巖溶地區預應力超高強混凝土管樁應用研究

伍德挺

(世茂集團海峽發展公司 福建廈門 361000)

0 引言

龍巖市位于福建省西南部，是我國巖溶發育最為強烈的地區之一，下伏地層中的灰巖分布范圍較廣，主要有棲霞組灰巖及石炭系黃龍組灰巖。龍巖地區已建成及在建高層項目中絕大多數的基礎類型為鉆(沖)孔灌注樁[1]。

預應力超高強混凝土管樁具有樁身質量好、單樁承載力高及成樁質量可靠等優點，同時又具備施工速度快，造價低廉，符合節能減排及文明施工等要求[2-3]。

預應力超高強混凝土管樁在巖溶地區的結合與應用為本文探討的重點。

1 溶巖地區特點

龍巖盆地處于地殼相對穩定地塊，所發育巖溶以水平向巖溶為主，其溶洞發育深度與既定的排水基準面相適應，該基準面是巖溶水長期作用的結果，場地溶洞是特定地質歷史時期的產物。當受到地震力或其他較大外部荷載作用，或巖溶承壓水水頭產生異常突變，均可能破壞溶洞頂板或側壁穩定性，進而影響地基和場地穩定性。

巖溶基巖發育，溶洞高度變化大，大部分溶洞中有無充填至全充填，充填物為含(角礫)碎石粉質粘土。且部分灰巖頂面，常有土洞，高度變化大。

2 鉆(沖)孔灌注樁在溶巖地區應用的局限性

鉆(沖)孔灌注樁在溶巖地區雖然具有成樁效果好、質量可控等優點，但也有施工工期較長，施工成本較高等不利因素。

3 預應力高強混凝土管樁(PHC)在溶巖地區應用的局限性

龍巖市巖溶地區為沖洪積地層，主要有粘性土、含(角礫)碎石粉質 粘土、砂類土、碎石土、次生紅粘土，且地層厚度變化大。因此對打入式基樁的入土要求較高，特別是在控制最大壓樁力下的入土深度難以滿足設計要求[4]。故本文探討在提升最大樁身強度情況下，預應力超高強混凝土管樁在巖溶地質下的應用。

4 項目簡介

項目位于龍巖市，地下一層，地上建筑以高層住宅為主，分別為26層、24層、22層，為剪力墻結構。

4.1 基礎選型

該項目場地巖土層在鉆孔揭露深度范圍內的巖土層按成因、形成順序和巖性差異，將場地地層分為第四系土層和下伏基巖兩大類，現按層序分述如下(表1)：①-1雜填土、①-2素填土、②卵石、③粉質黏土、④-1含角礫粉質粘土、④-2含卵石粉質粘土、⑤全風化灰巖、⑥強風化灰巖、⑦1破碎灰巖、⑦中風化灰巖，如表1所示。

根據本次鉆探揭露，中風化基巖巖面變化大，巖面呈陡坡狀、凹槽狀、漏斗狀、石筍狀。

表1 樁基設計參數初步建議值一覽表

土洞：在土層與石灰巖接觸帶附近，由于長期受到巖溶地下水潛蝕和浸泡作用影響，使得土體呈可塑或軟塑狀，并產生塌落，被水流遷移，進而形成土洞。本場地位于巖溶地區，土洞發育普遍，本次勘察在40個鉆孔揭露土洞，土洞內一般充填有流塑～軟塑狀含角礫黏性土或碎石混角礫。

圖1 典型地質剖面圖

溶洞：本場地灰巖巖溶發育，19個鉆孔共揭露23個溶洞，部分鉆孔揭露洞體成串分布，所揭露的溶洞為淺覆蓋～深覆蓋型溶洞，洞高一般0.1 m～3.50 m。大多數溶洞為全充填型，充填物為松散碎石、角礫及流塑～軟塑狀黏性土。土層分布如圖1所示。

綜合分析，覆蓋層很厚，覆蓋層與巖層界面無流塑狀黏土層，個別孔有埋藏深度較深且洞高較小的土洞及溶洞，初步預判嘗試采用預制樁和鉆(沖)孔灌注樁。

灌注樁方案以中風化灰巖⑦作為持力層，入巖深度0.5 m，平均樁長40 m～75.6 m，嵌巖樁。

預制樁方案采用常用高強預應力管樁及超高強預應力管樁，本工程采用PHC-500(125)-AB型高強預應力管樁、UHC-500(125)-Ⅱ型超高強管樁對比分析。以含卵石粉質黏土④-2作為持力層，預估樁長30 m～45 m，端承摩擦樁。

4.2 現場試樁

根據勘察報告及綜合對比分析，本項目擬優先采用UHC-500(125)-Ⅱ型管樁方案試樁，并進行試驗性靜載試驗，以判斷UHC-500(125)-Ⅱ型管樁穿越場地的適應性，進而再確定單樁豎向承載力。

(1)試打樁

根據地質條件及上部結構特點，選取6個鉆孔處進行試打樁(1#、4#試樁由于現場配樁長度不夠，終壓力未達到設計要求，其余均達到設計要求),要求終壓力6100 kN, 終壓力均達到設計要求，其中試打樁記錄如表2～表3所示。

