復雜地質條件下大噸位樁與土復合地基施工技術研究

劉長軍LIU Chang-jun

（中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，西安 710000）

0 引言

隨著我國經濟的高速發(fā)展，高層建筑、大型橋梁以及各種大型構筑物如雨后春筍般地興建，但因我國幅員廣大，地質條件差異極大，南方與北方、內地與沿海、山區(qū)與平原、高原與丘陵有截然不同的地質條件，在大多數(shù)情況下，為了控制上部建、構筑物的沉降、傾斜，設計人員會采用較為穩(wěn)妥的樁基方案——大噸位端承樁或摩擦樁[1]，并沒有利用基礎承臺或筏板下可能存在的承載能力較好的巖土，使基礎設計形成巨大的浪費。在巖溶地質條件下存在石芽、孤石、巖面起伏或基巖崩塌時單面巖層缺失等復雜情況，即使采用大噸位樁基也難以克服不均勻沉降的問題。

傳統(tǒng)的樁-土復合地基，采用的是預估法[2]：預估樁、土分別承擔荷載的比例。預估法無法量化，有很大的偏差，使底板、樁承臺出現(xiàn)較大的次應力，甚至出現(xiàn)由樁或土單一負荷，復合地基失效的情況。

近年來，在一些高層建筑的大口徑樁頂上設置可調節(jié)沉降器、承臺之間土上鋪設褥墊層等措施，可以實現(xiàn)樁-土共同承擔上部荷載的新型復合地基，也能大幅度降低基礎工程造價。在巖溶地質區(qū)，通過在灌注樁頂設置可調節(jié)沉降器可以解決巖土軟硬不均，沉降差異較大的問題。

1 工程概況

工程位于廈門海滄區(qū)，二棟30 層的住宅由三層群房連成整體，地下室二層，總建筑面積32500m2。場地中地層自上而下有：雜填土、粉質粘土、砂土、花崗巖殘積土、花崗巖等，場地中分布有大量的孤石，孤石豎向厚度從0.4～17m 不等，有的呈串狀分布。試打樁采用φ800m 的沖孔樁，3 根樁均碰到大直徑孤石，無法穿越，以失敗告終。經分析，采用天然地基存在巨大風險，最終確定采用大口徑人工挖孔樁頂加設可調節(jié)沉降器+天然地基的復合地基作為基礎，如圖1。

圖1 新型復合地基原理圖

通過在大噸位樁頂設置可調節(jié)沉降器[3]使承臺（或筏板）在上部荷載作用下有一定數(shù)量（一般50～150mm）沉降空間，此階段基礎底板壓在樁間土上，由樁間土持荷，可調節(jié)沉降器受到壓縮；當樁間土被壓縮至一定量時，在可調節(jié)沉降器四周注入水泥漿，使承臺與大噸位樁基剛性連接，此時上部荷載轉由樁基才承擔，樁間土發(fā)揮了最大的持荷作用而且不至于失穩(wěn)；承臺之間土上鋪褥墊層使不均勻的土體更為合理分配荷載，從而形成可量化的樁-土分擔荷載復合地基。

2 施工技術及操作要點

2.1 大噸位樁基承載力確定

大噸位樁基一般采用沖鉆孔工藝或人工挖孔樁，其極限承載力標準值，按下式確定：

式中：Qsk——總極限側阻力標準值；

Qpk——總極限端阻力標準值；

μ—— 樁身周長；

ψsi——大直徑樁側阻力尺寸效應系數(shù)；

qsik——樁側第i 層土極限側阻力標準值；

li—— 樁側第i 層土的厚度；

ψp——大直徑樁端阻力尺寸效應系數(shù)；

qpk——極限端阻力標準值；

AP——樁端面積。

2.2 樁基數(shù)量優(yōu)化計算

采用大噸位樁-土復合地基時，可把地基承載力充分利用，因此樁基數(shù)量可按下式計算：

式中：Fk——荷載效應標準組合下，作用于承臺頂面的豎向力；

Gk——樁基承臺和承臺上土體自重標準值，對穩(wěn)定的地下水位以下部分應扣除水的浮力；

fa——經修正后地基土承載力特征值；

Ac——承臺底扣除樁基截面積的凈面積；

Ra——單樁豎向承載力特征值；

n——樁基中基樁的數(shù)量。

2.3 可調節(jié)沉降器的選擇

可調節(jié)沉降器應根據(jù)承載能力和變形能力二個因素確定[4]；其承載能力應大于設計要求的單樁極限承載力，一般可選擇承載能力5000kN～10000kN 的沉降器；其變形能力應大于設計要求的樁間土體沉降量的1.5 倍。一般可選擇變形量大于150mm 的沉降器。

