郭 彪，龔曉南，王建良，王勤生，李長宏，俞躍平

(1.重慶市市政設(shè)計研究院，重慶410020;2.浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027;3.紹興縣地基基礎(chǔ)測試技術(shù)研究所，浙江紹興312000;4.浙江有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江紹興312000)

地基土體是自然歷史的產(chǎn)物，其物理力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜。場地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況區(qū)域性強(qiáng)?；A(chǔ)工程又是隱蔽工程。在土木工程建設(shè)領(lǐng)域中，與上部結(jié)構(gòu)比較，基礎(chǔ)工程的不確定因素多、問題復(fù)雜、難度大?；A(chǔ)工程問題處理不好，后果嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在世界各國發(fā)生的土木工程的工程事故，源自基礎(chǔ)工程問題的工程事故占多數(shù)。因此，處理好基礎(chǔ)工程問題，不僅關(guān)系所建工程是否安全可靠，而且關(guān)系所建工程投資大小。

紹興縣是全國首批24個歷史文化名城之一，是全國商貿(mào)市場大縣之一，是全國經(jīng)濟(jì)強(qiáng)縣和第一紡織大縣。紹興地區(qū)的建筑基礎(chǔ)形式選用已有學(xué)者做過一些研究［1，2，3］，但專門針對紹興縣的建筑基礎(chǔ)形式合理選用整體研究還是空白，本文通過廣泛收集、整理、總結(jié)已有的勘察、設(shè)計、施工等建筑工程資料，在了解紹興縣城區(qū)地基土層形成年代和形成條件，分析土層分布以及各土層物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對紹興縣城區(qū)高層建筑基礎(chǔ)形式的合理選用進(jìn)行了初步研究及建議，可供設(shè)計人員參考。

1 城區(qū)工程地質(zhì)特性

紹興城區(qū)為瀉湖湖沼平原區(qū)，地貌為湖沼平原，海拔平均高度為4.0～5.5 m，屬杭州灣南岸蕭(山)紹(興)平原地貌，地基土基本以濱海區(qū)相沉積為主，呈硬－軟－硬－軟－硬的特點(diǎn)分布，有可達(dá)30 m以上的軟土層，基巖埋深達(dá)40～70 m。城區(qū)典型工程地質(zhì)柱狀圖如圖1所示，主要地基土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

區(qū)內(nèi)一般無暗塘、暗河、土洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，場地整體穩(wěn)定性較好;區(qū)內(nèi)地下水埋藏較淺，水質(zhì)一般對混凝土無腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管道等金屬材料有弱腐蝕性;紹興縣地震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05 g，本區(qū)②－3號層為黏質(zhì)粉土，但黏粒含量一般大于10%，大于地震烈度7度時的黏粒含量臨界值，據(jù)此初步判斷區(qū)內(nèi)在地震烈度7度條件下無液化土層。目前常用基礎(chǔ)形式有淺基礎(chǔ)、復(fù)合地基及樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)主要為沉管灌注樁、預(yù)應(yīng)力管樁和鉆孔灌注樁。

圖1 城區(qū)典型地質(zhì)柱狀圖

城區(qū)可作為樁基持力層的土層有④－2層(第一硬土層)，⑥－2層(第二硬土層)，⑧號土層和⑩層(基巖)。

第④－2層，粉質(zhì)黏土或黏土，局部夾黏質(zhì)粉土薄層，硬塑－可塑狀，中等壓縮性，頂板埋深6.2～21.4 m，平均12 m，厚度1.6～10.5 m，平均在5.8 m左右。該層主要分布在南部山前及殘丘周圍，以越城區(qū)其周圍最為發(fā)育，厚度亦最大，北部大面積缺失。該層地基土承載力特征值為150～220 kPa，下臥⑤－1層(第二軟土層)，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，局部為淤泥質(zhì)黏土，流塑狀，高壓縮性，厚度3.5～16.2 m，平均7.5 m，分布廣泛。可見④－2層土承載力較高，但一般厚度較薄，埋深較淺，下臥有較厚的軟土層，能提供的樁基承載力有限，且頂板起伏較大，樁基條件較差，只能作為在淺基礎(chǔ)不能滿足要求時的低層一般工業(yè)民用建筑的短樁持力層，并進(jìn)行下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算;在少數(shù)厚度較大，埋深較深，下臥軟土層厚度較小且分布穩(wěn)定的地區(qū)，可作為多層建筑的樁基持力層。

