砂質(zhì)膠結層作為超高層建筑樁端持力層的應用

馬偉召

砂質(zhì)膠結層作為超高層建筑樁端持力層的應用

馬偉召

超高層建筑要求地基和基礎提供更高的豎向和水平承載力，同時沉降和傾斜要控制在建筑允許的范圍內(nèi)、保證建筑物在風荷載和地震荷載的作用下有足夠的穩(wěn)定性。其地基基礎設計應根據(jù)地質(zhì)條件、上部結構、地下空間的利用、施工技術的可能性等合理選擇。

一、工程概況

某公司綜合樓為地上34層，地下3層，主體高度162米，框架-核心筒結構體系，基底平均壓力760kPa，單柱荷載38000kN。擬建場地地貌單元為黃河沖積一級階地。深度3.0米左右以上為Q4-3沉積的粉土和人工填土層，以下至33.0米主要為Q3沉積硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土和密實粉土、砂土層，33.0m～44.3m為基本連續(xù)分布且厚度約11.3m厚的砂質(zhì)膠結層，44.30m以下為Q2沉積的密實狀態(tài)的砂土、粉土和硬塑的粉質(zhì)粘土。地下水類型為潛水，水位埋深在地面下21.8～24.0米。對樁基設計、施工存在較大影響的砂質(zhì)膠結層芯樣飽和單軸抗壓強度為12.3～33.1MPa，統(tǒng)計后標準值為16.9MPa。

二、基礎選型

1.樁型選擇

擬建建筑荷載較大，設計對單樁豎向抗壓承載力特征值要求高、工程最終沉降量要求嚴格。因此采用大直徑鉆孔灌注樁方案比較可靠。若采用普通鉆孔灌注樁，估算樁的入土深度50米，有效樁長35米，需要穿過砂質(zhì)膠結層，但鉆孔灌注樁在砂質(zhì)膠結層施工難度極大，并且膠結層以下土層姜石含量高，局部呈薄層膠結狀態(tài)，施工難度也很大，往往出現(xiàn)泥皮較厚、孔底沉渣較多、土體應力釋放過大等缺陷，從而導致單樁豎向承載力顯著下降、建筑物最終沉降較大等問題。

只有采取合適的施工工藝，在樁底樁側后注漿固化沉渣和泥皮，并對樁底和樁側一定范圍內(nèi)的土體進行加固，從而達到提高樁的承載力和樁身質(zhì)量的可靠性，減少樁長，降低鉆孔灌注樁的施工難度。在選擇合適的樁端持力層后，采用后注漿鉆孔灌注樁成為超高層建筑可靠的選擇。

2.樁基持力層的選擇

場地33米左右以下分布的比較連續(xù)且厚度約為11.3米的砂質(zhì)膠結層，frk標準值達16.9MPa，相當于較軟巖，該膠結層上部局部地段膠結程度較差，局部還存在1～3cm直徑蜂窩狀小孔洞，孔洞中充填有粉質(zhì)粘土，作為樁端持力層時，強度受到影響；并且在膠結層中分布有堅硬狀態(tài)的粉質(zhì)粘土或密實狀態(tài)中砂的透鏡體，也影響到膠結層作為樁端持力層的強度和均勻性。因此，對該砂質(zhì)膠結層能否作為樁端持力層，在一系列野外全斷面巖芯鉆探、巖樣飽和單軸抗壓強度試驗、多種原位測試、單樁靜載荷試驗基礎上，作出如下評價：

（1）砂質(zhì)膠結層厚度大，當樁進入膠結層2d的深度后，樁端下還有10米左右的膠結層，并且其下沒有軟弱地層；也沒有斷裂破碎帶和洞穴，樁底應力擴散范圍內(nèi)無巖體臨空面，完全滿足規(guī)范要求樁基以下硬持力層厚度不小于4d的要求；

（2）砂質(zhì)膠結層的frk值達16.9MPa，相當于較軟巖，按目前我國涉及嵌巖樁評價的三個現(xiàn)行規(guī)范，結合膠結層的工程特性，綜合分析認為，在設計參數(shù)選用適當，并采取一定的措施后，可以采用砂質(zhì)膠結層作為樁端持力層；

（3）結合施工工藝采取確保樁端持力層質(zhì)量的措施

施工時要確保樁端質(zhì)量。為減少砂質(zhì)膠結層膠結程度不均勻、小孔洞的影響，可以通過樁端高壓注漿措施，對砂質(zhì)膠結層中被土沖填的小孔洞、未膠結的砂卵石夾層透鏡體增加強度并且改善其不均勻性；并對注漿工藝、程序作出規(guī)定，要求小壓力樁側注漿，使樁側周圍通道堵塞，然后用較大壓力向樁底注漿，改善樁端土質(zhì)條件，降低樁端持力層的不均勻性，同時改善樁底沉渣和樁的承載能力；

（4）嚴格控制樁基施工中的樁底沉渣厚度，并且要求沉渣注漿處理后的強度不能小于膠結層的frk值。

為固化樁底沉渣和泥皮，確保砂質(zhì)膠結層端承力的發(fā)揮，提高樁的承載能力，需采用灌注樁后注漿。為了確保注漿后碎渣加碎石形成的固化體強度大于砂質(zhì)膠結層強度,施工前專門進行了現(xiàn)場配比注漿試驗。

