載體樁復合地基在淺層巖溶發(fā)育地區(qū)高層建筑的應用

梁任和，伍軍志

(廣西壯族自治區(qū)三〇五核地質大隊，廣西 柳州 545005)

關健詞：載體樁復合地基；淺層巖溶發(fā)育地區(qū)；高層建筑

0 引言

20世紀90年代，北京波森特巖土工程有限公司自行開發(fā)研制復合載體夯擴樁施工技術[1]。經過20多年的工程實踐，先后制訂執(zhí)行《載體樁設計規(guī)程》(JGJ/T 135-2007)和《載體樁技術標準》(JGJ/T 135-2018)，后一標準增加了載體樁復合地基的設計，在標準5.1.1條中，載體樁復合地基適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結完成的不含生活垃圾的填土地基[2-3]，對于其他地基土應按地區(qū)經驗或通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。在南方巖溶區(qū)，劉國權等[4]介紹以中風化灰?guī)r為持力層的載體樁基礎型式成功應用于多層建筑的工程實踐。目前載體樁復合地基在巖溶區(qū)中的應用鮮有記載。本文通過介紹載體樁復合地基在某一高層建筑淺層巖溶發(fā)育地基的成功應用，為巖溶地區(qū)淺層發(fā)育區(qū)地基基礎選型提供了新的思路和參考。

1 工程概況

項目位于廣西某市，總用地面積36 990.96 m2，其中凈用地面積35 510.86 m2；總建筑面積147 688.47 m2，其中地面總建筑面積124 288.01 m2，地下室建筑面積3400.46 m2；連通式地下室為1F，設計地下室基底高程為90.40 m。共設計10棟建筑，項目分為一、二期，其中二期工程7#～10#樓為4棟27F～33F高層住宅樓。

依據(jù)巖土工程勘察報告，鉆探揭露深度范圍內從上至下的地層及各土層的物理力學性質指標見表1。

表1 土層物理力學性質指標

2 基礎方案選型

2.1 不良地質作用

場區(qū)屬淺覆蓋型巖溶地基，巖溶發(fā)育以裂隙、溶孔為主，局部地段溶洞發(fā)育，巖溶發(fā)育強度受構造等因素控制?？辈靾龅夭涣嫉刭|作用主要表現(xiàn)為土洞、溶洞(隙)，基巖面溶溝(槽)發(fā)育，巖面埋深7.50～16.80 m，巖面起伏較大，淺層巖溶發(fā)育。在一期勘察施工103個鉆孔中，位于10#樓北側(純地下室區(qū)域)有16個鉆孔發(fā)現(xiàn)土洞，土洞高度1.20～12.60 m，揭露的兩個土洞范圍長寬分別為8.89 m×4.55 m、15.22 m×7.60 m；10#樓揭露1個土洞，其平面分布范圍約為3.50 m×3.00 m，由于地下水于巖面或其附近活動，易將土層中的土顆粒帶走，形成土洞，所揭露土洞全部充填可塑—流塑狀黏土，未形成空洞。據(jù)預測，土洞將繼續(xù)向南東方向繼續(xù)發(fā)展。10#樓場地和周邊所揭露土洞平面分布圖及典型工程地質剖面圖見圖1。

圖1 10#樓場地和周邊所揭露土洞平面分布圖及典型工程地質剖面圖

2.2 基礎方案選型

擬建建筑物開挖一層地下室后，地下室板面高程下土層厚度為4.0～13.0 m，10#樓地下室底板距土洞頂部為9.20 m，若上部為經地基處理的筏板基礎，則該土洞在上部結構荷載應力擴散范圍之內。該巖溶屬于淺埋型，故建筑物基礎無法避開巖溶的影響，必須消除巖溶的不利影響[5]。

根據(jù)現(xiàn)場揭露巖土層結構及當?shù)厥┕そ涷?，目前處理淺層巖溶地基方案常采用旋挖(沖孔)樁、注漿鋼管樁[6]、預應力管樁處理后的復合地基+筏板基礎、CFG樁處理后的復合地基[7-8]+筏板基礎、載體樁處理后的復合地基+筏板基礎。

旋挖(沖孔)樁具有單樁承載力高，不受地下水的影響，但在巖溶發(fā)育區(qū)容易造成漏漿、卡鉆、埋鉆、塌孔、偏孔等現(xiàn)象。本場地旋挖(沖孔)樁采用嵌巖樁，需要進行一樁多孔施工勘察，查明樁端下持力層埋深[9]，在巖溶發(fā)育地段，樁的檢測易遇到樁端以下三倍樁徑范圍內有軟弱夾層、裂隙或溶洞的現(xiàn)象，難以滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 5007-2010)等規(guī)范的要求，處理起來困難。