表1 城區(qū)典型地基土物理力學(xué)指標(biāo)

第⑥－2層，粉質(zhì)黏土為主，硬塑－可塑狀，中等壓縮性，頂板埋深12.9～43.1 m，厚度1.7～18 m，平均在6.5 m左右，分布面積廣，地基土承載力特征值為170～250 kPa;下臥第⑦－1層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑狀，高壓縮性，厚度1.4～14 m，變化較大，主要分布在北部東西兩側(cè)古河床部位海侵時海水較深的地段，分布范圍不大;下臥第⑦－2層，粉質(zhì)黏土，軟塑狀，中等壓縮性，厚度1.8～11.5 m，平均在5.6 m左右，分布普遍。可見，⑥－2層土力學(xué)性質(zhì)較好，厚度尚可，埋深合適，下臥層一般不厚，物理力學(xué)性質(zhì)也尚可，是多層建筑較理想的樁基持力層;在厚度小，分布不穩(wěn)定，下臥有較厚⑦－1層土的地區(qū)，該層土不宜作樁基持力層，應(yīng)選用埋深更深，性質(zhì)更好的⑧號土層或基巖作樁基持力層。

第⑧層，粉細(xì)砂、中細(xì)砂、礫砂、或圓礫，飽和，稍密－中密狀，局部夾有硬塑到可塑狀粉質(zhì)黏土。古河床部位顆粒較粗，漫灘部位則較細(xì)，各向異性明顯，分選性差，含一定量的黏粒成分。頂板埋深32.4～55.4 m，層厚1.3～32.3 m，平均14.4 m。該層埋藏較深，厚度和性質(zhì)變化大，地基土承載力特征值225～450 kPa，在分布穩(wěn)定的地區(qū)該層可作為多層和高層的樁基持力層。

第⑩層，基巖，埋深40～70 m，可作高層及超高層建筑的樁基持力層。

2 15層高層建筑基礎(chǔ)選型分析

在城區(qū)典型地質(zhì)地基土上建造15層民用建筑，上部結(jié)構(gòu)豎向總和荷載184 056 kN，結(jié)構(gòu)寬度17.9 m，長度45.7 m，高49.2 m。

2.1 基礎(chǔ)選型計算

(1)選用預(yù)應(yīng)力管樁

以⑥－2層作樁基持力層，土層頂板埋深29.2 m。

若采用預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁PTC400(60)，進(jìn)入持力層0.8 m，則基樁豎向承載力設(shè)計值為:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=526.4 kN

式中:R為基樁豎向承載力設(shè)計值，kN;λ為敞口式預(yù)應(yīng)力管樁閉塞系數(shù)，取0.8;u為樁截面周長，m;Ap為樁端截面面積，m2;qsik，qpk為各土層樁的極限側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值和樁端土極限端阻標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;γsi，γp為各土層樁側(cè)阻抗力分項(xiàng)系數(shù)和樁端阻抗力分項(xiàng)系數(shù)，均取值1.65;ηsi，ηp為各土層側(cè)阻群樁效應(yīng)系數(shù)和端阻群樁效應(yīng)系數(shù)均取值1.0。

所需樁數(shù)為:n=(F+G)/R=350根

式中:F為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時，上部結(jié)構(gòu)豎向荷載總和，kN;G為承臺及其上土的自重設(shè)計值，kN。

