深厚軟土地質(zhì)條件下超長灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計及施工質(zhì)量控制

張全林

（廣州市建工設(shè)計院有限公司 廣州 510030）

1 工程概況

某項目位于廣州南沙區(qū)萬頃沙鎮(zhèn)十六涌東南側(cè)，總占地面積約為26.9萬m2。由17～21層LOFT公寓、24～45層平層公寓及25層酒店、1～2層附屬商業(yè)組成，高層建筑高度在80～140 m之間，設(shè)置1層地下室。項目總平面布置如圖1所示。

圖1 項目總平面Fig.1 General Arrangement Plan

工程設(shè)計使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，場地的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組；建筑場地類別為Ⅲ類區(qū)域，設(shè)計特征周期值建議按0.45 s考慮，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。50年一遇基本風(fēng)壓0.60 kN/m2，基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，樁基設(shè)計等級甲級。

1.1 地質(zhì)條件

南沙區(qū)位于廣州南部，處于北江、西江下游濱海河網(wǎng)區(qū)，廣泛分布深厚海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)土，屬典型的沖積軟土地質(zhì)。本工程所在地萬頃沙鎮(zhèn)緊臨大海，多為20世紀80年代填海而成，淤泥、淤泥質(zhì)土平均厚度約35 m，最大厚度超過40 m，具體土層分布及描述如下：

〈1〉人工填土層（Qml）

①素填土：灰黃、褐黃色，松散，濕～很濕，填料由粘性土、砂土為主，夾有少量或較多碎石塊，新近填成。

〈2〉第四系海陸交互沉積層（Q4mc）

②-1淤泥質(zhì)土：深灰色，流塑，味腥，局部夾薄層粉細砂，含有機質(zhì)，局部為淤泥。

②-2粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑狀態(tài)，局部軟塑，黏性較好，含有粉細砂，局部夾薄層粉土。

②-3中砂：灰白色、灰色，中密，局部密實，飽和，石英質(zhì)，粒徑不均勻，含有粉黏粒，級配不良。

〈4〉奧陶世基巖（O）

為花崗巖，鉆孔控制深度內(nèi)根據(jù)其風(fēng)化程度的不同可分為強風(fēng)化、中風(fēng)化3個風(fēng)化帶。

④-1強風(fēng)化帶：青灰色、黃褐色，強風(fēng)化狀態(tài)，裂隙較發(fā)育，散體狀結(jié)構(gòu)，巖芯多呈碎巖塊狀，手難扳斷，敲擊聲啞，局部呈半巖半土狀，受水易軟化、崩解。巖石堅硬程度為極軟巖，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

④-2中風(fēng)化帶：青灰色、紅褐色，裂隙較發(fā)育，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀、柱狀，局部塊狀，敲擊聲響。巖石堅硬程度為較硬巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

典型地質(zhì)柱狀圖如圖2所示。

圖2 典型地質(zhì)柱狀圖Fig.2 Typical Geological Column Diagram

不良地質(zhì)：淤泥、淤泥質(zhì)土具含水率大、孔隙比大、壓縮性高的特性，在觸變擾動、地面堆載、失水固結(jié)等作用下容易產(chǎn)生豎向、水平位移，對基坑開挖、樁基施工、樁基受力產(chǎn)生非常不利的影響［1］。

2 地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計

2.1 地基處理

對于深厚軟土地區(qū)，樁基施工完成后，基坑開挖不當(dāng)導(dǎo)致樁基傾斜、斷樁、偏移的工程事故經(jīng)常發(fā)生，因此需在樁頂標(biāo)高上下一定范圍內(nèi)的土進行固化處理。固化處理可以采用深層攪拌樁和高壓旋噴樁。本項目所在地原為藕塘，表面積水0.2～0.5 m，其下為流塑狀淤泥。為驗證2種處理方案的效果，分別選擇2塊進行預(yù)處理，樁間距為1.2 m，梅花布樁，樁長2.0 m，樁頂標(biāo)高以上0.5 m，樁頂標(biāo)高以下1.5 m，28 d后開挖驗證。通過現(xiàn)場開挖后發(fā)現(xiàn)：攪拌樁處理后的土層未見成形樁體，土質(zhì)顏色加深，說明水泥漿溶于空隙水中未能與土充分結(jié)合成形；高壓旋噴樁處理后的土層肉眼可見成形樁體，挖掘機挖難以挖動，具有較高強度。因此，決定采用高壓旋噴樁的地基處理方案。后基坑開挖施工過程中，機械行走通順，未發(fā)現(xiàn)偏樁、斷樁現(xiàn)象。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計