預應力管樁和CFG樁處理后的復合地基施工過程中，由于巖面高低不平，起伏大，管樁和CFG樁屬于剛性樁，易產生滑樁、斷樁，樁端置于巖面，很難消除淺層巖溶的影響，無法發(fā)揮管樁樁身強度高的優(yōu)勢，且《復合地基技術規(guī)范》(GB/T 50783-2012)第14.1.3條文說明中指出剛性樁復合地基中剛性樁應為摩擦型樁，對端承型樁加以限制[10]。

載體樁是一項新技術，它不同于一般的樁基，它是通過混凝土、填充料和擠密土體的擴散，將上部結構荷載傳遞到深層地基土，類似于等效擴散基礎[11-12]。在施工過程中采用三擊貫入度控制終孔，故載體樁能通過樁錘的夯擊消除淺層溶洞的影響，對巖面不平的樁底，通過填入混合料，控制三擊貫入度，使樁端在巖面不易產生滑移。

基于此，本項目擬采用載體樁為增強體的復合地基，既能充分發(fā)揮載體樁的優(yōu)勢，又能調用樁間土的承載力，降低工程造價。對于地基處理范圍內大面積的土洞，如已查明的10#樓北側土洞發(fā)育地段，采用灌入低標號混凝土充填；其他土洞規(guī)模不大時，采取載體樁樁身砼超灌措施，充填土洞區(qū)，阻止巖溶塌陷的進一步發(fā)展。

經方案綜合比較，項目高層建筑基礎采用筏板基礎，地基處理為載體樁復合地基處理方案。結構設計要求經處理后的復合地基承載力特征值≥450 kPa。

3 載體樁復合地基設計

以10#樓典型工程地質剖面介紹設計計算過程。根據(jù)巖土工程勘察報告，由于基底下基巖埋深較淺，上部土層厚度較小，淺層巖溶發(fā)育，勘察中發(fā)現(xiàn)規(guī)模大小不一的土洞。故選擇中風化白云巖為增強體載體樁持力層。

本工程載體樁樁端持力層為第④層中風化白云巖fa=8000 kPa，根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 5007-2011)第5.2.4條，中風化巖層承載力不進行修正；樁長4.00～13.00 m，樁間土硬塑狀紅黏土②層承載力特征值取天然地基承載力特征值fak=220 kPa。

設計參數(shù)：樁徑430 mm，樁身砼C25，土的有效重度γ0=17.9 kN/m3。

3.1 單樁承載力估算

根據(jù)《載體樁技術標準》JGJ/T 135-2018公式(4.2.3-1)：

Ra=0.9·fa·Ae

查表4.2.3，取三擊貫入度10 cm，取Ae=4.0 m2，則：

Ra=0.9·fa·Ae=0.9×8000×4.0=28 800 kN

根據(jù)規(guī)范公式進行載體樁樁身強度驗算[13]：

N=ψc·fc·Ap

=0.75×11.9×3.14×0.2152=1295 kN

根據(jù)上部結構的情況及經驗，單樁承載力特征值可取Ra=850 kN。

3.2 置換率計算

根據(jù)勘察報告及《載體樁技術標準》JGJ/T 135-2018公式(5.2.5)：

式中：λz取值0.85，λs取值0.9，α取1.0，fsk取220 kPa，Ap取0.145，計算得m=5.27%，實際布樁時采用正方形布樁，樁間距取1650 mm，m≥5.27%。

10#樓載體樁平面布置見圖2。

圖2 10#棟樓載體樁復合地基設計平面圖

3.3 樁身材料強度計算

樁身材料強度等級采用C25，按《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ 79-2012公式(7.1.6-1)驗算其強度：

(fcu=25 MPa)

樁身材料強度均滿足要求。

3.4 溶溝槽土洞處理設計

由于場地內巖溶發(fā)育，淺部溶洞裂隙發(fā)育，相鄰鉆孔最大高差為6 m。鑒于鉆孔布孔密度，在純地下室區(qū)發(fā)育較大面積土洞，其他主體建筑所在場地僅10#樓場地內揭露一處小土洞。故在地基處理施工前，對主樓所在位置按2 m×2 m網格進行機械釬探，初步查明地基中土洞發(fā)育程度。對于大范圍的土洞區(qū)，可采用低標號混凝土充填，其他小范圍的土洞，可在樁身砼灌注時，采用超灌充填土洞。