平面布樁系數(shù)為:m=nπd2×100%=5.37%4S

式中:S為布樁范圍，為45.7 m×17.9 m。

共需400 mm預(yù)應(yīng)力管樁的米工作量為:

L=1.1×30×350=11 550 m

目前紹興預(yù)應(yīng)力管樁出廠價格如表2。

表2 (元/m)

打樁費(fèi)用一般在10～15元/m左右，本文中統(tǒng)一按15元/m計算。

則樁基費(fèi)用為:M=87×11550=1 004 850元

若選用PC500(100)預(yù)應(yīng)力管樁，進(jìn)入持力層6.6 m，則基樁豎向承載力設(shè)計值為:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=1064.1 kN

所需樁數(shù)為:n=(F+G)/R=174根

平面布樁系數(shù)為:m=nπd2

×100%=4.17%4S

共需500預(yù)應(yīng)力管樁的米工作量為:L=1.1×35.8×174=6 852 m

則樁基費(fèi)用為:M=141×6 852=979 836元

以⑧－3層作樁基持力層，土層頂板埋深44.5 m。

若選用PC600(100)預(yù)應(yīng)力管樁，進(jìn)入持力層1.2 m，則基樁豎向承載力設(shè)計值為:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=2 552.3 kN

所需樁數(shù):n=(F+G)/R=73根

平面布樁系數(shù)為:m=nπd2

×100%=2.52%4S

共需600預(yù)應(yīng)力管樁的米工作量為:L=1.1×45.7×73=3 670 m

則樁基費(fèi)用為:M=185×3 670=678 950元

(2)如選用鉆孔灌注樁

以⑧－3層作持力層，土層頂板埋深44.5 m。

若選用800 mm鉆孔灌注樁，進(jìn)入持力層1.6 m則基樁豎向承載力設(shè)計值為:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ηpqpkAP/γp=2 648 kN;

所需樁數(shù)為:n=(F+G)/R=70根

共需800鉆孔灌注樁工作量為:V=1.1×3.14×0.42×46.1×70=1 783 m3

若鉆孔灌注樁費(fèi)用為750元/m3，則樁基費(fèi)用為:M=750×1783=1 337 250元。

以⑩－2號中風(fēng)化基巖作為樁基持力層，頂板埋深55.9 m。

若選用1000鉆孔灌注樁，進(jìn)入基巖1.0 m，則基樁豎向承載力設(shè)計值為:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ηpqpkAP/γp=8 253.1 kN

所需樁數(shù)為:n=(F+G)/R=23根

共需1000鉆孔灌注樁工作量為:V=1.1×3.14×0.52×56.9×23=1 130 m3

若鉆孔灌注樁費(fèi)施工和材料費(fèi)用平均為800元/m3，則樁基費(fèi)用為:M=800×1130=904 000元

2.2 分析與評價

綜合以上計算，得知由于⑥－2層以上土體側(cè)摩阻力較小，且⑥－2層端阻較小，而⑧－3層以上有⑥－2和⑦－2兩層側(cè)阻較大的較厚土層，提供的側(cè)阻較大，且⑧－3層預(yù)應(yīng)力管樁端阻很大，但⑧－3層比⑥－2層埋深增加不多，因此選用⑧－3層土作預(yù)應(yīng)力管樁持力層比選用⑥－2層要經(jīng)濟(jì)很多，且擠土效應(yīng)較小。

對于鉆孔灌注樁，由于⑩－2層的端阻比⑧－3層大很多，但埋深增加不多，因此選用⑩－2層作鉆孔灌注樁持力層比選用⑧－3層經(jīng)濟(jì)，且由于樁端嵌入基巖，沉降更小。

對于小高層，最經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)是選用預(yù)應(yīng)力管樁，以⑧－3層為持力層，但有一定的擠土效應(yīng)。在不允許有擠土或?qū)Τ两狄筇貏e嚴(yán)格的情況下，選用鉆孔灌注樁，以中風(fēng)化基巖為持力層，也可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 30層高層建筑基礎(chǔ)選型分析

