深厚黃土層地區(qū)建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性探析——以甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘭州新區(qū)建設(shè)項(xiàng)目C區(qū)樁基礎(chǔ)方案為例

甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘭州新區(qū)建設(shè)項(xiàng)目地處蘭州新區(qū)職教園區(qū)創(chuàng)智西路以北、北斗路以西、科體路以東、緯二十六路以南，總建筑面積282142m2，其中，地上建筑面積267406m2、地下建筑面積14736m2，包括風(fēng)雨操場(chǎng)及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等21棟單體建筑物。整個(gè)建筑分為A、B、C、D 四個(gè)區(qū)，A區(qū)為教學(xué)和辦公區(qū)域，B 區(qū)和C 區(qū)是生活區(qū)域，D 區(qū)屬于后勤及附屬用房。A 和B 區(qū)場(chǎng)地較好，素填土和濕陷性黃土厚度普遍較?。ㄒ话銥?m～6m），C 區(qū)素填土和濕陷性馬蘭黃土層很厚，普遍超過30m，濕陷性馬蘭黃土層層底距膠結(jié)圓礫層很近或直接相鄰，幾乎全部深度范圍內(nèi)的黃土都具有很強(qiáng)的濕陷性。本文以C 區(qū)樁基礎(chǔ)方案為例，結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，闡述樁基礎(chǔ)型式選擇、單樁承載力計(jì)算、樁基方案比較等內(nèi)容，對(duì)深厚黃土層地區(qū)建筑物樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行討論，以期為同類工程提供借鑒。

1.C 區(qū)建筑概況與場(chǎng)地地質(zhì)水文條件

1.1 C 區(qū)建筑概況

C 區(qū)位于整個(gè)校區(qū)的西南側(cè)，是校區(qū)的一個(gè)主要生活區(qū)，由C-1學(xué)生宿舍樓6層、C-2學(xué)生宿舍樓6層、C-3學(xué)生宿舍樓6層、C-4學(xué)生街2層、C-5 食堂2層、C-6 后勤樓3層等建筑單體構(gòu)成，其分布圖見圖1所示。本文以C-1學(xué)生宿舍樓為例，其柱跨7200mm，典型柱下荷載標(biāo)準(zhǔn)值為4000（不含基礎(chǔ)自重）。

1.2 地質(zhì)水文條件

1.2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)《巖土勘察報(bào)告》提供的資料可知，在勘探深度內(nèi)所揭示的地層自上而下為[1]：

（1）素填土層（Q4ml）厚度0.40m～10.00m，以粉土為主，局部經(jīng)碾壓呈薄層狀，稍濕，稍密。

圖1 C 區(qū)各單體建筑布置示意圖

（2）馬蘭黃土層（Q3eol）：埋深0.00～10.00m，層面高程1942.95m～1962.77m。場(chǎng)地西南角厚度較大（1-76#孔區(qū)域），厚度18.10m～34.00m。其他區(qū)域較薄，厚度0.90m～18.00m。土質(zhì)較均勻，干強(qiáng)度低，韌性低，搖振反應(yīng)中等，該層局部區(qū)域含礫砂夾層。

（3）礫砂層（Q1al+pl）埋深5.10m～34.50m，厚度0.50m～31.50m，層面高程1939.35m～1949.90m。主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等，充填物以細(xì)砂、中砂及粉土為主，局部含卵石顆粒及鈣質(zhì)膠結(jié)，稍濕，中密，該層局部區(qū)域含粉土夾層。

（4）膠結(jié)圓礫層（Q1al+pl）：該層在局部區(qū)域缺失，埋深29.00m～35.00m，厚度0.00～9.80m，層面高程1918.63m～1929.91m。成分以花崗巖、石英巖、變質(zhì)巖為主，硅質(zhì)膠結(jié)，微裂隙及風(fēng)化裂隙一般發(fā)育，致密，該層局部區(qū)域含粉土、粉質(zhì)黏土及礫砂夾層。

（5）強(qiáng)風(fēng)化泥巖層（E1）埋深32.80m～43.80m，厚度2.70m～3.60m，層面高程1904.19m～1924.17m。以蒙脫石、綠泥石、高嶺石、白云母、長(zhǎng)石、石英等為主，泥質(zhì)膠結(jié)、厚層狀結(jié)構(gòu)、碎屑構(gòu)造，微裂隙及風(fēng)化裂隙較發(fā)育，遇水軟化、致密、較堅(jiān)硬。

