欠固結地基樁基工程設計優選

戚健鋒

(上海電力建筑工程有限公司，上海 200437)

1 概述

隨著工程建設的不斷發展，城市密集程度越來越高，用地越來越緊張，城市建筑追求外觀造型導致整樓偏心等問題，使得特殊土的工程地質特性突顯。原本承載力較好的場地，由于上部荷載較大，荷載分布不均，導致差異沉降和工后沉降都明顯增大。同時，由于未來周邊建設的情況不明，淺基礎極容易受到鄰近工程建設的影響，深基礎特別是樁基礎不僅在軟土地基受到青睞，在卵石、風化巖等硬質地基也應用越來越廣泛。本文針對在表層欠固結土的地基上，建造4棟高層建筑的基礎工程進行樁基優選。

2 待建工程場地工程適宜性評價

2.1 地基土的工程特性

擬建場地地基土由素填土①、粉質粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰巖⑤、強風化凝灰巖⑥1、強風化凝灰巖⑥2、中風化凝灰巖⑦組成。

素填土①：勘察期間回填整平(堆填時間不足1年)，尚未完成自重固結，欠壓實，土質結構疏密不均，局部地段有揭露，厚度為0.40～2.50，變化較大，其工程地質性能差。

粉質粘土②：可塑～硬塑狀，該層力學強度一般，場地內分布較均勻，厚度為4.20 m～12.00 m，承載力特征值fak=160 kPa，其工程地質性能一般。

中砂③：松散～中密，局部鉆孔有揭露，厚度為0.50 m～6.90 m，承載力特征值fak=160 kPa，屬可液化砂土，其工程地質性能差。

卵石④：松散～密實，厚度為1.30 m～9.90 m，變化較大，局部地段缺失，力學強度較高，承載力特征值fak=280 kPa，其工程地質性能較好。

全風化凝灰巖⑤：該層力學強度較高，變化較大，局部地段有揭露，厚度為1.00 m～3.30 m，未發現有碎巖體及軟弱夾層等，承載力特征值fak=350 kPa，工程地質性能較好。

強風化凝灰巖⑥1：該層力學強度較高，承載力特征值fak=450 kPa，穩定性較好，厚度為0.70 m～9.40 m，層面較穩定，未發現有碎巖體及軟弱夾層等，工程地質性能較好。

強風化凝灰巖⑥2：該層力學強度較高，承載力特征值fak=1 000 kPa，穩定性較好，厚度為0.50 m～17.70 m，層面起伏較大，工程地質性能較好。

中風化凝灰巖⑦：力學強度高，承載力特征值fak=3 000 kPa，分布較穩定，但層面起伏較大，工程地質性能好。

2.2 特殊土地質條件評價

擬建場地分布各種特殊性土：雜填土及不同程度風化的花崗巖。

素填土①回填時未專門壓實處理，其密實度和均勻性較差，屬欠固結土，基槽開挖時應做好支護和護坡，采用樁基時應考慮負摩阻力影響；工程施工時，應對場地內填土進行夯實，以避免產生填土的“濕陷”及密實沉降問題。

不同程度風化的凝灰巖具有遇水容易軟化而降低強度或產生崩塌失穩，強度降低的特點，基礎施工宜避開雨季，同時做好排水、疏干工作。

凝灰巖的風化均勻性差，較無規律，容易形成球狀風化的殘留體(孤石)。本次勘察僅在31號孔中揭露到風化殘留體(孤石)，但不排除在鉆孔之間還有孤石存在的可能；樁基施工時應加強持力層檢驗判別。

2.3 地基穩定性與均勻性評價

擬建場地地勢相對開闊，不存在滑坡、崩塌及泥石流等影響場地地基穩定性的不良地質作用，據地面調查及鉆探結果顯示，場地內及附近未發現其他人為地下工程及大面積開采地下水的活動，不會產生地面塌陷；未發現有隱伏的河道、溝浜、防空洞等對工程不利的地下埋藏物或構筑物。對于擬作樁端持力層強風化凝灰巖⑥、中風化凝灰巖⑦及其影響深度范圍內3倍樁身直徑或5 m深度范圍內，未發現有地下洞穴、臨空面、破碎巖體及軟弱夾層等對工程不利的地下埋藏物，地基穩定性較好。

依據鉆探資料分析，擬建場地內素填土①力學性能均勻性差，未完成自重固結，地基土均勻性差；粉質粘土②分布較均勻，厚度變化較大，地基土均勻性一般；中砂③分布不均勻，地基土均勻性差；卵石④層位穩定性一般，厚度變化較大，地基土均勻性一般；下伏全風化凝灰巖⑤、強風化凝灰巖⑥、中風化凝灰巖⑦層位分布相對穩定，但風化不均勻，且各風化帶基巖自身的力學性質也因風化和裂隙發育程度不同而有所差異，綜合評價擬建場地地基均勻性差。

