水、土對(duì)混凝土及對(duì)混凝土中的鋼筋不具腐蝕性。

采用室內(nèi)土工試驗(yàn)方法及超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，根據(jù)地層時(shí)代成因、巖土物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，確定地基承載力和變形參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地基土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)

2 地基基礎(chǔ)方案比選

擬建高層住宅樓地上高31層，地下1層，剪力墻結(jié)構(gòu)，筏形基礎(chǔ)基底壓力450 kPa，地下室地面埋深－5.60 m，基礎(chǔ)埋深－7.50 m;商業(yè)用房地上高5層，局部4層，地下1層，框架結(jié)構(gòu)，單柱豎向最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值3 600 kN。地下車庫(kù)室內(nèi)地面埋深－5.60 m。地基持力層為第3層黃土狀粉質(zhì)黏土。顯然該層土的承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行地基處理。針對(duì)場(chǎng)地地基土的巖土工程條件，并結(jié)合擬建建筑物的特征，可供選擇的方案有:(1)先用水泥粉煤灰碎石樁法(CFG樁)對(duì)地基進(jìn)行處理，再采用復(fù)合地基上的筏板基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì);(2)人工挖孔灌注樁樁基礎(chǔ);(3)樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)。

2.1 CFG樁+筏板基礎(chǔ)

2.1.1 CFG樁方案設(shè)計(jì)

水泥粉煤灰碎石樁簡(jiǎn)稱CFG樁，是在碎石樁的基礎(chǔ)上加進(jìn)一些石屑，粉煤灰和少量水泥，加水拌和制成的一種具有一定粘結(jié)強(qiáng)度的樁[2］。初步設(shè)計(jì)時(shí)，基底持力層為第3層土，以第6層卵石層為樁端持力層。樁徑400 mm，樁距1 600 mm，褥墊層厚度取300 mm。樁基設(shè)計(jì)參數(shù)可按表1取值，按式(1)估算CFG樁復(fù)合地基承載力特征值。

式中:fspk為復(fù)合地基承載力特征值(kPa);m為面積置換率，為0.0567;Ra為單樁豎向承載力特征值(kN);Ap為樁的截面積(m2);β為樁間土承載力折減系數(shù)，按0.85計(jì);fsk為處理后樁間土承載力特征值(kPa)，按天然地基承載力特征值計(jì)，取140 kPa。

其中:

式中:qpa、qsia為樁端端阻力、樁側(cè)阻力特征值(kPa);up為樁身周邊長(zhǎng)度(m);li為第i層土的厚度(m)。

將所得的Ra值及有關(guān)參數(shù)代入式(1)得:地基處理后，復(fù)合地基地基承載力特征值為498.7kPa。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79－2002)之規(guī)定，按下式對(duì)持力層進(jìn)行承載力深度修正:

式中:fa為修正后的地基承載力特征值;fak為地基承載力特征值;ηd為基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)，按1.0計(jì);γ為土的重度，按19.1kN/m3計(jì);d為基礎(chǔ)埋置深度，按1.9m計(jì)。

修正后的地基承載力特征值為525.4kPa，大于基底壓力450kPa，因此可采用水泥粉煤灰碎石樁法(CFG樁)處理后的復(fù)合地基上的筏板基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2CFG樁方案的評(píng)價(jià)

該場(chǎng)地位于市中心，施工對(duì)噪音和泥漿污染要求嚴(yán)格，因此施工時(shí)，用長(zhǎng)螺旋鉆鉆孔達(dá)到預(yù)定標(biāo)高，然后提升鉆桿，同時(shí)用高壓泵將樁體混合料通過(guò)高壓管路及長(zhǎng)螺旋鉆桿的內(nèi)管灌注到孔內(nèi)成樁。樁體施工應(yīng)采用隔行隔樁工藝，以避免對(duì)相鄰新灌入樁體造成縮徑和斷樁等質(zhì)量問(wèn)題。樁頂標(biāo)高以上應(yīng)設(shè)置50～70cm長(zhǎng)的保護(hù)樁長(zhǎng)，上部再用土封頂。

2.2 人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)

2.1.2 人工挖孔灌注樁方案設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)地土層的結(jié)構(gòu)特征，以第7層卵層為樁端持力層，樁端入第7層深度不小于1倍樁徑。地下水位位于第6層土下部，降低地下水位2.0～3.0m，采用干作業(yè)人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)干作業(yè)施工。建議采用大直徑擴(kuò)底樁基礎(chǔ)，假定樁頂埋深6.6m(自然地面算起)，樁徑1000mm，擴(kuò)底直徑2800m，樁入土23.5m(自然地面算起)，有效摩擦段長(zhǎng)12.0m。人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)樁周各層土的側(cè)阻力特征值qsia(kPa)及樁端土的端阻力特征值qpa(kPa)見(jiàn)表1。

單樁豎向承載力特征值按下式估算:

式中:ψp、ψsi為大直徑樁端阻、側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù);其余符號(hào)含義見(jiàn)2.1.1節(jié)CFG樁方案設(shè)計(jì)，則:

