丘陵地區(qū)江岸建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計分析比選

郭禮仲

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

丘陵地區(qū)江岸建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計分析比選

郭禮仲

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

本文從成本與技術(shù)角度出發(fā)，對樁基成樁工藝進行比選，闡明在丘陵地區(qū)江岸側(cè)覆蓋土較高且地下水位較深、較厚的地質(zhì)條件下，可采用降水的方法實現(xiàn)人工挖孔樁技術(shù)，降低工程造價。

丘陵地區(qū)；地基基礎(chǔ)；人工挖孔樁；降水

0 引言

某開發(fā)區(qū)樓盤地塊位于丘陵市區(qū)江河對岸，距離河道邊150 m。建設(shè)場地為江河高漫灘階地，地形高差較大，基巖埋置較深，基巖面以上的卵石層、中砂層賦存由上游江河補給的地下潛水，其上各層為粉土和填土并含枯石及混凝土棄渣。根據(jù)地形分高程設(shè)置地下室平基后，作業(yè)面至中風(fēng)化基巖深14～15 m，這對建筑基礎(chǔ)之方案決策是個考量。

1 工程概況及基本地質(zhì)參數(shù)

1.1 工程概況

場地建設(shè)規(guī)劃用地約7萬m2，設(shè)置33層塔式高層住宅8棟（10個單元），其余為2～6層商業(yè)建筑，地下室2層?？偨ㄖ娣e27.46萬m2，其中地上19.90萬m2，地下7.56萬m2?，F(xiàn)狀地坪標高354.89～365.21 m，地下室面室內(nèi)標高363 m，土方基本平衡平場后標高為360 m（見圖1）。

圖1 效果圖之一

1.2 基本地質(zhì)參數(shù)及描述

詳勘報告揭示：擬建場地內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象，在自然狀態(tài)下場地整體穩(wěn)定，中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖天然單軸抗壓強度標準值為8.8 MPa。場地內(nèi)地下水主要為賦存于砂卵石層中的孔隙潛水，其次為賦存于填土中的上層滯水和基巖裂隙水。

孔隙潛水：賦于砂層、卵石層中，滲透系數(shù)K= 25 m/d，水位埋藏較深，水量較大，以大氣降水和上游地下水位主要補給來源，以下游徑流為主要排泄方式，同時與江河（歷史最高水位為1989年洪水位359.96 m）存在水利聯(lián)系?？辈炱陂g（1月）測得地下水位標高349.18 m，預(yù)計豐水期（7、8月份）該地下水位將上升2～3 m。

上層滯水：賦存于填土較厚或地勢較低的地段，水量較小，水位埋深較淺，無統(tǒng)一水位。填土滲透系數(shù)K=0.5～1 m/d、粉質(zhì)黏土K=0.05 m/d（相對隔水層）。

基巖裂隙水：賦存在砂質(zhì)泥巖的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，由于強風(fēng)化裂隙多與黏土礦物充填。而中風(fēng)化基巖較完整，水量小。

2 地基基礎(chǔ)方案初步比選

2.1 計算分析比較

詳勘資料建議采用灌注樁基或管莊+伐基，以中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為樁端持力層，并建議優(yōu)先采用旋挖機械成孔灌注樁。因地下室平場后各土層在不同位置起伏差異較大，填土層厚大5～10 m，在各粉土、粉質(zhì)黏土、砂層、卵石層中，其土層時有時無、厚薄不均。為方便對成樁方案承載能力設(shè)計取值的比選，方案比選對各土層之側(cè)阻力不計，設(shè)計比選按嵌巖端承樁考量，增加人工挖孔樁進行優(yōu)化。管樁+伐基風(fēng)險大、成本高，不予考慮，以下就人工挖孔樁和旋挖樁進行比選。

根據(jù)《建筑樁基建設(shè)規(guī)范》（JGJ 94—2008）第5.2.1條和5.3.9條：Ra=1/K·Quk、Quk=Qrk=ζrfrkAp得：