表2 預制鋼筋混凝土管樁施工記錄一

表3 預制鋼筋混凝土管樁施工記錄二

由于采用預制樁需進入密實的含卵石粉質黏土④-2較深深度，而6#-2#樁為高強預應力管樁，進行此樁試樁時，當壓力到達PHC最大壓樁力5018 kN時，入土樁長約為28 m，進入含卵石粉質黏土④-2較短，約為14 m。而同位地堪點上的6#-2#樁為超高強應力管樁，入土樁長為34 m，進入含卵石粉質黏土④-2較長，約為20 m。

同時上述表格顯示，采用高強預應力管樁時，入土樁長為20 m～35 m，進入含卵石粉質黏土④-2較短，約為10 m～20 m。分析認為：由于含卵石粉質黏土④-2層較為密實，最大壓樁力下，PHC管樁進入含卵石粉質黏土④-2較為困難。綜合考慮樁體抗錘擊或抗靜壓能力、穿越密實土層能力、施工中的斷樁率等，排除PHC管樁方案的可行性。

而由于UHC-500(125)-Ⅱ型管樁具有較高樁身強度，繼續加大壓樁力至6060 kN～6176 kN時，順利進入密實的含卵石粉質黏土④-2，并達到一定深度(15 m～30 m)，長度增幅達6 m～15 m。

(2)試驗性靜載

選取試樁進行靜載試驗，試驗荷載最大值5400 kN,靜載試驗通過，如圖2所示。

為此，本文特別提出以下概念：預制樁的樁身強度設計值與樁截面積之比。

PHC-500(125)-AB型管樁，3701/(0.52×π/4)=18849 kN/m2。

UHC-500(125)-Ⅱ型管樁，4783/(0.52×π/4)=24372 kN/m2。

圖2 Q-s曲線圖及s-Lgt曲線圖

2種預制樁單位面積強度比：18849∶24372=1∶1.29，可以反映預制樁施工階段樁體抗錘擊或抗靜壓的性能，反映施工中預制樁穿越堅硬土層的能力，也可以間接反映預制樁施工中的斷樁率，基本符合試樁實際情況。

4.3 成本分析

在現場試樁試驗后，考慮UHC500-Ⅱ-125管樁及D800灌注樁的經濟性，進行了成本比選分析，如表4所示。

(1)樁型分析如下：①考慮到地面試樁靜載及安全性考慮，壓樁力控制在6100 kN的情況下，UHC500-Ⅱ-125管樁單樁承載力特征值為2500 kN；②D800灌注樁單樁承載力特征值為5400 kN。

(2)管樁和灌注樁經濟性對比如下(其中某棟樓為例)。

表4 樁基選型成本分析表

(3)樁型分析及成本對比結論：UHC500-Ⅱ-125管樁成本遠遠少于D800灌注樁成本，且根據試樁數據，該項目可采用UHC500-Ⅱ-125管樁。

(4)土溶洞處理方案

該項目地下段地基巖土層內溶洞、土洞分布較多， 對土溶洞提出了處理方案。

高層建筑對管樁樁端以下范圍內的全部土洞以及管樁樁端以下20 m(對灰巖埋深40 m的可按15 m)深度范圍內溶洞(破碎灰巖深度3 m以下的溶洞可不處理)應進行處理；土洞、溶洞處理后應滿足軟弱下臥層強度驗算要求；對粘土層作為管樁持力層，應考慮土層厚度差異及不均勻性的沉降變形影響。土溶洞采用注漿等方式處理，進行工藝性試驗確定注漿工藝及參數，采用袖閥管注漿。

同時，組織專家召開該項目基礎設計及土洞溶洞處理方案專家咨詢會，論證此方案的可行性。

最后委托檢測單位采用現場芯樣鉆取，孔身土層芯樣均基本連續，未發現新土(溶)洞等下臥層，在鉆進過程中均未出現掉鉆情況，鉆進過程返水正常，鉆檢處埋藏土(溶)洞相關范圍內均可見注漿水泥成分，標準貫入試驗修正擊數10.5～12.3擊，地基承載力特征值為255～291 kPa，處理土體地基承載力特征值符合設計要求。

4.4 設計及施工管控

(1)基礎設計遵循多方案比選，綜合考慮安全、成本、效率三方面，擇優定案。

(2)基礎設計方案應有可靠依據，如遇無可靠依據或創新方案時，需有試樁記錄。

(3)施工時應全程記錄施工過程，做到一樁一影像記錄，同時復核壓樁力、樁長等參數，嚴格審核樁基檢測報告等。

5 結語

本文探討了在巖溶地區預應力超高強混凝土管樁樁基形式，有效解決高強混凝土管樁對場地土層的難以穿透性問題，且相較于灌注樁縮短了施工工期，節約施工成本。同時，由于高層建筑荷載較大，對地基受力層影響范圍之內的溶洞和土洞采取有效注漿加固處理措施。