在城區(qū)典型地質(zhì)地基土上建設(shè)30層民用建筑，上部結(jié)構(gòu)豎向總荷載394 110 kN，結(jié)構(gòu)寬度15.1 m，長度58.0 m，高99.7 m。

3.1 基礎(chǔ)選型計算

(1)選用預(yù)應(yīng)力管樁

選用⑧－3層作樁基持力層，土層頂板埋深44.5 m。

若選用PC600(100)預(yù)應(yīng)力管樁，進(jìn)入持力層1.2 m，則基樁豎向承載力設(shè)計值為:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ληpqpkAP/γp=2 552.3 kN

式中 λ 取0.8，γsi，γp均取值 1.65，ηsi，ηp均取值1.0。

所需樁數(shù)為:n=(F+G)/R=155根

平面布樁系數(shù)為:m=nπd2

×100%=5%4S

共需預(yù)應(yīng)力管樁的米工作量為:L=1.1×45.7×155=7 792 m。

則樁基費(fèi)用為:M=185×7792=1 441 520元

(2)選用鉆孔灌注樁，以⑩－2號層作為樁基持力層。

選用1200 mm鉆孔灌注樁，進(jìn)入持力層1.2 m。則基樁豎向承載力設(shè)計值為:

R=u∑ηsiqsikli/γsi+ ηpqpkAP/γp=10 885.2 kN

式中 γsi，γp均取值 1.67，ηsi，ηp均取值 1.0。

所需樁數(shù)為:n=(F+G)/R=37根

共需1200鉆孔灌注樁工作量為:V=1.1×3.14×0.62×57.1×37=2 627 m3

若鉆孔灌注樁費(fèi)施工和材料費(fèi)用平均為800元/m3，則樁基費(fèi)用為:

M=800×2 627=2 101 600元

選用1500鉆孔灌注樁，進(jìn)入持力層1.5 m。則基樁豎向承載力設(shè)計值為:所需樁數(shù)為:n=(F+G)/R=26根

共需1500鉆孔灌注樁工作量為:V=1.1×3.14×0.752×57.4×26=2 900 m3

則樁基費(fèi)用為:M=800×2 900=2 320 000元

3.2 分析與評價

由以上計算可知，單從經(jīng)濟(jì)上考慮，采用預(yù)應(yīng)力管樁，以③－3層作持力層比采用鉆孔灌注樁，以⑩－2層作持力層要經(jīng)濟(jì)很多，但是預(yù)應(yīng)力管樁平面布樁系數(shù)達(dá)到了5%，擠土效應(yīng)強(qiáng)烈，施工難以實(shí)現(xiàn)。另外，高層建筑受水平荷載較大，一般需要采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，也需要采用鉆孔灌注樁作樁基礎(chǔ)。因此對于30層左右的高層建筑，建議采用鉆孔灌注樁，以基巖作持力層，具體采用的樁徑需要根據(jù)建筑的荷載分布情況決定。

在實(shí)際工程中，基礎(chǔ)形式的選用還需要考慮以下因素。

(1)在紹興縣某些地區(qū)，預(yù)應(yīng)力管樁合適的持力層埋藏較深，而管樁接樁過多，將會對管樁的承載力造成較大的影響，當(dāng)設(shè)計樁長超過4節(jié)樁時，考慮使用鉆孔灌注樁;根據(jù)樁身不產(chǎn)生壓曲失穩(wěn)和考慮施工現(xiàn)場條件，浙江省標(biāo)準(zhǔn)(DB33/1001—2003)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范第9.5.1.2條對鋼筋混凝土預(yù)制樁的長徑比作出規(guī)定，規(guī)定指出，以摩擦為主的樁長徑比不宜大于 100，故樁徑分別為 400、500、550、600預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁長分別不宜大于40 m、50 m、55 m、60 m。在基礎(chǔ)需要超深樁時，鉆孔灌注樁是預(yù)應(yīng)力管樁無法替代的。

