巖溶區(qū)PST管樁復(fù)合地基的工程應(yīng)用*

張信貴, 龍林川, 曹 帥, 韓 偉, 張懿丹

(1 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2 廣西大學(xué)設(shè)計(jì)院有限公司，南寧 530004)

0 引言

巖溶地貌在我國分布面積較廣,工程地質(zhì)條件復(fù)雜,存在大量的巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象,影響高層建筑物的安全。而高層建筑的地基基礎(chǔ)需同時(shí)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求,在巖溶區(qū)域,灌注樁基礎(chǔ)單樁承載力可調(diào)空間大,地層適應(yīng)能力強(qiáng),一直以來都是對(duì)變形要求嚴(yán)格的高層、超高層建筑物的基礎(chǔ)首選,但灌注樁施工存在一些問題,比如終孔標(biāo)準(zhǔn)難以把握、孔內(nèi)漏漿、塌孔及樁底沉渣難以清理干凈等問題[1-6]。管樁與灌注樁基礎(chǔ)相比,雖然施工受地層條件的限制,遇到溶溝、溶槽等容易產(chǎn)生斷樁、偏樁的問題,但是對(duì)于處理素填土、黏土等上覆土層適用性較強(qiáng),其樁身質(zhì)量有保證,樁側(cè)土擠密效果明顯,樁端落在巖面上,以基巖作為持力層,樁側(cè)有足夠厚的土層約束來保證樁身穩(wěn)定,可減少對(duì)基巖的擾動(dòng),避免巖溶現(xiàn)象對(duì)灌注樁施工產(chǎn)生不利影響。

與樁基礎(chǔ)相比,管樁復(fù)合地基也是一種比較合理的地基基礎(chǔ)形式,常以混凝土樁、預(yù)制管樁、鋼管樁等作為豎向增強(qiáng)體,由于復(fù)合地基處理后地基承載力較高,被應(yīng)用于越來越多高層建筑的地基處理。復(fù)合地基通過天然地基和豎向增強(qiáng)體共同作用來承擔(dān)建筑物的荷載,褥墊層可以調(diào)節(jié)樁土分擔(dān)的應(yīng)力比,使復(fù)合地基處于正常的工作狀態(tài)[6-12]。

本文的工程實(shí)例場(chǎng)地素填土厚度較大、下伏基巖串珠狀巖溶強(qiáng)烈發(fā)育、灌注樁施工困難、成樁質(zhì)量難以保證。前期已在該場(chǎng)地進(jìn)行預(yù)制高強(qiáng)度管狀勁性增強(qiáng)體樁(PST管樁)復(fù)合地基試樁,依據(jù)試樁的數(shù)據(jù)與結(jié)果來指導(dǎo)該高層建筑PST管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)施工,并通過試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)的方法,驗(yàn)證巖溶區(qū)高層建筑PST管樁剛性復(fù)合地基的可行性,期望為巖溶區(qū)的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 工程概述

1.1 工程簡介

圖1、2為建筑物效果及建筑場(chǎng)地示意圖。擬建高層建筑物由主樓及裙樓組成,主樓12層,建筑高度60.00m,裙樓5層,建筑高度24.37m,附屬地下室2層。主樓采用筏板基礎(chǔ),裙樓采用獨(dú)立基礎(chǔ)。前期在場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行了PST管樁復(fù)合地基的試樁,樁間土、單樁、復(fù)合地基的靜載試驗(yàn)及樁間土的重型動(dòng)探試驗(yàn)結(jié)果均表明,進(jìn)行復(fù)合地基設(shè)計(jì)可以滿足建筑物荷載的要求[13-14]?；谠嚇兜臄?shù)據(jù)和結(jié)果,對(duì)本高層建筑進(jìn)行了復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與施工。

圖1 建筑物效果

圖2 建筑場(chǎng)地示意

1.2 工程地質(zhì)條件

圖3、表1分別為擬建高層建筑場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面、地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)建議值。場(chǎng)地巖土層由上至下依次為:第四系①素填土、②礫質(zhì)黏性土、③礫巖、④白云巖。其中①素填土層厚變異系數(shù)0.233,均勻性一般,相對(duì)松散,壓縮性高,后期會(huì)發(fā)生固結(jié)沉降;②礫質(zhì)黏性土層厚變異系數(shù)0.856,水平和豎直方向分布不均勻,埋深較大,地層穩(wěn)定性差;③礫巖場(chǎng)內(nèi)零星分布,層厚變異系數(shù)0.617,層厚很不穩(wěn)定;④白云巖巖面起伏較大,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。落水洞、溶洞、溶隙、溶槽、溶溝等不良地質(zhì)的作用,降低了巖體的完整性,降低了地基承載能力,部分溶洞、溶隙在荷載作用下還可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn),形成巖溶塌陷,導(dǎo)致建筑物破壞[15-17]。