（6）中風(fēng)化泥巖層（E1）埋深35.90m～47.00m，勘察厚度3.50m～8.60m，層面高程1862.18m～1869.89m。以蒙脫石、綠泥石、高嶺石、白云母、長(zhǎng)石、石英等為主，泥質(zhì)膠結(jié)、厚層狀結(jié)構(gòu)、碎屑構(gòu)造，見微裂隙，遇水易軟化、致密、堅(jiān)固。

1.2.2 水文條件

蘭州新區(qū)內(nèi)無常年性地表徑流，偶有外泄洪流皆因局部暴雨形成。新區(qū)內(nèi)地下水主要由灌溉回歸水及天然降水補(bǔ)給。場(chǎng)地地下水埋深28.50m～43.00m，高程為1914.27m～1927.72m 之間。地下水為潛水，主要含水層為下部礫砂層及圓礫膠結(jié)層，泥巖層為相對(duì)隔水層。礫砂層滲透系數(shù)為10m/d～15m/d，圓礫膠結(jié)層滲透系數(shù)為5m/d～10m/d。

場(chǎng)地地下水受豐水期、枯水期季節(jié)性變化影響明顯，地下水年內(nèi)變化幅度為1.5m～2.5m。由于新區(qū)大規(guī)模建設(shè)并進(jìn)行人工湖蓄水，地下水變化幅度可能較大。

2.C 區(qū)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式選擇

C 區(qū)建筑場(chǎng)地從地表依次向下的地層為素填土層厚度0.40m～10.00m。馬蘭黃土層埋深0.00～10.00m，層面高程1942.95m～1962.77m，場(chǎng)地西南角厚度較大（1-76#孔區(qū)域），厚度18.10m～34.00m，其他區(qū)域較薄，厚度0.90m～18.00m。礫砂層埋深5.10m～34.50m，厚度0.50m～31.50m，層面高程1939.35m～1949.90m。膠結(jié)圓礫層在局部區(qū)域缺失，埋深29.00m～35.00m，厚度0.00～9.80m，層面高程1918.63m～1929.91m，該層局部區(qū)域含粉土、粉質(zhì)黏土及礫砂夾層。強(qiáng)風(fēng)化泥巖層埋深32.80m～43.80m，厚度2.70m～3.60m，層面高程1904.19m～1924.17m。中風(fēng)化泥巖層埋深35.90m～47.00m，勘察厚度3.50m～8.60m，層面高程1862.18m～1869.89m。

故C 區(qū)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ)，整體以膠結(jié)圓礫層為持力層，局部夾層區(qū)域可以強(qiáng)風(fēng)化泥巖層或中風(fēng)化泥巖層為持力層；對(duì)擬采用樁基礎(chǔ)的區(qū)域應(yīng)先對(duì)素填土進(jìn)行地基處理，處理方式可采用擠密或強(qiáng)夯。樁基應(yīng)考慮旋挖成孔灌注樁基礎(chǔ)，確保樁底沉渣厚度滿足相關(guān)規(guī)范要求。擬建物采用灌注樁基礎(chǔ)時(shí)，樁端應(yīng)進(jìn)入持力層不小于1.00m。樁基設(shè)計(jì)時(shí)，樁型應(yīng)盡量統(tǒng)一，以便機(jī)械施工，為控制樁底沉渣不應(yīng)使用擴(kuò)大頭。建議采用樁底后注漿，以固化樁底沉渣，提高樁端土承載力。

但C 區(qū)場(chǎng)地存樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)存在三個(gè)影響基樁承載力的關(guān)鍵問題：一是素填土和濕陷性馬蘭黃土層很厚，普遍超過30m，樁基設(shè)計(jì)中需考慮較大負(fù)摩阻力；二是濕陷性馬蘭黃土層層底距膠結(jié)圓礫層很近或直接相鄰，樁基承載力中的主要正摩阻力均來自于膠結(jié)圓礫層；三是馬蘭黃土層濕陷量巨大，最大濕陷量超過2000mm，且最底部1000mm～2500mm 厚的黃土濕陷量仍超過200mm，幾乎全部深度范圍內(nèi)的黃土都具有很強(qiáng)的濕陷性。

3.深厚黃土層單樁承載力計(jì)算

3.1 正常情況下單樁承載力計(jì)算[2]

大直徑（d≥800mm）單樁豎向極限承載力特征值Quk可按下式計(jì)算：

Quk=Qsk+Qpk=U ∑ Ψsiqsiklsi+ψpqpkAp

式中：Qsk為單樁總極限側(cè)阻力特征值；Qpk為單樁總極限端阻力特征值；U為樁身周長(zhǎng)；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力特征值；li為樁穿越第i層土的厚度；qpk是樁徑為800mm 的極限端阻力特征，可采用深層載荷板試驗(yàn)確定；Ap為樁端面積；Ψsi、ψp為大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)。