(2)第一硬土層和第二硬土層厚度對基礎(chǔ)型式和持力層的選用有很大的影響，如在錢清部分地區(qū)，④－2號層較厚，可達(dá)10 m，⑥－2號土層也較厚，可大于12 m，可以選作④－2號土作預(yù)應(yīng)力管樁持力層。

(3)若周圍有重要的地下建筑物、地下管線時需要保護(hù)時，考慮使用鉆孔灌注樁;若樁端持力層較陡，起伏過大，采用預(yù)應(yīng)力管樁，樁長不宜確定，配樁困難，截樁較多，給施工造成很大困難，且浪費(fèi)較多，建議選擇鉆孔灌注樁。

(4)由于預(yù)應(yīng)力管樁的經(jīng)濟(jì)性好，一般施工工期短，質(zhì)量能夠得到保證，在合適持力層不是太深，上部荷載不是很大的情況下，且周圍環(huán)境許可的情況下，優(yōu)選選用預(yù)應(yīng)力管樁。

(5)距離建筑物紅線較近，為避免預(yù)應(yīng)力管樁對臨近建筑、管線的影響，在靠近建筑紅線的部位可以用鉆孔灌注樁代替預(yù)應(yīng)力管樁，即采用混合樁基，施工順序先其它部位的預(yù)應(yīng)力管樁而后是代替管樁的鉆孔灌注樁。

4 城區(qū)高層建筑基礎(chǔ)選型常見問題和應(yīng)對措施

(1)鉆孔灌注樁以⑧號、⑩號土層為持力層，若上部荷載較大，選用⑧號土層作為持力層時，可進(jìn)行樁底注漿，以提高樁端承載力;若鉆孔灌注樁持力層坡度較陡，為防止斜孔，可采用沖擊成孔;鉆進(jìn)困難時，選擇合適的施工工藝和鉆頭，如采用正反循環(huán)鉆;當(dāng)采用鉆孔灌注樁時，施工要穿越老粘土層和③、⑤號較厚的淤泥質(zhì)軟土?xí)r，應(yīng)控制鉆進(jìn)的速度和調(diào)配泥漿的比重、粘度，防止裹樁，由于淤泥質(zhì)土極易流變造成穿孔，因此施工時相鄰樁機(jī)不宜靠的很近，同時應(yīng)做好清孔工作，確保沉渣厚度不大于5 cm;當(dāng)以⑩－2號中風(fēng)化基層做鉆孔灌注樁的持力層時，若層頂面起伏變化較大，鉆孔灌注樁施工時，應(yīng)加強(qiáng)巖性鑒定工作，必要時進(jìn)行施工勘察，保證樁端截面進(jìn)入持力層不少于1 d(d為樁徑)。

(2)預(yù)應(yīng)力管樁的擠土效應(yīng)。樁徑選擇與平面布樁系數(shù)的關(guān)系:設(shè)兩種不同樁徑選擇在不同持力層，若上部荷載相同，則可以得出樁徑不同的兩種樁的布樁系數(shù)。

式中m1，m2為布樁系數(shù);d1，d2為預(yù)應(yīng)力管樁的直徑，m;l1，l2為預(yù)應(yīng)力管樁的有效樁長，m;qpk1，qpk2為有效樁長范圍內(nèi)平均側(cè)阻值，kPa;qsk1，qsk2為有效樁長范圍內(nèi)平均側(cè)阻值，kPa。

若樁徑不同的樁選擇在相同的持力層，若d1＜d2，則

可以看出，在同樣持力層條件下，選擇樁徑較小的樁能減小平面布樁系數(shù)，可以減弱擠土效應(yīng)。

為減小擠土效應(yīng)的危害，應(yīng)制定合理的打樁順序:先打主樓樁，后打群樓樁;先打跨中樁，后打邊區(qū)樁;先打近樁，后打遠(yuǎn)樁;先打毗鄰建筑物樁，后打遠(yuǎn)離建筑物樁。