表1 地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

圖3 場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面/m

1.3 前期施工情況及方案分析

該建筑基礎(chǔ)未施工之前,場(chǎng)地旁有高層建筑灌注樁基礎(chǔ)已進(jìn)行施工,工程地質(zhì)與該建筑接近,因工程樁承載力較高,素填土土層厚度大、承載力低,進(jìn)行靜載試驗(yàn)成本較大,且堆重有傾覆的危險(xiǎn),因此采用鉆芯法進(jìn)行樁身質(zhì)量檢測(cè),經(jīng)檢測(cè)各基樁都存在這些問題:1)樁身完整性不滿足要求,完整性類別屬于Ⅲ～Ⅳ類;2)樁底沉渣厚度≥50mm;3)樁端持力層性狀與設(shè)計(jì)要求的④白云巖不一致。

以上問題的出現(xiàn)導(dǎo)致樁的檢測(cè)不合格,基礎(chǔ)施工處于停滯狀態(tài)。

經(jīng)分析,灌注樁質(zhì)量不合格的原因有:1)串珠狀溶洞發(fā)育,灌注時(shí)存在漏漿、涌水現(xiàn)象,導(dǎo)致樁身出現(xiàn)質(zhì)量問題;2)成孔后孔內(nèi)沉渣難以徹底清除,影響承載力的發(fā)揮;3)樁端持力層多憑經(jīng)驗(yàn)判斷,出現(xiàn)多層溶洞時(shí)終孔標(biāo)準(zhǔn)難以確定。

針對(duì)以上問題,決定改用PST管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì),PST管樁與常規(guī)PHC管樁相比,具有管壁較薄、樁徑小的優(yōu)點(diǎn),宜作為豎向增強(qiáng)體來處理素填土較厚的地基,為保證工程的順利進(jìn)行,前期在場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行試樁,根據(jù)試樁的數(shù)據(jù)和結(jié)果來進(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工[13-14]。

2 PST管樁復(fù)合地基處理方案

2.1 PST管樁復(fù)合地基試樁情況

前期在場(chǎng)地內(nèi)共施工了25根PST管樁,設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力為450kPa,樁端以基巖面作為持力層,有效樁長20～28m,采用重型圓錐動(dòng)力觸探、淺層平板載荷試驗(yàn)來檢測(cè)樁間土的承載力;采用靜載試驗(yàn)來檢測(cè)單樁及單樁復(fù)合地基承載力。試樁檢測(cè)結(jié)果表明:樁間土承載力可以滿足設(shè)計(jì)要求,管樁對(duì)樁間土的擠密效果明顯,3m以內(nèi)淺部樁間土地基承載力相比于未處理前提高了約1.1倍;單樁及單樁復(fù)合地基檢測(cè)的各個(gè)靜載荷載-位移(P-S)曲線均為緩變型,回彈率較高,樁底及樁側(cè)主要發(fā)生的是彈性變形,塑性變形較小,可以滿足建筑物承載力和變形的要求,為高層建筑地基的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)[13-14]。

2.2 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

2.2.1 單樁承載力

采用PST-500(60)型號(hào)的管樁作為復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體,根據(jù)該樓范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)的平均地層厚度,采用式(1)計(jì)算單樁豎向承載力特征值:

Ra=u∑qsiali+αqpaAp

(1)

式中:Ra為復(fù)合地基單樁豎向承載力特征值,kN;u為樁身周長,m;qsia為樁側(cè)第i層土側(cè)阻力特征值,kPa;qpa為樁端阻力特征值,kPa;α為樁端阻力修正系數(shù);li為樁周第i層土的厚度,m;Ap為樁端樁截面面積,m2。