嵌巖樁深徑比：hr/d=0.5時，旋挖樁ζr=0.8，挖孔樁ζr=1.2×0.8=0.96。

嵌巖樁深徑比：hr/d=1.0時，旋挖樁ζr=0.95，挖孔樁ζr=1.2×0.95=1.14。

式中：ζr——樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)；

fr——黏土巖天然濕度單柱抗壓強度標準值；

Ap——樁端面積；

Ra——單樁豎向承載力特征值；

K——安全系數(shù)，取2。

將ζr代入（2—1）得：

hr/d=0.5時：

旋挖樁：

挖孔樁：

hr/d=0.5時：

旋挖樁：

挖孔樁：

即：JGJ 94—2008第5.3.9條ζr值與成樁工藝有關(guān)，旋挖樁與干作業(yè)人工挖孔樁ζr之比值為1∶1.2。顯然，在不擴底的條件下挖孔樁比旋挖樁的承載能力大20%，在擴底的條件下由上式（2）～（4）計算可得，前者比后者大數(shù)倍。

2.2 成樁工程量比較

依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，各剪力墻形心傳至樁頂?shù)暮奢d效應(yīng)組合豎向力標準值Nk見表1。

表1 一個單元高層建筑結(jié)構(gòu)傳至基樁組合豎向力標準值Nk數(shù)量表

目前，該地區(qū)旋挖樁徑最大為1.2 m，按表1僅能滿足6根。根據(jù)JGJ 94—2008附錄A：在樁型與成樁工藝選擇內(nèi)容中表明“旋挖樁不能擴底”，而其他相鄰地區(qū)正在對其擴底進行革新，側(cè)向在基巖中擴底直徑可增加達0.2 m，即：樁端直徑革新可達1.4 m，效果不大，不能滿足該項目工程的承載能力，且依據(jù)《基坑檢測規(guī)范》第3.3.1～ 3.3.8條，應(yīng)增加相應(yīng)檢測數(shù)量的20%，沒必要。人工挖孔樁相對在中風(fēng)化基巖中挖掘快且簡單，省略了混凝土護壁之工序，挖孔樁成孔擴底直徑可視Ra大小，取樁徑比hr/d=0.5～1.0，擴底輕松、量小。

按單棟（1個單元）高層建筑比較：樁徑為1.2 m旋挖樁僅能滿足6根基樁，其余36根均不能滿足一樁一載之承載能力要求。統(tǒng)計如下：

旋挖樁樁徑為1.2 m，單棟總樁數(shù)需91根，比人工挖孔樁樁身直徑為1.0 m樁數(shù)量加49根，旋挖樁砼圬工量（樁徑+充盈量）遠大于挖孔樁（含砼護壁及擴大頭）；2樁承臺：增加27個較大承臺、27根樁；3樁承臺：增加5個大承臺、10根樁；4樁承臺：增加4個特大承臺、12根樁。

人工挖孔樁之基巖面以上經(jīng)場平后各類土總厚度14～15 m，為減小工程量，樁身直徑d（JGJ94—2008第5.8.2條，C30砼，ψcfcAPS=14 200 kN＞12 700 kN）可為1.0 m，樁端直徑D可可視表1和Ra擴底決定，既滿足一樁一載，又滿足單樁承載力要求，量?。▋H增加相應(yīng)的降水費用），進度較快。

挖孔樁對該場地的另一優(yōu)勢為：場地局部為挖方，多數(shù)為填方，土方平衡處理后場平可達地下室頂板面下3 m處（標高360.0 m），成樁后完成樁帽（或承臺）作業(yè)，再行利用挖孔樁之土方壓實填至地下室結(jié)構(gòu)面下或進行填方平衡調(diào)運。而旋挖樁的泥漿將污染原場平，必須清除，重新調(diào)運土方壓實回填。