3 樁基方案比選

3.1 基礎工程概況

擬建建筑物共4棟，其中1號～4號樓主樓為32層，采用框剪結構、單柱最大荷載為12 000 kN，設計地坪高程(±0.00)為52.30 m～53.70 m，室外地面高程為51.70 m～53.10 m，地下室承臺底標高47.50 m，基坑開挖后，基坑底部出露的巖土層為粉質粘土②，其承載力特征值fak=160 kPa，承載力無法滿足單柱荷載要求，下伏土層為可液化砂層中砂③及卵石④，故擬建物采用天然地基淺基礎條件差，主樓需采用樁基礎。裙樓為1層～2層，均采用框架結構、柱最大荷載為2 000 kN，裙樓設計地坪高程(±0.00)為52.10 m～53.70 m，室外地面高程51.30 m～53.10 m，純地下室設置1層，框剪結構，單柱最大荷載為1 500 kN，地下室承臺底標高為47.50 m，基坑開挖后，基坑底部粉質粘土②直接出露，擬建物具備采用天然地基淺基礎條件，擬建物若采用天然地基淺基礎，地下室應考慮抗浮作用，應設置抗浮樁；根據場地施工條件，結合經濟費用，擬建裙樓及純地下室基礎形式也采用樁基礎。

3.2 樁基設計方案比選

根據場地條件，上覆欠固結填土，下為不均勻強風化巖的特性，對預制樁、沖、鉆孔灌注樁、人工挖孔灌注樁進行可行性分析。

3.2.1預制樁

擬建1號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為4.29 m～7.74 m(層頂標高為39.76 m～43.21 m)，強風化凝灰巖⑥1埋藏深度為11.34 m～14.23 m(層頂標高為33.27 m～36.16 m)；局部地段強風化凝灰巖⑥1缺失，卵石④以下直接揭露到強風化凝灰巖⑥2；樁型若選擇預制樁，以卵石④作為樁端持力層；樁長難以滿足規范及設計要求；若持力層選擇在強風化凝灰巖⑥1、強風化凝灰巖⑥2，樁身穿越巖土層為粉質粘土②、卵石④，其卵石④為松散～密實，樁身穿越卵石④難度較大，若選擇預制樁，樁基施工時應采用預鉆孔再沉樁方式進行施工，確保樁長滿足規范及設計要求。擬建2號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為5.87 m～9.47 m(層頂標高為38.03 m～41.63 m)，強風化凝灰巖⑥1埋藏深度為10.15 m～12.94 m(層頂標高為34.56 m～37.35 m)；局部地段卵石④缺失，樁型若選擇預制樁，以卵石④或強風化凝灰巖⑥1作為樁端持力層；樁身穿越巖土層為粉質粘土②、中砂③，樁身穿越各巖土層難度不大。若持力層選擇在強風化凝灰巖⑥1，樁身穿越巖土層為粉質粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰巖⑤，其卵石④為松散～密實，樁身穿越卵石④難度較大，若選擇預制樁，樁基施工時應采用預鉆孔再沉樁方式進行施工，確保樁長滿足規范及設計要求。擬建3號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為4.72 m～5.97 m(層頂標高為41.53 m～42.78 m)，強風化凝灰巖⑥1埋藏深度為9.42 m～12.18 m(層頂標高為35.32 m～38.08 m)；擬建4號樓地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度為6.97 m～9.40 m(層頂標高為38.10 m～40.53 m)，強風化凝灰巖⑥1埋藏深度為11.36 m～14.07 m(層頂標高為33.43 m～36.14 m)，該兩處塔樓下的樁型若選擇預制樁，以卵石④作為樁端持力層；樁長難以滿足規范及設計要求；若持力層選擇在強風化凝灰巖⑥1，樁身穿越巖土層為粉質粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰巖⑤，其卵石④為松散～密實，樁身穿越卵石④難度較大，樁基施工時應采用預鉆孔再沉樁方式進行施工。

綜上所述，若采用預制樁，1號、2號樓及裙樓以卵石④作為樁端持力層；局部地段持力層埋藏深度較淺，可結合預鉆孔再沉樁方式進行施工。為確保樁長滿足規范及設計要求，3號、4號樓需以強風化凝灰巖⑥1作為樁端持力層，樁基施工時應采用預鉆孔再沉樁方式進行施工。