（5）為確保利用砂質(zhì)膠結層作為樁端持力層的安全可行性，把膠結層中的粉質(zhì)粘土作為樁的軟弱下臥層按照建筑樁基技術規(guī)范進行強度驗算，驗算結果均滿足上部荷載要求。

三、試樁單樁豎向承載力載荷試驗結果分析

1.試樁基本參數(shù)

本工程鉆孔灌注樁試樁共5根，樁徑d=900mm，樁尖入土深度33.9m,有效樁長19m，以砂質(zhì)膠結層為樁端持力層，其中2根為普通灌注樁，3根樁為樁端后注漿灌注樁。通過在樁頂設計標高處、有效樁長范圍內(nèi)不同性質(zhì)土層界面及注漿位置處、樁端底面等處埋設的應力測量傳感器，對樁身內(nèi)力進行測試，并由此測定試樁的樁側抗壓摩阻力和樁端支撐力情況。

2.單樁承載力評價

（1）單樁承載力

根據(jù)試樁的檢測結果，Q-s曲線均為緩變型，沒有明顯的特征點，承載力均未達到極限破壞狀態(tài)，普通灌注樁有效樁長的單樁承載力為8644、9825kN，樁端阻力占樁總承載力的39.1%、47.6%，平均值為43.3%；樁端后注漿灌注樁有效樁長的單樁承載力為12043～13953kN，平均值為13305.6kN，樁端阻力占樁總承載力的20.3%～30.6%，平均值為26.6%，總體符合大直徑樁的荷載傳遞規(guī)律。

樁端阻力占得一定比重，為端承摩擦型樁，對應樁的特征值時的樁身沉降值為：普通樁9.5～13mm、后注漿樁5.3～7.4mm；由于試驗荷載沒有達到極限值，因此樁端阻力還沒有充分發(fā)揮，實測到的單樁承載力與極限承載力有一定的差距，不能反映砂質(zhì)膠結層的實際承載能力。根據(jù)實測結果，計算出砂質(zhì)膠結層樁端極限阻力為2726～5800kPa，遠小于勘察報告提交值8400kPa。說明樁還有潛力，試樁給出的承載力安全度較大。

（2）樁端進行后注漿前后側阻力對比

根據(jù)樁身埋設的應力測量傳感器測定結果，對普通灌注樁和后注漿灌注樁分級荷載下樁身軸力分布圖和樁側摩阻力隨深度分布圖進行分析，普通樁側阻力90.1～122.4kPa，后注漿灌注樁側阻力160.0～194.1kPa；注漿后粉質(zhì)黏土側阻力提高系數(shù)為1.31～1.87，砂土層側阻力提高系數(shù)為2.15。

對于該場地附近的老堆積土，當根據(jù)土的物理性質(zhì)指標查樁基規(guī)范確定其側阻力時可取高值或適當提高。采用后注漿技術時，樁的側阻力還可以提高70%左右。

四、工程樁單樁豎向承載力載荷試驗結果分析

工程樁采用直徑900mm的后注漿鉆孔灌注樁，樁尖入土深度33m，有效樁長為19m，根據(jù)工程樁的測試成果表明：單樁極限承載力為15329～15529kN，平均值為15422kN，承載力均達到設計要求15200kN,同試樁結果比較吻合；樁頂沉降量為14.51～14.89mm，殘余沉降量為5.51～5.74cm。另外樁端承載力占總承載能力的26.5～30.8%，距砂質(zhì)膠結層的端承力還有些差距。

五、沉降分析

本工程樁身段主要為硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土和密實狀態(tài)的粉土，樁端為連續(xù)分布且厚度約為11.3m的砂質(zhì)膠結層，以下為的密實狀態(tài)的砂土、粉土和硬塑的粉質(zhì)粘土，樁端以下土體超固結比大于1，屬于超固結土，有利于土體應力的擴散，使得樁受力更為均勻，對減少和控制沉降量十分有利，本工程主體塔樓的基底有效附加壓力接近450KPa，當基底有效附加壓力小于或接近樁端下地基土結構強度時，其樁基變形處于似彈性階段，土體變形收斂較快，其沉降達到相對穩(wěn)定所需時間較短，一般在建筑物竣工后土體固結度可達60%～70%。一般結構封頂后2～3年沉降可趨于穩(wěn)定。

根據(jù)本工程主體結頂約1年時的沉降觀測資料，建筑物平均沉降量約為2mm左右，接近嵌巖樁的情況。

六、結語

本工程采用后注漿鉆孔灌注樁基礎，以砂質(zhì)膠結層為樁端持力層，解決了基礎選型和持力層選擇的重大技術難題，符合本工程單樁承載力要求高，變形控制嚴格，周圍環(huán)境影響小的要求，比普通鉆孔灌注樁節(jié)省造價，縮短工期，為該工程的建設提供了可靠保證。

（作者單位：河南省建筑設計研究院有限公司）