3.2 深厚黃土層單樁承載力設(shè)計(jì)

由于該工程C 區(qū)建筑修建場(chǎng)地內(nèi)的馬蘭黃土層存在濕陷性，自重濕陷帶分布深度5.10m～23.40m，濕陷帶分布深度5.10m～23.40m，濕陷性系數(shù)δs為0.000～0.129，自重濕陷性系數(shù)為0.000～0.112。計(jì)算總濕陷量44.38cm～249.80cm，自重濕陷量23.90cm～207.90cm，《巖土勘察報(bào)告》建議土層整體按照Ⅳ級(jí)自重濕陷考慮，故需要解決深厚濕陷性黃土層單樁承載力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

甘肅省《濕陷性黃土地區(qū)建筑灌注樁基技術(shù)規(guī)程》規(guī)定樁基礎(chǔ)豎向承載力計(jì)算應(yīng)符合下列要求[3]：軸心豎向力作用下N≤Ra；偏心豎向力作用下，除滿足前式外，尚應(yīng)滿足Nmax≤1.2Ra；自重濕陷性黃土場(chǎng)地中的基裝，除滿足前述兩式外，當(dāng)考慮土層濕陷引起的下拉荷載時(shí)，尚應(yīng)滿足N+λf。公式中Ra為基樁豎向承載力特征值，N為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下基樁的平均豎向力，Nmax為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下樁頂最大豎向力，Qng為考慮負(fù)摩阻力引起基樁的下拉荷載，λf為下拉荷載折減系數(shù)。

因此，樁基設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題就是處理好深厚素填土和馬蘭黃土對(duì)樁產(chǎn)生的負(fù)摩阻力、正摩阻力和樁端阻力、柱下承載力需求三者之間的關(guān)系，即滿足N≤R'a=Raλf f Qng，公式中R'a為考慮負(fù)摩阻力的單樁承載力特征值，其值取決于Ra和λf f Qng大小關(guān)系；Ra為樁身正摩阻力+樁端阻力特征值，進(jìn)入好土層的深度越大數(shù)值越大，且必須具有足夠承載力；λf f Qng為折減后的負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)黃土層很厚，樁身大部分長(zhǎng)度都是起負(fù)作用，為便于表達(dá)本文中將λf f Qng定義為R負(fù)。

表1 樁基樁徑變化方案比較

圖2 樁基樁徑變化經(jīng)濟(jì)性比較曲線圖

圖3 樁基樁長(zhǎng)變化經(jīng)濟(jì)性比較曲線圖

4.C 區(qū)樁基方案比較

以C-1學(xué)生宿舍樓為例，當(dāng)柱跨為7200mm 時(shí)，典型柱下荷載標(biāo)準(zhǔn)值為4000kN（不含基礎(chǔ)自重），設(shè)計(jì)時(shí)擬定800mm、900mm、1000mm、1200mm 四種大小不同樁徑，選擇圓礫膠結(jié)層或強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖為持力層比確定較符合承載要求的樁數(shù)和樁長(zhǎng)即可選擇出受力合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的樁基方案。

（1）樁徑不同、樁長(zhǎng)相等時(shí)，以單樁樁砼方量（m3）和單樁承載力（N/m3）為比較指標(biāo)確定合理樁徑。具體見表1、圖2。

由表1、圖2中單樁比較可以得出結(jié)論，樁徑越小經(jīng)濟(jì)性越高，故設(shè)計(jì)擬定C 區(qū)建筑的基樁直徑為800mm。

（2）樁徑均為800mm、樁長(zhǎng)不等時(shí)，以單樁承載力特征值（kN）和綜合單價(jià)（元/kN）為比較指標(biāo)確定合理樁徑。具體見表2、圖3。

方案一：持力層為圓礫膠結(jié)層,總樁數(shù)600根，樁長(zhǎng)約32m，單樁承載力約500kN。以巖土勘察59號(hào)孔土層分布情況為例，進(jìn)入膠結(jié)圓礫層1.34m，計(jì)算得R’a=504kN，Ra=1503kN，R負(fù)=999kN。此方案為滿足承載力要求至少需要單柱下八根樁，造價(jià)最高，沒有足夠的實(shí)際施工空間，所以此方案嚴(yán)重不合理，不可采用。

方案二：持力層為圓礫膠結(jié)層，總樁數(shù)271根，樁長(zhǎng)約34m，單樁承載力約1000kN。以巖土勘察59號(hào)孔土層分布情況為例，進(jìn)入膠結(jié)圓礫層3.34m，計(jì)算得R’a=1007kN，Ra=2006kN，R負(fù)=999kN。此方案為滿足承載力要求至少需要單柱下四根樁，造價(jià)次之，實(shí)際施工空間受限，所以此方案較不合理，不可采用。