4 載體樁施工

4.1 載體樁施工工藝

該技術利用重錘對填料反復進行填充和夯實操作，使樁端下縱向3～5 m、橫向2～3 m、體積約10 m3的土體得到加固擠密，在不影響相鄰樁已完成的擠密土體的破壞和松動的情況下，使填料底端形成最大最優(yōu)的密實體和影響土體，樁身承受的集中荷載通過復合載體的分層擴散作用，消除樁端的應力集中，并逐層降低至天然土體能夠承受的程度，從而改善土體的受力狀態(tài)[14]。

4.2 載體樁施工質量保證措施

載體樁復合地基處理方案主要在于載體樁的施工，載體樁施工是傳統(tǒng)的柱錘沖擴樁工藝的一種創(chuàng)新與延展[15]，相對一般地區(qū)的載體樁，本項目要求保證樁承載力要求的同時，能消除淺部巖溶的不良地質作用。如若處理不好，易出現(xiàn)樁身上浮、離析、縮徑、斷樁等問題，在上部荷載作用下，很可能形成局部應力集中、樁端滑移，而使樁發(fā)生破碎或沉降變形不滿足規(guī)范要求。樁在施工過程中，應注意以下幾個問題：

1)嚴控進場材料關，樁端混合料配比應在施工前進行配合比試驗，各種材料的計量要準確。

2)測三擊貫入度時嚴禁帶剎車和離合，測量要細致、準確，如實記錄測量數(shù)據(jù)。

3)成樁過程中隨時測量對鄰樁的影響，發(fā)現(xiàn)鄰樁水平及豎向位移超過30 mm，則停止夯擊。

4)成樁過程中，應隨時觀察地面隆起，當隆起超出規(guī)范要求時(應小于50 mm)，應立即停止施工，研究解決方案。

5 載體樁復合地基檢測

載體樁是采用新型的施工技術，其受力主要是依靠載體，側阻力較小，受力機理和荷載傳遞機理與傳統(tǒng)的樁基礎完全不一樣，類似于等效擴展基礎。根據(jù)本項目實際情況，主要進行樁身質量、單樁承載力檢測、復合地基承載力檢測[16]。

5.1 載體樁樁身質量檢測

該工程樁身質量檢測采用低應變法，是采用低能量瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)激振方式在樁頂激振，實測樁頂部的速度時程曲線或速度導納曲線，通過波動理論分析或頻域分析，對樁身完整性進行判定的檢測方法。本工程10#樓低應變抽檢60根，Ⅰ類樁57根，Ⅱ類樁3根，樁身完整性滿足設計要求。對于樁底填料較多的樁，樁底反射明顯強于填料少的樁。

5.2 載體樁單樁承載力檢測

單樁承載力檢測采用慢速維持荷載法進行試驗，采用標準水泥塊作為堆截配重，由堆載、主梁、次梁、油泵、千斤頂作為反力裝置進行加載，兩個位移傳感器測量樁的沉降，加壓荷載由靜荷載測試儀自動完成。本工程10#樓抽取3根樁作單樁豎向承載力檢測，最大加載為1700 kN，試驗樁的Q-S曲線屬于緩變型曲線，沒有出現(xiàn)陡降等突然變形，對應最大荷載下的累計沉降量分別為9.53 mm、48.93 mm、53.87 mm，滿足規(guī)范和設計要求。

5.3 復合地基承載力檢測

復合地基承載力檢測采用慢速維持荷載法進行試驗，試驗裝置與單樁承載力檢測一致，用4個大量程位移傳感器測量承壓板沉降。本工程10#樓選取3個點進行復合地基承載力檢測，試驗最大荷載為900 kPa，各試驗點的Q-S曲線均屬于緩變型曲線，對應最大荷載下的累計沉降量分別為12.21 mm、32.58 mm、37.97 mm，復合地基承載力特征值達到450 kPa，滿足設計要求，其中之一178#試驗點的靜載荷試驗P-S曲線見圖3。

圖3 178#試驗點靜載荷試驗P-S曲線

6 結語

1)通過工程實踐證明，載體樁復合地基應用在淺層巖溶發(fā)育地區(qū)高層建筑是可行的。

2)載體樁復合地基載體樁施工前應對場地進行機械釬探，大致圈出土洞范圍和了解巖面起伏程度，對于土洞范圍大地段，采用低標號混凝土充填，小范圍的土洞地段，采用樁身混凝土超灌充填土洞。

3)載體樁復合地基載體施工能有效地消除淺部巖溶的不利影響，土洞發(fā)育段樁身混凝土超灌量較大，局部最大處充盈系數(shù)達6.0，但有效地保證了地基的穩(wěn)定性。

4)載體樁復合地基既能發(fā)揮樁承載力大的特點，又能調動樁間土的承載力，節(jié)省工程造價，比一般的旋挖鉆孔灌注樁節(jié)省工程造價約50%，經濟效益明顯。