高填土地區(qū)的樁基設(shè)計(jì)探討

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

【關(guān)鍵詞】高填土；負(fù)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(shù)為6層，房屋高度最高為22.2m。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防分類為乙類，場地類別Ⅲ類。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓W0=0.40kNm2；地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級為乙級，建筑樁基設(shè)計(jì)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(jù)地勘報告，場地原始地貌類型屬于寬谷中丘區(qū)，現(xiàn)對場地進(jìn)行了回填，地表覆蓋較厚的素填土層，地面標(biāo)高在322.79～345.50m之間，相對高差約為22.71m。結(jié)構(gòu)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(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖為紫紅、紅棕色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化帶巖芯破碎，裂隙發(fā)育，層厚0.7～6.2m，屬極軟巖，中風(fēng)化層巖石質(zhì)量指標(biāo)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(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄～中厚層構(gòu)造，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)。強(qiáng)風(fēng)化巖石裂隙發(fā)育，屬較軟巖；中風(fēng)化巖石巖體較完整，呈柱狀～長柱狀，屬較硬巖。各土層的力學(xué)性質(zhì)及剖面圖如圖2、3所示。

同時通過結(jié)構(gòu)建模分析，3、4#樓最大柱跨達(dá)8.6m，底層單柱最大反力標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)均有不等厚度的欠固結(jié)的素填土，最厚處達(dá)20m，上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載大，這些均為本工程樁基設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2.2 基礎(chǔ)選型

第一層素填土成份復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，屬極不均勻的高壓縮性土，而框架結(jié)構(gòu)屬于對沉降敏感結(jié)構(gòu)，且下覆巖石層離上部結(jié)構(gòu)有較大深度，故不能選用淺基礎(chǔ)。中風(fēng)化的砂質(zhì)泥巖或砂巖分布穩(wěn)定連續(xù)，工程性質(zhì)好，力學(xué)強(qiáng)度高，可以作為上部結(jié)構(gòu)的樁基持力層。樁側(cè)土層主要為素填土以及強(qiáng)風(fēng)化砂巖或砂質(zhì)泥巖，素填土不能提供正向的摩阻力，而強(qiáng)風(fēng)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(wěn)定的側(cè)摩阻力。樁基設(shè)計(jì)時應(yīng)按端承樁考慮。

按樁基施工工藝分，可分為預(yù)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(yù)制樁具有制作方便、成樁速度快、樁身質(zhì)量易于控制且不存在泥漿排放問題等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是：施工有噪音、振動、擠土、樁抗剪強(qiáng)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(dān)上部荷載，樁基經(jīng)濟(jì)性不好，且樁數(shù)過多帶來布樁困難，加大施工周期。中風(fēng)化巖層上覆有強(qiáng)風(fēng)化巖層，預(yù)制樁難以穿越到達(dá)中風(fēng)化巖層，施工會產(chǎn)生大量截樁，樁長難以得到保證。灌注樁的優(yōu)點(diǎn)是省去了預(yù)制樁的制作、運(yùn)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(yīng)力，從而節(jié)省了鋼材和造價。同時它更能適應(yīng)基巖起伏變化劇烈的地質(zhì)條件。其缺點(diǎn)是成樁過程安全是在地下“隱蔽”完成，施工過程中的許多環(huán)節(jié)把握不當(dāng)則會影響成樁質(zhì)量。人工挖孔樁質(zhì)量穩(wěn)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(nèi)填方區(qū)回填土較厚，回填的砂巖、砂質(zhì)泥巖碎塊雜亂，且回填過程中回填料未經(jīng)碾壓、夯實(shí)，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(zhèn)較遠(yuǎn)，施工中產(chǎn)生較的泥漿容易處理；機(jī)械施工，人員不用下到孔底，安全風(fēng)險小；機(jī)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(jīng)濟(jì)、技術(shù)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(yīng)全斷面嵌入巖體中一倍樁徑以上。

2.3 樁基負(fù)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(qū)。樁在穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結(jié)土、液化土層進(jìn)入相對較硬土層時，當(dāng)樁周土層產(chǎn)生的沉降超過基樁的沉降時，應(yīng)計(jì)入樁側(cè)負(fù)摩阻力?？梢姡?dāng)樁側(cè)土體產(chǎn)生相對樁身向下的變形時，樁側(cè)就會產(chǎn)生負(fù)摩阻力。Fellenius（1971）曾指出，地面的十分小的下沉就能使樁基中產(chǎn)生的負(fù)摩阻力達(dá)到樁側(cè)摩阻最大理論值的很大部分。需要注意的是，負(fù)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(shè)計(jì)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(fù)摩阻力如圖4所示。

按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）計(jì)算負(fù)摩阻力。對于端承型基樁應(yīng)考慮負(fù)摩阻力引起基樁的下拉荷載 ，可按下式驗(yàn)算基樁承載力：

負(fù)摩阻力的計(jì)算是個較復(fù)雜的問題，其大小受樁側(cè)和樁底土層的強(qiáng)度、土的壓縮性、樁的類型、時間效應(yīng)等諸多因素的影響，因此，一般只能采用簡化計(jì)算。大量試驗(yàn)與工程實(shí)測結(jié)果表明，以負(fù)摩阻力有效應(yīng)力法計(jì)算較接近實(shí)際。某層的樁側(cè)負(fù)摩阻力等于負(fù)摩阻力系數(shù)與該層土的平均豎向有效應(yīng)力的乘積。即（式2）

目前，在工程上采取消減樁側(cè)負(fù)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(jiān)硬土層上，一般增大樁截面，如擴(kuò)底；②軟弱地基處理：在鉆孔灌注樁施工前，先對軟弱地基進(jìn)行預(yù)壓、夯實(shí)或灌漿加固，減少固結(jié)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(shí)際情況，可以采用方法①和②結(jié)合使用。

2.4 嵌巖樁計(jì)算與設(shè)計(jì)

中風(fēng)化砂巖及砂質(zhì)泥巖屬于完整、較完整的基巖，可以按嵌巖樁設(shè)計(jì)，充分發(fā)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(fù)雜，嵌巖段的側(cè)摩阻力（嵌固力）與底部的端阻力發(fā)揮的過程是不同的。實(shí)測資料表明，當(dāng)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(yīng)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(fā)揮的舉足輕重的作用。

取某一典型孔為例，計(jì)算單樁負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載以及樁身承載力。樁身直徑Φ1000mm，擴(kuò)底直徑為Φ1400mm，嵌巖深度3200mm；負(fù)摩阻力系數(shù) =0.35，素填土厚度8m，強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖厚度1m。持力層為基巖，中性點(diǎn)深度 = ，即中性點(diǎn)深度等于樁周素填土下限深度。

結(jié)語：

通過對本工程深厚填土產(chǎn)生的負(fù)摩阻力的分析和擴(kuò)底嵌巖樁承載力的計(jì)算，表明必須考慮負(fù)摩阻力對樁基的不利影響，采用承載性能好的擴(kuò)底嵌巖樁除了可以抵消負(fù)摩阻力外，還能有足夠余量承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載。綜上所述，高填土地區(qū)的地基設(shè)計(jì)復(fù)雜程度要高于一般地質(zhì)條件的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。除設(shè)計(jì)外，在勘察、施工、檢測各個環(huán)節(jié)中均應(yīng)把控質(zhì)量、加強(qiáng)措施、提高要求，以保證基礎(chǔ)安全。

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