梁任和，伍軍志

(廣西壯族自治區(qū)三〇五核地質(zhì)大隊，廣西 柳州 545005)

關(guān)健詞：載體樁復(fù)合地基；淺層巖溶發(fā)育地區(qū)；高層建筑

0 引言

20世紀(jì)90年代，北京波森特巖土工程有限公司自行開發(fā)研制復(fù)合載體夯擴樁施工技術(shù)[1]。經(jīng)過20多年的工程實踐，先后制訂執(zhí)行《載體樁設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 135-2007)和《載體樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 135-2018)，后一標(biāo)準(zhǔn)增加了載體樁復(fù)合地基的設(shè)計，在標(biāo)準(zhǔn)5.1.1條中，載體樁復(fù)合地基適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結(jié)完成的不含生活垃圾的填土地基[2-3]，對于其他地基土應(yīng)按地區(qū)經(jīng)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(quán)等[4]介紹以中風(fēng)化灰?guī)r為持力層的載體樁基礎(chǔ)型式成功應(yīng)用于多層建筑的工程實踐。目前載體樁復(fù)合地基在巖溶區(qū)中的應(yīng)用鮮有記載。本文通過介紹載體樁復(fù)合地基在某一高層建筑淺層巖溶發(fā)育地基的成功應(yīng)用，為巖溶地區(qū)淺層發(fā)育區(qū)地基基礎(chǔ)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(shè)計地下室基底高程為90.40 m。共設(shè)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(nèi)從上至下的地層及各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 基礎(chǔ)方案選型

2.1 不良地質(zhì)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(gòu)造等因素控制?？辈靾龅夭涣嫉刭|(zhì)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(cè)(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(yù)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(zhì)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(zhì)剖面圖

2.2 基礎(chǔ)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(jīng)地基處理的筏板基礎(chǔ)，則該土洞在上部結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力擴散范圍之內(nèi)。該巖溶屬于淺埋型，故建筑物基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)及當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗，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(yù)應(yīng)力管樁處理后的復(fù)合地基+筏板基礎(chǔ)、CFG樁處理后的復(fù)合地基[7-8]+筏板基礎(chǔ)、載體樁處理后的復(fù)合地基+筏板基礎(chǔ)。

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(nèi)有軟弱夾層、裂隙或溶洞的現(xiàn)象，難以滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 5007-2010)等規(guī)范的要求，處理起來困難。

預(yù)應(yīng)力管樁和CFG樁處理后的復(fù)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(chǎn)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(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783-2012)第14.1.3條文說明中指出剛性樁復(fù)合地基中剛性樁應(yīng)為摩擦型樁，對端承型樁加以限制[10]。

載體樁是一項新技術(shù)，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(jié)構(gòu)荷載傳遞到深層地基土，類似于等效擴散基礎(chǔ)[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(chǎn)生滑移。

基于此，本項目擬采用載體樁為增強體的復(fù)合地基，既能充分發(fā)揮載體樁的優(yōu)勢，又能調(diào)用樁間土的承載力，降低工程造價。對于地基處理范圍內(nèi)大面積的土洞，如已查明的10#樓北側(cè)土洞發(fā)育地段，采用灌入低標(biāo)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(jīng)方案綜合比較，項目高層建筑基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，地基處理為載體樁復(fù)合地基處理方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計要求經(jīng)處理后的復(fù)合地基承載力特征值≥450 kPa。

3 載體樁復(fù)合地基設(shè)計

以10#樓典型工程地質(zhì)剖面介紹設(shè)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(fēng)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(fēng)化白云巖fa=8000 kPa，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 5007-2011)第5.2.4條，中風(fēng)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(shè)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》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(jié)構(gòu)的情況及經(jīng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》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(fù)合地基設(shè)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(shù)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(shè)計

由于場地內(nèi)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(nèi)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(wǎng)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(biāo)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(shù)利用重錘對填料反復(fù)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(fù)合載體的分層擴散作用，消除樁端的應(yīng)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(zhì)量保證措施

載體樁復(fù)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(zhì)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(yīng)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(yīng)注意以下幾個問題：

1)嚴(yán)控進場材料關(guān)，樁端混合料配比應(yīng)在施工前進行配合比試驗，各種材料的計量要準(zhǔn)確。

2)測三擊貫入度時嚴(yán)禁帶剎車和離合，測量要細致、準(zhǔn)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(yīng)隨時觀察地面隆起，當(dāng)隆起超出規(guī)范要求時(應(yīng)小于50 mm)，應(yīng)立即停止施工，研究解決方案。

5 載體樁復(fù)合地基檢測

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

5.1 載體樁樁身質(zhì)量檢測

該工程樁身質(zhì)量檢測采用低應(yīng)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(dǎo)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(yīng)變抽檢60根，Ⅰ類樁57根，Ⅱ類樁3根，樁身完整性滿足設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)計要求。

5.3 復(fù)合地基承載力檢測

復(fù)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(fù)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(yīng)最大荷載下的累計沉降量分別為12.21 mm、32.58 mm、37.97 mm，復(fù)合地基承載力特征值達到450 kPa，滿足設(shè)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(jié)語

1)通過工程實踐證明，載體樁復(fù)合地基應(yīng)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(fù)合地基載體樁施工前應(yīng)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(biāo)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(fù)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(fù)合地基既能發(fā)揮樁承載力大的特點，又能調(diào)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(jīng)濟效益明顯。