則有Ra=1.57×(-5×11.93+45×6.37)+0.9×0.196×5 000=1 238kN,根據(jù)計(jì)算結(jié)果及已有的試樁數(shù)據(jù),將單樁承載力特征值取為1 200kN。

為避免樁身在豎向荷載作用下發(fā)生破壞,采用式(2)對(duì)樁身強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核:

fcu=4λRa/Ap

(2)

式中:fcu為樁體試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)。

則有fcu=4×0.9×1 200/0.196=22.04<27.5N/mm2(C60混凝土的fcu=27.5N/mm2),樁身在豎向荷載作用下不會(huì)破壞,強(qiáng)度可以滿足要求。

2.2.2 復(fù)合地基承載力

地基處理按照變剛度調(diào)平原則,根據(jù)建筑荷載與地基反力的分布特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),以主樓核心區(qū)的復(fù)合地基承載力為例,利用式(3)、(4)對(duì)置換率和樁間距進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算:

(3)

(4)

式中:fspk為復(fù)合地基承載力特征值,kPa;fsk為天然地基承載力特征值,kPa;β為樁間土發(fā)揮系數(shù);m為面積置換率;s為樁間距,m。

表2 地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 地基處理平面布置

2.3 復(fù)合地基設(shè)計(jì)要求及施工控制

2.3.1 成樁質(zhì)量控制

施工過程中若遇到溶洞(土洞),導(dǎo)致管樁承載力的終壓力值無法達(dá)到要求時(shí),停止沉樁施工。在樁側(cè)釬探探明溶洞(土洞)發(fā)育情況,根據(jù)溶洞的發(fā)育情況,采取壓力注漿措施且達(dá)到強(qiáng)度要求后,在原樁位側(cè)進(jìn)行補(bǔ)樁處理。復(fù)合地基管樁的單樁承載力相對(duì)樁基礎(chǔ)承載力較小,樁數(shù)較多且分布均勻,抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng),施工時(shí)管樁承載力通過終壓力值及穩(wěn)壓措施控制;樁周有足夠的約束土層,且建筑物基礎(chǔ)可對(duì)基底應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整,每根樁施工都嚴(yán)格按照2.2倍終壓力值進(jìn)行控制,連續(xù)穩(wěn)定復(fù)壓5次,每次復(fù)壓時(shí)間為10s,可以確保復(fù)合地基的承載力及可靠性。

如圖5所示,樁端采用十字鋸齒形型鋼樁尖,可以咬入破碎巖中起到穩(wěn)定樁端的作用。管樁完成壓樁或錘擊沉樁后,馬上標(biāo)明樁頂測(cè)量點(diǎn)位置并測(cè)量標(biāo)高,孔口蓋好保護(hù)板,施工完成后及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)標(biāo)高,對(duì)有上浮的管樁及時(shí)制定復(fù)壓的方案,保證樁端落在巖面上,防止樁基突然沉降,影響建筑物的安全。

圖5 十字鋸齒形型鋼樁尖

2.3.2 樁頭處理及褥墊層鋪設(shè)

管樁的連接采用端板焊接法,焊接時(shí)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,焊縫等級(jí)必須符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》(JGJ 18—2012)和《鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 107—2010)的規(guī)定。施焊完成的樁接頭應(yīng)自然冷卻后繼續(xù)沉樁,樁頂以下300mm采用鋼托板及混凝土進(jìn)行封堵,樁頂用混凝土抹平,避免樁頭偏心受力,影響整樁的受力性能,具體做法如圖6所示。

圖6 樁頭處理示意

褥墊層對(duì)復(fù)合地基調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比起到至關(guān)重要的作用[18-20]。褥墊層厚度為250mm,施工時(shí)分層鋪設(shè),每層需鋪設(shè)厚度≤200mm,鋪設(shè)完后用平板震動(dòng)器橫縱各壓實(shí)4遍以上至設(shè)計(jì)厚度,壓實(shí)系數(shù)≥0.94。集水坑斜邊褥墊層鋪設(shè)時(shí),為保證樁頂豎向受力,將集水坑斜邊改為垂直面鋪設(shè)褥墊層,具體做法如圖7所示。

