低強(qiáng)度素混凝土樁復(fù)合地基在高層中的應(yīng)用與分析

文/黃仕海 株洲市規(guī)劃設(shè)計(jì)院 湖南株洲 412008

巖溶地貌是一種比較復(fù)雜的地質(zhì)情況，廣泛分布于風(fēng)化巖層中。溶洞填充物承載力較低，容易發(fā)生巖溶塌陷。若高層建筑基礎(chǔ)采用端承樁基礎(chǔ)，則存在成樁質(zhì)量及溶洞處理等難題；而天然地基又不能夠滿足承載力及變形的要求。低強(qiáng)度素混凝土樁復(fù)合地基通過(guò)處理淺層土層，提高了天然地基的承載力，縮短了建設(shè)工期，節(jié)省了25%以上的造價(jià)，滿足設(shè)計(jì)要求，是一種最佳的基礎(chǔ)形式。

1、工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本工程建造地點(diǎn)位于湖南省株洲市，6#棟主要為底部帶兩層帶商業(yè)的高層住宅建筑，地上33層，一層地下室，總高度為99.8m，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

1.2 工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地原始地貌為丘陵地貌，場(chǎng)地稍有起伏。土層剖面圖詳見(jiàn)圖1。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，場(chǎng)地單棟地下室底板標(biāo)高處的土層為粉質(zhì)黏土，壓縮性中等，不宜作為高層建筑的持力層；場(chǎng)地下層土層為白云質(zhì)灰?guī)r，然而白云質(zhì)灰?guī)r中存在發(fā)育較完全的巖溶，溶洞填充物為粉質(zhì)黏土，承載力較低，對(duì)地基基礎(chǔ)影響較大，采用端承樁基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)引起重視。

圖1 土層剖面圖

2、基礎(chǔ)方案

圖1

圖2

根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地淺層土為粉質(zhì)黏土，壓塑性中等，若采用天然地基基礎(chǔ)，無(wú)法滿足上部結(jié)構(gòu)承載力及變形的要求； 若采用樁基礎(chǔ)，樁端持力層存在較發(fā)育的溶洞，存在安全隱患，不滿足規(guī)范要求，樁基需要貫穿溶洞。由于下伏溶洞分布廣，發(fā)育強(qiáng)烈，不確定性因素大，樁基貫穿溶洞方案不但處理技術(shù)難度大，工程成本高，且成樁質(zhì)量難以保證，方案可行性差。采用有粘結(jié)強(qiáng)度的剛性樁對(duì)淺層土進(jìn)行地基處理，形成樁-土共同受力的剛性樁復(fù)合地基，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足上部結(jié)構(gòu)承載力和變形的要求，還應(yīng)滿足下臥層的應(yīng)力要求，保證應(yīng)力經(jīng)土層擴(kuò)散后溶洞的安全，不需要另外再對(duì)溶洞進(jìn)行加固處理。經(jīng)過(guò)對(duì)比試算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定采用剛性樁復(fù)合地基方案。

3、復(fù)合地基設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求，復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過(guò)復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)或采用增強(qiáng)體靜載荷試驗(yàn)結(jié)果和周邊土的承載力特征值結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)有粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基應(yīng)該按下式計(jì)算：

其中：?jiǎn)螛冻休d力發(fā)揮系數(shù)λ取1.0，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β取0.8。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告描述及剖面圖，②-2粉質(zhì)黏土層為本工程進(jìn)行處理的土層，天然地基承載力特征值fsk=200kPa。

圖2 低強(qiáng)度素混凝土樁平面布置圖

本工程采用長(zhǎng)螺旋鉆中心壓灌成樁，樁徑為500mm，正方形布樁，樁間距為1.1m，樁端持力層為⑥白云質(zhì)灰?guī)r，樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為8000kPa，樁長(zhǎng)約5～8m，樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)αp=0.55，不考慮樁側(cè)摩擦力。根據(jù)規(guī)范要求，剛性樁可只布置在基礎(chǔ)范圍內(nèi)，低強(qiáng)度素混凝土樁平面布置如圖2所示，單樁承載力特征值：

取Ra=400kN。

則復(fù)合地基承載力特征值：

3.1 褥墊層設(shè)計(jì)

褥墊層是保證復(fù)合地基中樁-土共同受力的重要條件，通過(guò)改變?nèi)靿|層的厚度，能夠調(diào)整樁和土所分擔(dān)上部豎向荷載及水平荷載的比值，褥墊層越厚，樁所承擔(dān)的荷載比值越小。由于樁體本身為素混凝土，未配置鋼筋，其抵抗水平承載力的能力較弱，因此，合理的設(shè)置褥墊層厚度顯得尤為重要。根據(jù)規(guī)范要求，樁頂和基礎(chǔ)之間褥墊層厚度宜為樁徑的40%～60%，褥墊層材料宜采用中砂、粗砂、級(jí)配砂石和碎石等，最大粒徑不宜大于30 mm，褥墊層的夯填度不應(yīng)大于0.9。本工程褥墊層厚度取為300mm，樁頂不應(yīng)伸入褥墊層內(nèi)。

3.2 沉降計(jì)算

本工程處理的土層為粉質(zhì)黏土層，沉降計(jì)算深度取至白云質(zhì)灰?guī)r巖面。經(jīng)過(guò)素混凝土樁處理后的復(fù)合地基壓縮模量為該層天然地基壓縮模量的ζ倍，即，復(fù)合地基壓縮模量Esp=2.3Es。基底附加應(yīng)力。

計(jì)算地基變形時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，可采用各向同性均質(zhì)線型變形體理論，其最終變形量可按下式進(jìn)行計(jì)算：

4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果及分析

承載力檢驗(yàn)在施工結(jié)束28d后進(jìn)行，單體工程的復(fù)合地基靜載試驗(yàn)數(shù)量不少于3個(gè)點(diǎn)，最大加載壓力不小于設(shè)計(jì)要求承載力特征值的2倍。復(fù)合地基試驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

?

根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可知，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)沉降值均比較接近，平均值為15.80mm，極差小于平均值的30%，與計(jì)算值相差不大且小于規(guī)范允許值。由此可知，采用素混凝土樁處理后的粉質(zhì)黏土層剛度明顯增大，地基變形減小，基礎(chǔ)沉降較均勻，驗(yàn)證了低強(qiáng)度素混凝土樁復(fù)合地基的合理性及可靠性。

結(jié)論：

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用低強(qiáng)度素混凝土樁處理后，復(fù)合地基承載力顯著地提高，減少了地基的變形，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，復(fù)合地基的受力機(jī)理是利用樁和樁間土共同承受上部荷載，通過(guò)鋪設(shè)一定厚度的褥墊層，充分利用了土的承載力作用，減少了工程造價(jià)，節(jié)約了工期，是一種比較經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。