2.1.2 人工挖孔灌注樁方案評(píng)價(jià)

場(chǎng)地內(nèi)土層分布穩(wěn)定，土質(zhì)均勻，硬塑狀，稍濕－濕，含姜石，粒徑2～5cm。利用機(jī)械洛陽(yáng)鏟即可進(jìn)行樁基孔的施工，噪音小、無(wú)污染。地下水位位于第7層下部，干作業(yè)施工，需降低地下水位2～3m。干作業(yè)施工，孔內(nèi)明排降低地下水位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生管涌(俗稱流砂)，導(dǎo)致井壁砂層坍塌。針對(duì)場(chǎng)地土層巖性特征及施工要求，可用管井降低地下水位。

第6層土中分布有透鏡體狀中砂、粗砂及細(xì)砂，最大厚度2.1m。對(duì)擴(kuò)大頭段擴(kuò)底斜面的施工，遇砂層易坍塌，還應(yīng)對(duì)砂層和含砂量高的粉土層進(jìn)行支護(hù)。

2.3 樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)

該高層建筑采用天然地基不能滿足地基承載力設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)，即采用筏板和樁基礎(chǔ)共同承擔(dān)上部荷載的基礎(chǔ)形式。采用樁筏基礎(chǔ)可以有效減少筏板底部的壓力，且能夠減少地基的不均勻沉降。樁的存在，對(duì)減少筏基的沉降有明顯的效果，并使高層建筑的整體橫向傾斜減少。

2.3.1 地基承載力計(jì)算

設(shè)計(jì)樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)的筏板以第2層土為持力層，地下室地面埋深5.6m，基礎(chǔ)埋深7.5m。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，按下式對(duì)地基進(jìn)行承載力深寬修正[3］:

式中:fa為修正后的地基承載力特征值;fak為地基承載力特征值，取140kPa;ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)，分別取0.2和1.25;γ為基礎(chǔ)底面下土的重度，按18.1kN/m3計(jì);γm為礎(chǔ)底面以上土的重度，按18.5kN/m3計(jì);b為基礎(chǔ)寬度(筏板寬度20.0m)，按6m計(jì);d為基礎(chǔ)埋置深度，取1.9m計(jì)。則:

顯然不滿足地基承載力要求?？梢钥紤]筏板基礎(chǔ)下面設(shè)置樁基礎(chǔ)。

2.3.2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

樁基礎(chǔ)可采用長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑400mm，以第7層卵層為樁端持力層，樁端入第7層深度不小于1倍樁徑。長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁側(cè)阻力特征值、樁端端阻力特征值建議采用如表1。

單樁豎向承載力特征值按2.1.1中式(2)進(jìn)行估算，即:

式中各字母含義同前，則:

2.3.3 樁筏基礎(chǔ)方案評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)鉆孔鉆進(jìn)情況以及洛陽(yáng)地區(qū)樁基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)，采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔。該鉆機(jī)具有鉆進(jìn)、沖擊、磨碎巖石等功能，鉆進(jìn)速度快，能夠消除孤石等障礙物。最大優(yōu)點(diǎn)在于能進(jìn)入巖層，樁身剛度大、承載力高且樁身變形小。鉆進(jìn)卵石層一倍樁徑，采用管內(nèi)泵壓混合料灌注、后插筋工藝，該方法施工質(zhì)量高，施工速度快，樁底沉渣較少。長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁施工應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，保證樁身垂直，樁端進(jìn)入持力層深度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。第7層卵石層面埋深深淺不一，施工中應(yīng)根據(jù)各樁所在位置的具體地層情況確定樁長(zhǎng)。

3 結(jié)論及啟示

由于該工程位于市中心，周圍建筑密集，地下管線復(fù)雜，對(duì)沉降控制比較嚴(yán)格。CFG樁+筏板基礎(chǔ)雖然可以滿足地基及基礎(chǔ)承載力要求;但由于地下水位較淺，且水位年變化幅度較大，對(duì)于建筑物建成之后沉降控制有不利影響。人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)持力層位于地下水位以下，應(yīng)采用管井降低地下水位，另外人工挖孔灌注樁施工，必須采取可靠的護(hù)壁措施，否則會(huì)威脅施工人員人身安全。最后綜合考慮建議是該大廈宜采用樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)。

通過(guò)該工程地基基礎(chǔ)方案的選擇可以看出，要想做好設(shè)計(jì)，一是要深刻了解場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件(即認(rèn)真研究工程地質(zhì)報(bào)告);二是需要進(jìn)行多方案的比較，綜合施工以及其他因素，選擇一種合理的方案才能完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

[1]齊迪，陳劍平．通遼電廠地基處理方案決策[J］．巖土力學(xué)，2003(10):86－88

[2]葉書(shū)麟，葉觀寶，地基處理與托換技術(shù)[M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006

[3]GB50007－2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S］

[4]JGJ94－94建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S］

[5]孫文懷．基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)與地基處理[M］．北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，1999