圖7 斜邊褥墊層鋪設(shè)示意

2.4 檢測(cè)結(jié)果及討論

2.4.1 檢測(cè)方案

檢測(cè)采用低應(yīng)變法、單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)及單樁載荷試驗(yàn)對(duì)復(fù)合地基的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn),靜載試驗(yàn)樁低應(yīng)變檢測(cè)全部合格,均為Ⅰ類樁,有效樁長15～20m。載荷試驗(yàn)采用慢荷載維持法,待上級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行下一級(jí)荷載施加,達(dá)到極限荷載值后再進(jìn)行卸載。單樁載荷試驗(yàn)時(shí)樁頭打磨平整且用鋼抱箍箍住,防止偏心作用及樁頭損壞影響試驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)前,提前對(duì)地基進(jìn)行預(yù)壓,避免挖土卸載后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,并隨機(jī)抽取各5個(gè)樁進(jìn)行試驗(yàn)。各載荷試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)概況如表3所示,測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

表3 載荷試驗(yàn)樁概況

2.4.2 載荷試驗(yàn)荷載-沉降曲線分析

工程樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)時(shí),終壓力值均按單樁承載力特征值的2倍進(jìn)行控制。單樁載荷及單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)荷載-沉降(P-S)曲線見圖8、9。由圖8、9可知:P-S曲線均為緩變型,其中273#樁的單樁載荷為720kN時(shí)沉降突變,單樁可能存在浮樁現(xiàn)象,但上浮的位移很小,靜荷載試驗(yàn)結(jié)果仍可滿足設(shè)計(jì)要求。206#、273#、360#、624#、778#各單樁載荷試驗(yàn)總沉降值分別為8.89、10.66、10.38、5.36、5.41mm;218#、447#、451#、670#、767#單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)總沉降值分別為10.86、15.33、10.76、11.80、15.47mm。說明PST管樁樁身及樁端強(qiáng)度高,在樁側(cè)和樁端主要發(fā)生彈性變形,壓縮量較小,沉降變形較小。檢測(cè)管樁樁端均已到達(dá)巖面,未出現(xiàn)嚴(yán)重浮樁、樁間土孔隙水壓力未消散、樁端未穿越軟弱夾層等造成單樁承載性能下降的現(xiàn)象,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 單樁載荷試驗(yàn)的P-S曲線

圖9 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的P-S曲線

3 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

2019年6月8 日地下1層梁板施工完之后開始監(jiān)測(cè),共布置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),編號(hào)J1～J13,其中J1～J3為裙樓監(jiān)測(cè)點(diǎn),J4～J10為主樓非核心區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn),J12、J13為主樓核心區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn),各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。2020年7月7日整棟樓完成封頂,監(jiān)測(cè)至2021年1月20日結(jié)束。沉降監(jiān)測(cè)曲線見圖10。由圖可知,在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)(共592d),累計(jì)沉降量在10.11～12.18mm之間,建筑物封頂后,連續(xù)兩期的平均沉降速率為0.003mm/d,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率在0.000 3～0.008mm/d之間,小于0.02mm/d,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)的最大沉降差為2.07mm,沉降較均勻,小于0.002L(L為自室外地面算起的建筑物高度,為54m),滿足《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50026—2020)要求。

圖10 建筑物沉降監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

(1)單樁及單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的P-S曲線總體呈緩變型,回彈值較大,沉降殘余值小。說明沉樁后管樁樁身完整,質(zhì)量好,樁側(cè)與樁底持力主要發(fā)生彈性變形,樁端持力層較堅(jiān)硬,樁端已到達(dá)巖面且未出現(xiàn)嚴(yán)重浮樁現(xiàn)象。

(2)建筑物封頂后連續(xù)兩期的平均速率均小于0.02mm/d,實(shí)際沉降在10.11～12.18mm之間,累計(jì)的最大沉降差為2.07mm,沉降較均勻。說明結(jié)構(gòu)建成后復(fù)合地基樁土共同作用,結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)協(xié)同工作時(shí)整體剛度較大,抵抗不均勻沉降的能力變強(qiáng)。

(3)PST管樁作為復(fù)合地基的增強(qiáng)體,樁端落在巖面上,對(duì)基巖擾動(dòng)較小,能克服巖溶區(qū)灌注樁施工的某些缺點(diǎn),具有樁身質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)性好、擠土效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明剛性復(fù)合地基可以滿足高層建筑物對(duì)地基強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性的要求,對(duì)指導(dǎo)巖溶區(qū)建筑物地基的設(shè)計(jì)和施工有一定的意義。