本項目塔樓80～140 m高，墻柱底內(nèi)力最大高達25 000 kN，地基土有30～40 m深厚軟土，因此塔樓決定采用旋挖成孔灌注樁方案，以中風(fēng)化花崗巖為樁端持力層，入巖深度取1.0倍樁徑，樁徑采用1 000～1 200 mm。地下室基礎(chǔ)因荷載較小，且對基礎(chǔ)沉降要求可以適當(dāng)放松，為減小造價決定采用600 mm直徑高強混凝土預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。為減小不均勻沉降引起的附加應(yīng)力，在塔樓和地下室交接處設(shè)置沉降后澆帶，要求后澆帶需在結(jié)構(gòu)荷載完成且沉降穩(wěn)定后方可封閉。

2.2.1 負摩阻力計算

軟土地區(qū)樁基設(shè)計的一項重要內(nèi)容就是合理確定負摩阻力。當(dāng)樁周土體向下的相對位移大于樁身下沉位移進，土體將對樁身產(chǎn)生下拉力，即負摩阻力，導(dǎo)致軟土地區(qū)負摩阻力產(chǎn)生的主要原因如下［2］：①欠固結(jié)土自重作用下的重新固結(jié)；②地表面新填土或新地堆載；③樁周土層由于基坑開挖、抽水致使地下水位下降，土中有效應(yīng)力增大，樁周土下沉。

⑴中性點深度確定

根據(jù)上文所述軟土負摩阻力產(chǎn)生的原因，再結(jié)合本項目自身特點及地質(zhì)資料，梳理后發(fā)現(xiàn)：本場地雖為軟土為淤泥或淤泥質(zhì)土，但經(jīng)多年沉積后，地勘資料判定為自重固結(jié)基本完成，從而排除第①條因素；由于地下室需開挖少量厚度表面土層，屬于卸載過程，排除第②條堆載因素；因此，導(dǎo)致負摩阻力產(chǎn)生的可能原因僅有第③條，即后期項目周邊基坑開挖、抽水引起地下水位下降或地基土受擾動。為了充分評估地基土可能受到的擾動程度，從而確定中性點的位置，項目組會同甲方、相關(guān)政府部門對周邊地塊項目規(guī)劃進行了全面調(diào)查，調(diào)查結(jié)果為：本地塊西側(cè)、南側(cè)為河涌或河道，北側(cè)1 000 m、東側(cè)500 m范圍為本項目后期開發(fā)的商業(yè)用地，無大面積地下室，東側(cè)500 m以外為發(fā)展用地，規(guī)劃為普通住宅。周邊沒有超高層公建、地鐵或其它深挖地基的市政設(shè)施。再結(jié)合南沙地區(qū)為軟土地質(zhì)，深挖基坑成本高、工期長且樁基施工風(fēng)險高等不利因素，一般建筑會采取抬高室外高，地下室盡量淺埋的做法以節(jié)約成本和工期，且地下室一般不會超過2層，因此，可以基本確定：項目周邊開挖深度最大不超過12 m，再加上降水深度會比基坑標(biāo)高多1～2 m，也即本場地地基土受降水、擾動的影響深度在15 m以內(nèi)，為安全起見，計算負摩阻力的中性點深度按20 m計算，也即中性點深度比約0.6。

⑵單樁負摩阻力計算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-31—2016》［3］第10.2.10-3式：