一般采用沖（鉆）孔施工工藝；地下水位較深且樁較短的情況下也可采用人工挖孔工藝。當采用沖（鉆）孔工藝時，沖（鉆）進時采用正循環(huán)排漿，清渣時采用反循環(huán)，并且在下放鋼筋籠后澆灌混凝土前應進行二次清渣，確保沉渣厚度不超過30mm。樁端進入持力層不應小于1d。

巖溶地質條件下施打大噸位樁，常常會發(fā)生樁孔中漿液面標高下降或漿體突然消失現(xiàn)象，此時應提起沖錘向樁孔中填入粘土、石塊等，填充高度應超過塌孔面2m 以上，然后再沖擊成孔；當溶洞較大或巖層裂隙水流較急時，可在樁孔中填入C20 等級的混凝土，48h 后再沖孔；當遇到石芽巖面時，可填入塊石與粘土的混合料，比例為塊石：粘土=1:2，若還是無法阻止偏孔，則應在旁邊一定范圍內重新開孔。

樁定超過設計標高的混凝土應鑿除，若標高以下混凝土強度或密度不夠也應鑿除，露出新鮮混凝土面，并用鋼絲刷和壓力水把樁頂混凝土面清除干凈；若樁頂標高不足，可用比樁身混凝土等級高一級的混凝土補澆至設計標高面；樁頂鋼筋長度保留500mm 長。

可調節(jié)沉降器的底座為一組帶有錨固鋼筋的鋼板，鋼板之間由L50×50×5 的角鋼連接，焊接時必須保持鋼板在一個平面內。底座與樁頂間預留的500mm 高度空間應安放五層鋼筋網片，網片用φ8@100 鋼筋焊接而成，網片層間距離為100mm，用架立鋼筋定位。

可調節(jié)沉降器的底座安放于鋼筋網片上方，并使底座中心的定位螺母與樁中心重合，平面位置誤差不大于10mm；調整底座的標高和平整度，標高誤差不大于5mm，平整度誤差不大于2mm；然后用電焊方法把底座下的預留錨固筋與樁頂錨固筋焊接固定，確保底座牢固不會移動和變形。

底座安裝固定牢固后，樁周支設模板；再次復核底座的平面位置、標高、平整度等，符合要求后可澆筑混凝土，底座混凝土應比樁身混凝土高一等級，混凝土塌落度控制在50～80mm，用振搗棒振搗密實，混凝土表面用鐵棒子抹平壓光，其標高應比底座鋼板高出2mm；清除底座鋼板上的殘余漿體，24 小時候拆模，并用土工布覆蓋，澆水養(yǎng)護7d，如圖2。

圖2 底座外觀圖

拆除可調節(jié)沉降器的臨時固定螺栓，逐個輕輕放置于底座鋼板上，可調節(jié)沉降器鋼板薄的一面朝上，其中心應與底座鋼板中心重合，位置確定后，把可調節(jié)沉降器的下緣鋼板與底座鋼板點焊固定，電焊宜采用二氧化碳保護焊，焊點間距為50mm，如圖3。

圖3 可調節(jié)沉降器安放后的外觀

變形標識桿是用來測量可調節(jié)沉降器的絕對壓縮變形量的標尺，根據(jù)變形量可推算出樁所承擔的荷載，其公式為：

式中：R——基樁承擔的荷載；

K——可調節(jié)沉降器的彈性系數(shù)；

s——可調節(jié)沉降器的壓縮變形量。

因此，保持變形標識桿的完好性非常重要。

變形標識桿是一根帶有數(shù)字刻度的鋼條，位于可調節(jié)沉降器群的形心位置，一般也是基樁的中心。通過標識桿下端的水平筋與底座鋼板焊在一起，保持豎直狀態(tài)。

側護板和上蓋板的功能是將可調節(jié)沉降器群封閉在一個獨立的空腔中[5]，保證可調節(jié)沉降器和變形標識桿不受到外部損壞，并使可調節(jié)沉降器能自主變形。因此，應檢查樁頂除可調節(jié)沉降器和變形標識桿外不得有其他異物，再把上蓋板穿過變形標識桿上端放在可調節(jié)沉降器上，保持變形標識桿處在上蓋板設的導管中心，相互之間設有摩擦作用；位置確定后把側護板與樁頂之間的空隙用木楔頂緊，如圖4。

圖4 上蓋板安裝后的外觀

在上蓋板靠近邊緣處預留2～3 個φ30mm 的注漿孔，注漿管可選用φ48 無縫鋼管，鋼管中心與注漿孔中心對齊，再與上蓋板電焊，焊縫厚度δ=5mm，周邊應滿焊無縫隙，注漿管的長度應比承臺厚度大200～300mm，便于后期注漿，注漿管上口應用紡織布臨時封堵，防止異物掉入空腔中。