3.2.2沖、鉆孔灌注樁

擬建物地下室開挖至承臺底標高(47.50 m)后，強風化凝灰巖⑥1埋藏深度為7.65 m～14.51 m(層頂標高為32.99 m～39.85 m)；或強風化凝灰巖⑥2埋藏深度為7.82 m～18.65 m(層頂標高為28.85 m～39.68 m)；中風化凝灰巖⑦埋藏深度為9.59 m～29.97 m(層頂標高為17.53 m～37.91 m)；如選擇沖、鉆孔灌注樁，建議1號～5號 樓主樓以中風化凝灰巖⑦作為樁端持力層；裙樓及純地下室以強風化凝灰巖⑥2或中風化凝灰巖⑦作為樁端持力層；該種樁型穿透力強，穩定性較好，單樁承載力高，但施工工期偏長，造價偏高。

3.2.3人工挖孔灌注樁

擬建物樁型若選擇人工挖孔灌注樁，以強風化凝灰巖⑥1作為樁端持力層，場地內分布有強透水層(中砂③、卵石④)，且強風化凝灰巖⑥1埋藏深度超過15 m，按建設主管部門的相關技術文件規定禁止采用人工挖孔灌注樁。

綜上所述：在樁型選擇上擬建1號～4號樓主樓、裙樓及純地下室可采用預制樁或沖(鉆)孔灌注樁，但是由于場地土顆粒較粗、樁端入巖，預制樁打入困難，仍需先沖、鉆孔再下放預制樁。

3.3 樁基施工方案比選

3.3.1預制樁

擬建物樁型若采用預制樁，場地四周距離已有建筑物較遠，沉樁方式采用錘擊或靜壓均可，考慮到卵石③厚度為1.30 m～9.90 m，建議采用錘擊式預應力管樁進行施工，但應作好樁基施工的作業時間，以避免噪聲對周邊村民及環境的不利影響。施工時以壓樁力或貫入度并結合標高控制樁長。以強風化凝灰巖⑥1作為樁端持力層；樁端穿越的土層為粉質粘土②、中砂③、卵石④、全風化凝灰巖⑤，建議采用具有較大壓樁力的機械或大噸位樁錘，樁若較難壓(打)進時，不可強加壓(打)力，以免樁身爆裂，應采用加焊樁尖及預鉆孔沉樁等輔助措施，樁端進入持力層的深度均應以壓樁力或貫入度控制為主，標高控制為輔。

3.3.2沖、鉆孔灌注樁

擬建物樁型若采用沖、鉆孔灌注樁，該樁型穿透能力強，可穿填石、孤石進入穩定巖層。場地內傾斜陡變的巖面容易使樁基產生偏移、斜樁。因此建議樁基施工時在巖面坡度大于10%的部位布置超前鉆孔進行施工勘察，以加強樁端持力層的識別。樁身穿越的土層，對基樁施工影響較小，但應防止中砂③、卵石④在沉樁過程中出現塌孔問題，故應做好孔壁泥漿支護工作，該樁型存在的問題是施工質量較難控制，常出現樁端沉渣，厚度較大等施工質量影響樁基承載力；建議選擇施工經驗豐富、管理先進的施工隊伍，并采用樁端壓力注漿工藝；為減少樁端沉渣，建議采用反循環清渣施工工藝，保證沉渣厚度小于5 cm，同時應強化檢測手段。在施工時，應嚴格控制合理的泥漿配比，以免產生斷樁、離析、樁底沉渣等問題，在主要含水層地段應合理調整泥漿配合比，確保樁基質量。

3.4 樁基方案的經濟性比選

按省標DBJ 13—07—2006建筑地基基礎技術規范第9.2.4式，估算預制樁、沖(鉆)孔灌注樁單樁豎向承載力見表1。

表1 單樁豎向承載力特征值估算表

通過單樁承載力估算，可以得出預制樁和灌注樁(持力層分別選擇⑥2或⑦層)單位體積的承載力特征值，見表2。

表2 不同樁型的單樁單位體積承載力特征值

由此可見，灌注樁盡管樁長長，直徑大，但是承載力發揮效力更大，單位混凝土用量的灌注樁經濟性更好。

4 結語

考慮經濟性和施工適宜性，采用沖(鉆)孔灌注樁具有更好的場地適宜性，技術方案可行，施工難度較小，對比同體積混凝土預制樁具有較高的承載力發揮效力，經濟性更好。由此得出，選擇沖(鉆)孔灌注樁作為基礎工程設計方案，1號～4號樓主樓以中風化凝灰巖⑦作為樁端持力層；裙樓及純地下室以強風化凝灰巖⑥2作為樁端持力層。