表2 樁基樁長(zhǎng)變化方案比較

方案三：持力層為圓礫膠結(jié)層,總樁數(shù)197根，樁長(zhǎng)約36m，單樁承載力約1500kN。以巖土勘察59號(hào)孔土層分布情況為例，進(jìn)入膠結(jié)圓礫層5.34m，計(jì)算得R’a=1509kN，Ra=2508kN，R負(fù)=999kN。此方案為滿足承載力要求至少需要單柱下三根樁，造價(jià)排在第三位，實(shí)際設(shè)計(jì)中三樁空間承臺(tái)布置形式極少，所以此方案不合理，不可采用。

方案四：持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，總樁數(shù)139根，樁長(zhǎng)約39.5m，單樁承載力約2350kN。以巖土勘察59號(hào)孔土層分布情況為例，樁端穿透膠結(jié)圓礫層進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖，計(jì)算得R’a=1354kN，Ra=3353kN，R負(fù)=999kN。此方案為滿足承載力要求單柱下需要布置兩根樁，造價(jià)排在第四位，實(shí)際設(shè)計(jì)中兩樁空間承臺(tái)布置形式有利于豎向力的均勻傳遞，此方案相對(duì)合理。

方案五：持力層為中風(fēng)化泥巖，總樁數(shù)81根，樁長(zhǎng)約45.5m 時(shí)，單樁承載力約4200kN。以巖土勘察59號(hào)孔土層分布情況為例，樁端進(jìn)入中風(fēng)化泥巖3.14m，計(jì)算得R’a=4223kN，Ra=5222kN，R負(fù)=999kN。此方案是經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)方案，但是由于C 區(qū)建筑場(chǎng)地中膠結(jié)圓礫層大部分區(qū)域厚度在7m 以上，且強(qiáng)風(fēng)化泥巖層厚度2.70m～3.60m，若穿透膠結(jié)圓礫層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖，使樁端進(jìn)入中風(fēng)化泥巖的施工難度進(jìn)一步加劇，施工周期和附加成本都因此會(huì)大幅增加，所以此方案不宜采用。

經(jīng)比較，方案四位于造價(jià)變化的拐點(diǎn)處，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性均相對(duì)合理，故設(shè)計(jì)擬定C 區(qū)建筑的基樁直徑為800mm 時(shí)的樁長(zhǎng)約為39.5m。

5.結(jié)論

在膠結(jié)圓礫、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖持力層埋深30m以上的深厚黃土層中，樁基礎(chǔ)型式是比較理想的基礎(chǔ)形式，樁基設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題就是處理好深厚素填土和馬蘭黃土對(duì)樁產(chǎn)生的負(fù)摩阻力、正摩阻力和樁端阻力、柱下承載力需求三者之間的關(guān)系。需要擬定大小不同樁徑，比較確定符合承載力要求的樁徑、樁數(shù)和樁長(zhǎng)，即可選擇出受力合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的樁基方案。

在《巖土勘察報(bào)告》提供的數(shù)據(jù)條件下，當(dāng)樁長(zhǎng)進(jìn)入正摩阻力區(qū)段長(zhǎng)度不足時(shí)，單樁承載力無法達(dá)到較高的合理數(shù)值。從單樁承載力計(jì)算公式出發(fā)，若要提高單樁承載力，可考慮的方法有：一是提高樁側(cè)正摩阻力。通過增大樁身進(jìn)入正摩阻力區(qū)段長(zhǎng)度，從而達(dá)到提高單樁承載力的目的；二是提高樁端承載力。通過樁端注漿提高樁端樁端承載力，從而達(dá)到提高單樁承載力的目的；三是降低樁側(cè)負(fù)摩阻力的同時(shí)提高樁側(cè)正摩阻力。通過地基處理的擠密、夯實(shí)等方式部分消除濕陷性，減小負(fù)摩阻力區(qū)段長(zhǎng)度，同時(shí)增加正摩阻力區(qū)段的長(zhǎng)度，從而達(dá)到提高單樁承載力的目的。

在該工程的具體條件下，地基處理的其他方案從技術(shù)、工期、造價(jià)等因素考慮均不及樁基方案，不推薦采用。實(shí)際樁基施工根據(jù)土層情況，合理選擇與土層相匹配的成樁機(jī)械和鉆頭，其中，機(jī)械功率與鉆頭類型是沉樁施工的主要控制因素。