側護板外側應回填中砂，砂應干凈無雜質，特別不能有較大顆粒的石塊混入，目的是保證側護板在上部荷載作用下能自由下沉，砂層無密實度要求，但必須填充滿整個凹槽。

當?shù)刭|條件復雜，樁間土非常不均勻特別是有淺層孤石或溶洞時，在承臺之間鋪設褥墊層能有效均衡天然地基土的承載力，減少基礎底板的次應力，提高復合地基的效果。

2.3.1 施工用材料

①褥墊層材料應為級配砂石，石∶砂=3∶7，石子粒徑20mm～40mm，含泥量不大于5%。

②褥墊層的加筋體土工合成材料采用鋼塑復合土工格柵，格柵強度不小于80kN/m。

2.3.2 褥墊層施工

①采用填筑法施工，分段分層攤鋪，用手推車或塔吊吊斗將級配砂石運載至基坑底部，人工攤平，虛鋪厚度20～30cm，用打夯機反復打夯，密實度達到93%以上。

②褥墊層不得在浸水條件下施工，當有地表水時應挖排水溝疏干，地下水位較高時應采用深井降水法降低水位。

③若級配砂石較為干燥，采用噴淋裝置均勻灑水，使填料含水率在10%～15%之間，再行夯壓。

2.3.3 土工合作材料加筋體施工

①土方挖至設計標高后，可進行土工格柵的鋪設施工。

②土工格柵要鋪設完整，搭接寬度為30cm。

③鋪設土工格柵應連續(xù)作業(yè)，拉平繃緊，不得出現(xiàn)扭曲、褶皺，端頭要固定；土工格柵鋪好后盡快填砂、石料。

④砂、石料夯實后表面應平整，然后再鋪設面層土工格柵。

⑤面層土工格柵鋪好后澆筑100mm 厚C15 素砼墊層。

基礎承臺、底板施工過程中應重點保護可調節(jié)沉降器、變形標識桿，注漿管等設施不被破壞。

在上部建筑物的荷載作用下，樁間土達到承載力特征值時，或可調節(jié)沉降器的壓縮量達到額定值時，應對可調節(jié)沉降器的空腔進行注漿。

注漿材料宜選用商品灌漿料，若采用現(xiàn)場配置，可采用水灰比不大于0.5 的純水泥漿。

注漿可通過預留的三根注漿管中的一根灌注即可，注漿壓力應不小于0.5MPa，注漿應連續(xù)一次完成，注滿后保持壓力3min 以上，注漿完成后應將注漿管口封緊嚴密。

沉降觀測包括建筑物的沉降觀測和可調節(jié)沉降器的沉降觀測，通過變形標識桿直接讀取下沉數(shù)值；主體結構施工期間每上一結構層應讀取一次，裝修期間按每十天讀取一次數(shù)值或每增加建筑物總荷載的5%讀取一次數(shù)值，直至建筑物穩(wěn)定時為止。

樁頂超灌混凝土應鑿除干凈，露出新鮮密實的混凝土平面，二次澆搗的樁頂混凝土厚度不應少于500mm。下墊板應有足夠剛度的支承桿，支承桿支頂在鑿除干凈的樁頂面，并與鋼筋網片焊接固定；下墊板的傾斜度不應大于1%?？烧{節(jié)沉降器的平面位置誤差不應大于10mm，標高誤差不應大于5mm。可調節(jié)沉降器與下墊板之間應有可靠的聯(lián)結；變形標識桿與下墊板應焊接牢固，垂直度偏差不應大于1%。

3 結束語

工程完工后工程沉降已穩(wěn)定，最大沉降51mm，最小沉降27mm。工程結構未發(fā)現(xiàn)下沉導致的裂縫，節(jié)約工程基礎造價45%，約550 萬元，效果良好。

該施工技術是一種區(qū)別于傳統(tǒng)復合地基的型式，不僅可充分發(fā)揮樁間土承載作用，而且使樁與土承擔荷載量化，樁間土變形得到完全控制，讓樁與土變形協(xié)調，共同持荷。它適用于基礎底部為為粘土、砂質土、粉土、殘積土的多層、高層建筑物或其他大噸位樁基的構筑物；在巖溶地質區(qū)采用此復合地基有獨特的優(yōu)勢。由于充分發(fā)揮了樁間土的承載能力，減少了用樁量；不均勻地質區(qū)可合理調整樁長和樁數(shù)量，使基礎工程造價大大降低，降低造價40%～70%。