式中：up為樁周長；qnsi為第i層土的豎向有效應(yīng)力，本項目取土的側(cè)阻力特征值；lin為第i層土的厚度，本項目取20 m。

從而算得樁徑1.0 m的單樁負摩阻力Qn=628 kN，設(shè)計時取值700 kN。

2.2.2 單樁承載力特征值計算

本項目樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，按嵌巖樁計算，根據(jù)文獻［3］-⑴～⑷式：

式中：Rsa為樁側(cè)土側(cè)摩阻力特征值；Rra為樁側(cè)巖側(cè)摩阻力特征值；Rpa為持力巖層端阻力特征值；frs、frp分別為樁側(cè)巖層、樁端巖層巖樣天然濕度單軸抗壓強度；C1、C2分別為折減系數(shù)，本項目分別取0.320、0.032。

分別選取典型勘孔剖面計算單樁承載力特征值，如表1所示。

表1 單樁承載力特征值計算Tab.1 The Characteristic Value of Pile Bearing Capacity by Different Exploratory Holes

樁身承載力驗算文獻［3］10.2-8式：

式中：ψc為工作條件系數(shù)，泥漿護壁鉆孔灌注樁取0.7～0.8；fc為樁身混凝土抗壓強度設(shè)計值；Q為相應(yīng)于荷載基本組合時的單樁承載力設(shè)計值。

將式⑹算出的對應(yīng)荷載基本組合的單樁承載力設(shè)計除以1.35，得出對應(yīng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的單樁承載力特征值，即：

Ra=Q/1.35

從而得到直徑1.0 m，樁身混凝土C35的單樁承載力特征值為6 800 kN?？梢钥闯觯瑔螛冻休d力特征值由樁身混凝土控制，可取6 800 kN以內(nèi)，實際設(shè)計取值6 500 kN。布樁時需考慮負摩阻力引起的下拉荷載，即：

式中：Ra1為布樁時單樁承載力特征值；Ra為中性點以下土側(cè)阻力土與樁端土提供或由樁身計算的單樁承載力特征值；Qn為中性點以上土負摩阻力引起的下拉荷載。

根據(jù)式⑺計算出布樁時單樁承載力特征值為5 800 kN，即要求樁頂反力應(yīng)控制在5 800 kN以內(nèi)。

2.2.3 存在負摩阻力的基樁靜載試驗最大加載量的確定

眾所周知，一般基樁靜載試驗的最大加載值為單樁承載力特征值的2倍，按常規(guī)設(shè)計本項目取13 000 kN即可。但是本項目樁周軟土存在負摩阻力，在靜載試驗的極短時間內(nèi)（一般1～2 d）負摩阻力不可能發(fā)揮出來，相反中性點以上的土層不僅不會出現(xiàn)負摩阻力，還會提供正摩阻力，因此試驗最大加載量需另計上層軟土在靜載試驗階段時提供的正摩阻力［4］。如果將單樁承載力分為中性點以上土側(cè)阻力和中性點以下土側(cè)阻力與樁端阻力之和，中性點以上的土側(cè)阻力等于下拉荷載Qn，中性點以下土側(cè)阻力與樁端阻力力之和為單樁承載力特征值Ra，此時，最大加載值為：2（Ra+Qn）。因此，本項目按上式計算的靜載試驗的最大加載值應(yīng)為：2×（6 500+700）=14 400 kN。若遺漏了負摩阻力的作用，靜載試驗最大加載力量盲目采用常規(guī)設(shè)計2倍單樁承載力特征值的話，試驗最大加載量僅為13 000/14 400=90.3%，導(dǎo)致靜載試驗加載量不足，某些原本承載力不足的樁不會被檢測出來，樁基存在安全隱患，樁基靜載試驗也失去應(yīng)有的功能。因此，存在負摩阻力的樁基設(shè)計圖紙中，不僅要注明樁基承載力特征值，還要注明靜載試驗的最大加載量。