2.3 成樁工藝比較

2.3.1 人工挖孔樁

優(yōu)點：干作業(yè)，清孔干凈，可擴底、且方便，單樁承載力特征值大，特別適用于無地下水、土方覆蓋較厚的丘陵和山區(qū)以及荷載大的地基。工藝簡單、進度較快、投資省，無超規(guī)定的噪聲和廢棄物污染，傳力直接，持力層檢查直觀，樁身質(zhì)量有保證。對高層建筑、大跨度柱網(wǎng)及大荷載工程，當條件適合時，優(yōu)先考慮。缺點：持力層在地下水位下需抽水。注意事項：施工應(yīng)注意安全防護，豎向提土裝置務(wù)必安全；本工程豐水期地下潛水高達7 m，潛水面距作業(yè)面深達7～8 m，注意降水；在填土層及中砂層作業(yè)時，注意及時護壁。

2.3.2 旋挖樁

優(yōu)點：機械成孔工藝好，各土層成樁進度快，優(yōu)質(zhì)泥漿護壁，水下成孔作業(yè)及水下灌注砼成樁。缺點：與挖孔樁比較，在同等條件下承載力低20%，不能擴底，較擴底挖孔樁承載力低數(shù)倍。工程量大，進入中風(fēng)化基巖需換鉆頭且進度不明顯，遇填土中枯石及砼棄渣成孔難度大，時有垮孔，充盈系數(shù)不確定。注意：各土層因地下水位變化及泥漿護壁孔內(nèi)水壓控制不當，注意預(yù)防垮孔及砼澆筑過程中斷樁的風(fēng)險。

以上成樁工藝的比較，人工挖孔樁工藝優(yōu)勢大。當前人工挖孔樁在基巖中掘進均采用設(shè)備簡單的水鉆法取芯開槽破碎作業(yè)，勞動強度較小，進度快。通過比較，人工挖孔樁的成功與否與降水存在必然聯(lián)系。

3 降水

3.1 潛水完整井涌水量計算

潛水完整井是指井筒揭露了整個潛水層，并一直打到含水層隔水板（本工程基巖）。豐水期最大潛水高度7 m，主要潛于基巖（水量小、為隔水層的較完整巖石）上的卵石、中砂層中，符合潛水完整井和大井法計算涌水量的條件。見圖2。

根據(jù)裘布衣公式：

降水區(qū)遠離水源時：

圖2 降水作業(yè)區(qū)計算涌水量示意圖

降水區(qū)靠近河岸時：

庫薩金經(jīng)驗公式：

式中：Q——降水區(qū)涌水量，m3/d；

H——潛水層含水厚度，m；

S——水位降低值，m；

K——含水層滲透系數(shù)，m/d；

R——地下水降落范圍，即影響半徑，m；

r0——降水區(qū)等效半徑r0=（A/π）1/2，m；

A——降水區(qū)面積，m2；

b——降水區(qū)中心至河岸距離。

由式（8）得R=2×7×（25×7）1/2=185.20 m。

將式（6）、（7）進行不等式計算得：當b≥（R+ r0）/2，即b（150）≥R/2=185.20/2=96.2 m時，屬降水區(qū)遠離水源，按式（6）計算涌水量Q。

降水方案分別按單棟（一個單元）、8棟（10單元）片和整個建筑區(qū)為降水區(qū)比較，見表2。

表2 降水區(qū)域A、r0、Q計算表

從表2分析，在K、H一定時，涌水量與S、r0有關(guān)，表明降水漏斗曲線與徑流的關(guān)系，計算選用以整個建筑區(qū)為降水區(qū)最為經(jīng)濟。降水區(qū)內(nèi)凹形處及距降水井點較遠處可利用成樁孔或增設(shè)井點即時抽干其潛水，保證干作業(yè)成孔。

在降水初期，統(tǒng)一的降水漏斗形成之前，應(yīng)考慮降水區(qū)孔隙潛水的抽排，可利用7天時間將孔隙水和相應(yīng)的涌水排除，孔隙水總量63 767.52 m3，第7天降水量（孔隙水+涌水）為13 642.64 m3/d。