地表中有影響沉樁的塊石，預(yù)應(yīng)力管樁施工前應(yīng)對樁位處進(jìn)行釬深并挖除大塊石，使沉樁順利進(jìn)行，防止頂破樁尖和樁管移位。

應(yīng)避免樁尖接近④號土層、⑥號土層、⑧號土層或樁尖處于④號土層、⑥號土層、⑧號土層時接樁。

(3)基坑圍護(hù)與預(yù)應(yīng)力管樁的相互影響。當(dāng)有基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力管樁同時選用時，宜先打樁再做基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。這樣的施工順序可以避免由于基坑四周的圍護(hù)結(jié)構(gòu)使打樁的土體無法擴(kuò)散造成先打入的管樁被后施工的管樁擠上來，使樁承載力達(dá)不到設(shè)計要求，又避免了打樁使土體擴(kuò)散而擠壞四周的圍護(hù)結(jié)構(gòu)并降低基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效果。高層建筑在水平與豎向荷載共同作用下，單樁的柱軸力及混凝土剪力墻軸力都比較大，合理布樁，盡量降低布樁密度是高層建筑管樁的設(shè)計關(guān)鍵。鑒于高層建筑物單柱下的樁數(shù)較多，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選擇承載力較大的樁以減少布樁密度，把打樁時的擠土影響降到最小。

根據(jù)圓孔擴(kuò)張理論，在飽和軟粘土中壓樁:(1)塑性區(qū)開展范圍與樁徑呈線性增加關(guān)系，采用長細(xì)樁有利于減小塑性區(qū)的疊加;(2)E/Cu≤160時，樁距S=6～8R;E/Cu＞160時，樁距S=8～12R較合適。

建議在Ep/Es＜500的地區(qū)打樁時，應(yīng)考慮沉樁的難易性。要適當(dāng)考慮樁土共同作用，減少樁數(shù)，以利增大樁距。在該類地區(qū)進(jìn)行樁基設(shè)計時，宜選用鉆孔灌注樁或預(yù)鉆孔送樁。

上述，E為土的變形模量;Cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度;R為樁的半徑;Ep為樁的彈性模量;Es為土的壓縮模量。

(4)壓樁機(jī)的影響。大噸位壓樁機(jī)穿透能力強(qiáng)，適用的土層范圍廣，但存在自重大，接地壓力大，會在某些軟弱土的場地發(fā)生陷機(jī);配重不好安置，進(jìn)出場安裝困難等問題。在紹興縣城區(qū)暗浜或老的魚塘河溝附近等表層或淺層土質(zhì)相對軟弱，自重太大與地接觸面積較小接地壓力大的靜壓機(jī)易發(fā)生陷機(jī)，甚至造成管樁斷裂等事故。

5 結(jié)論

在紹興地區(qū)，對高層建筑一般采用鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)?？梢暰呒こ糖闆r選用⑧－3層、或基巖作為樁基持力層。對超高層采用鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)，選用基巖作為樁基持力層。

對小高層建筑一般采用樁基礎(chǔ)，可采用預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔灌注樁等樁型。視具件工程情況可選用⑧－3層、或⑥－2層作為持力層。當(dāng)選用⑥－2層作為持力層時要重視工后沉降控制。

［1］ 楊麗君.紹興城區(qū)工程地質(zhì)特性及地基加固方法的選擇［D］.浙江大學(xué)，2003

［2］ 黃雄，林柏.紹興住宅樁基調(diào)查及優(yōu)化設(shè)計探討［J］.浙江建筑，1996(3)

［3］ 張芳.紹興地區(qū)工程地質(zhì)特性及地基基礎(chǔ)方法調(diào)查與研究［D］.浙江大學(xué)，2005