3 深厚軟土條件下超長灌注樁的施工質(zhì)量控制

軟土地基上泥漿護壁旋挖成孔灌注樁基礎(chǔ)的成孔、成樁質(zhì)量、樁端沉渣是影響基樁承載力的關(guān)鍵因素，也是工程界的一大弊病［5］。本項目土質(zhì)條件較差，巖面埋深較大且起伏較大，樁基施工難度較大，主要表現(xiàn)為：

⑴上部存在較厚流塑狀淤泥或淤泥質(zhì)土，成孔時極易出現(xiàn)塌孔、縮頸現(xiàn)象；

⑵中風(fēng)化巖面埋深較深，大部分在基底下50～60 m，局部樓棟（如1#、3#、5#棟）中風(fēng)化巖面深度達80～90 m，樁身超長，樁身混凝土澆筑質(zhì)量難以保證；

⑶為了防止塌孔，護壁所用泥漿含泥量較大，還需增加膨潤土等增加稠度，而且樁身越長，樁孔底部泥漿自重作用下沉積，清孔難度越大，樁底沉渣厚度難以控制；

⑷由于護壁含泥量大，孔壁泥皮較厚，樁身與樁周土無法粘結(jié)，導(dǎo)致樁側(cè)阻力大大降低。

針對項目地質(zhì)現(xiàn)狀，為保證成樁質(zhì)量和基樁承載力，經(jīng)多方研究論證，從設(shè)計和施工2個方面采取如下措施［6-11］：

⑴對于預(yù)估有效樁長大于60 m的超長樁，采取樁端后注漿施工工藝。該工藝可以劈裂、充填樁端沉渣，同時對樁端上部一定范圍的樁周土進行滲透、充填，從而提高樁端、樁側(cè)阻力；

⑵針對軟土、砂土成孔易塌孔的問題，先進行試成孔，調(diào)整泥漿配方和配比，并選擇合適功率的成孔機械，確保成孔順暢；

⑶要求分成孔后和混凝土澆筑前進行二次清孔，測定的沉渣厚度需滿足設(shè)計要求；灌注混凝土必須連續(xù)進行，導(dǎo)管在混凝土面的埋置深度控制在2.0～6.0 m，嚴禁把導(dǎo)管底端提出混凝土面，并應(yīng)控制導(dǎo)管的提拔速度；

⑷確保樁端持力層，鉆進到設(shè)計要求的持力層后，應(yīng)記錄巖面深度并取樣保存，繼續(xù)鉆進至設(shè)計要求的入巖深度后，記錄巖底標(biāo)高并取樣保存；

⑸加強現(xiàn)場施工管控，對成孔、清孔、持力層巖樣判別、鋼筋籠放置、沉渣測量、混凝土澆筑等全過程進行監(jiān)督。

4 結(jié)論

⑴對于深厚軟土地質(zhì)，為避免偏樁、斷樁事故的發(fā)生，樁基施工前需對表層土作硬化處理。對于流塑狀淤泥的處理，深層攪拌樁效果不理想，可優(yōu)先選用高壓旋噴樁處理；

⑵布樁時單樁承載力特征值的取值應(yīng)考慮負摩阻力引起的下拉荷；負摩阻力計算時，結(jié)合項目本身特點，判斷負摩力產(chǎn)生主要源自于軟土擾動，因此，根據(jù)最大擾動深度確定中性點深度比值為0.6，而未采用文獻［2］的經(jīng)驗值0.9～1.0，從而取得較好的經(jīng)濟性；

⑶對于有負摩阻力的樁基，靜載試驗最大加載值不宜直接采用特征值的2倍，而還應(yīng)加上負摩阻力的2倍后的總值，并應(yīng)在設(shè)計圖紙上注明；

⑷軟土超長混凝土灌注樁施工時容易出現(xiàn)塌孔、斷樁事故，清孔難度大，樁底沉渣厚度難以控制，樁端持力層不宜確認，需加強施工過程監(jiān)管，同時，對于樁長大于60 m的樁建議采用樁端后注漿施工工藝，提高單樁承載力。