因樁孔深在15～17 m間，加之抽水區(qū)域外高程變化，抽水揚程需20 m，選用潛水泵型號為：100Wa70-22-11型泵，前期每天工作10 h/d（1.25臺班），即：13 642.64/（70×10）=19.50，取20臺泵。另備3臺泵設(shè)于降水區(qū)內(nèi)，視降水抽干狀況并結(jié)合樁基孔逐級抽水。

施工抽水工期120 d，總水量（不含大氣降雨）Q=63 787.52+4 532.64×120=607 684.32 m3，總臺班：607 684.32/70/8=1 085.15臺班。

統(tǒng)計該地區(qū)1971-2012年平均月最大降量為6～9月，分別為133.2、209.8、174.4、133.7 mm，合計650.8 mm，大氣降水徑流量αAh為92 516.50 m3?？偹浚ê髿饨涤辏篞=607 684.32+92 516.5=700 200.82 m3，總臺班：700 200.82/70/8=1 250.36臺班。

以上降水量數(shù)據(jù)分析結(jié)論：挖孔樁工期120 d，降水量主要為滿足干作業(yè)目標水位之漏斗形成后的涌水量，占總量的78%，其余22%為大氣降水和漏斗形成前降水影響半徑的水量。正常降水與涌水量有關(guān)，其他因素和大氣降雨情況可適時跟進。

4 基礎(chǔ)成孔工藝經(jīng)濟方案比選

4.1 工程量及綜合單價統(tǒng)計

旋挖樁：樁徑1.2 m，1 760根，樁長16 m/根；2樁承臺300座，3樁承臺50座，4樁承臺40座。人工挖孔樁：樁徑1.0 m，1 240根，樁長17 m/根。

根據(jù)該地區(qū)對施工招投標后的合同結(jié)果，Φ1 200樁徑旋挖樁綜合價（含所有費用）1 138元/m，Φ1 000樁徑人工挖孔樁（含擴大頭在內(nèi)的所有費用）823元/m。承臺砼等級：旋挖樁基承臺因沖切和抗剪要求，在高度為1 700的前提下至少≥C50，綜合單價450/m3；人工挖孔樁樁帽僅采用C30，綜合單價320/m3。降水井23座（預(yù)留3座），井深20 m，Φ600孔徑，綜合單價375元/m；降水綜合單價55元/臺班。

4.2 成本費用分析結(jié)果

人工挖孔樁費用（含降水費）：1 759.87萬元；旋挖樁：3 206.43萬元；鋼筋砼承臺（與樁帽的差值）：889.94萬元；兩者合計成本差：2 336.50萬元。

經(jīng)以上計算分析：僅需13.74根旋挖樁就能抵消其場地之降水費用，價值可觀。

5 結(jié)語

人工挖孔樁特別適合基巖上覆土較厚的丘陵和山區(qū)地區(qū)，其優(yōu)勢為可擴底、承載能力高，造價低廉。本工程靠江岸，通常基礎(chǔ)方案之決策僅限于管理、安全方面，技術(shù)與經(jīng)濟掛鉤的量化分析往往被忽略，所采用的工程措施分析較少且僅限于定性分析。本文通過量化對3種形式基礎(chǔ)選用、計算、成樁工藝分析后，提出了問題的關(guān)鍵是降水措施的考量，為人工挖孔樁決策提供了支撐。至于成孔過程中的安全問題，只要各管理方認真執(zhí)業(yè)是可免除的。

[1]巖土工程勘察報告[B].中機工程勘察設(shè)計研究院，2014（3）.

[2]JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施[S].北京：中國計劃出版社，2003（2）.

TU4

A

1673-1093（2015）01-0090-04

郭禮仲，現(xiàn)就職于中鐵二院工程集團有限責任公司。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.01.025

2014-09-01；

2014-09-07