高層建筑的剛性樁復合地基實例分析

1 引言

在如今的建筑工程基礎設計領域中， 復合地基應用相當普遍。 其中素混凝土剛性樁復合地基就是復合地基的一種典型形式， 采用擠土或旋挖工藝將素混凝土作為樁體材料形成高黏結強度樁，與樁間土、褥墊層構成復合地基。 勁性體剛性樁復合地基將預制混凝土樁作為豎向增強體， 采用靜壓擠土工藝，充分發揮樁周摩擦力和擠土效應。 兩種形式的共同原理是通過把原不良土體置換成混凝土以達到加固地基軟弱土層和提高地基土承載力的目的。 勁性體復合地基具有承載力高、調整幅度大、沉降變形小、沉降穩定較快等特點，在地基工程中的得到廣泛應用[1]。

2 工程概況

本文論述依據為云境源起小區項目高層住宅26 號樓，其建筑為地下2 層，地上26 層，場地位于西安市西咸新區秦漢新城，西臨涇渭大道，南臨張良路。 根據中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司提供的 《云境源起小區項目巖土工程勘察報告 （詳勘）》， 場地地層自上而下依次由素填土（Q4ml），交替沉降的第四系上更新統風積（Q3eol）黃土、殘積（Q3el）古土壤，中更新統風積（Q2eol）黃土、殘積（Q2el）古土壤組成，土層多為中壓縮性土，可塑狀態，工程性能一般。 勘察期間，場地剛進行了考古發掘，場地遍布墓坑及堆土。 場地原為農田，原始地形平坦，地貌單元屬黃土塬。 建設場地屬于自重濕陷性黃土場地，失陷等級為Ⅱ~Ⅲ級。 基礎持力層為黃土層，未經處理地基土承載力特征值fak為150 kPa。

3 設計方案

3.1 失陷性處理

項目采用筏板基礎形式，由于場地黃土為自重濕陷性，且失陷等級較高， 因此， 需先采用素土擠密樁消除場地的濕陷性。 成孔工藝應采用靜壓沉管擠密成孔，擠密樁直徑550 mm，有效樁長L=6.500 m，樁中心距1 200 mm（梅花布置）。 經地基檢測樁間土的平均擠密系數不小于0.93， 樁身的壓實系數不小于0.97，無剩余濕陷量。

3.2 復合地基處理

筏板基礎底所在持力層為黃土層， 其地基承載力無法滿足設計要求。 因此，采用素混凝土剛性樁復合地基形式。 設計樁徑400 mm，樁長22 m，樁間距1.2 m，采用正方形布樁，樁身混凝土選用C30；單樁承載力特征值≥810 kN，復合地基承載力特征值fak≥600 kPa；樁端持力層為第7 層古土壤，且樁端進入持力層不得小于2 m。 在打樁過程中，施工單位反饋云境源起小區26 號樓素混凝土樁試樁完成后，工程樁于2021 年7月16 日開始施工，在2021 年7 月17 日，樓位東北側正常施工某一素混凝土樁時，表現為大量灌入混凝土后，樁管上方未看到溢漿，繼續灌入混凝土，直至要求標高位置。 施工完成后統計，此樁混凝土用量比設計超出10 m3。2021 年7 月24 日施工相鄰樁時再次出現上述情況， 混凝土超出設計用量18 m3后。 業主立即要求暫停此根樁及此區域樁基施工，并安排施工樓位西側區域，過程中串樁嚴重，混凝土消耗量大，則暫停施工。 勘察單位對場地進行鉆探取樣，現場共完成鉆孔6 個，深度15.0~18.0 m。 根據鉆探揭露的地質情況來看：場地內未發現地下空洞，現狀地面下6.5~12.0 m 地基土呈軟塑狀態。臨近樁位的鉆孔中發現有混凝土塊，深度范圍在6.0~10.0 m。 根據上述地質條件，初步分析26 號樓樓位處地基土存在較厚飽和軟弱土層，且呈現出一定的流塑性，在混凝土泵送壓力及自重作用下朝周邊擴散導致竄孔、超灌等問題。

鑒于施工現場已施工部分素混凝土樁， 經設計單位等多方會商，26 號樓剩余剛性樁采用勁性體，即預制高強混凝土管樁作為復合地基豎向增強體。 樁型采用PST-HCF400（80），樁徑為400 mm，壁厚為60 mm，內徑340 mm，混凝土強度等級為C80，設計樁長為22 m，樁間距為1.2 m，采用正方形布樁；樁端持力層為第七層土古土壤，且樁端進入持力層不得小于2 m，設計參數與素混凝土樁盡量保持一致。 勁性體沉樁工藝采用靜力壓樁，防止擠土效應產生后續沉樁困難，沉樁由里向外均勻進行，沉樁深度以樁端標高控制為主，壓力控制為輔。一般說來，PST-HCF400（80）的勁性體預制最大長度為15 m，但本項目設計樁長遠大于15 m，因此預制樁需分段壓入土體，并進行現場接樁。 由于勁性體多采用靜壓方式沉樁，施工需注意以下問題：（1）此樁型壁厚較薄，易產生爆樁問題，故本項目選用高強度樁，以便降低此施工風險；（2）需按照圖紙樁位對準位置，保證垂直吊樁，壓樁過程要防止樁身傾斜，尤其對于類似本工程的土質軟，軟土層厚，施工時需采取科學的施工方案，設置應力釋放孔，以迅速糾正變形，防止不均勻沉降[2]；（3）對于地下土層存在較厚的飽和黏性土時，當沉樁過快或孔間距較小會導致擠土效應土層超孔隙水壓力迅速疊加， 使得土體隆起或側移，導致樁體上浮。

樁基施工完成后，選取3 組（S1、S2、S3）先進行單樁及復合地基載荷試驗[3]，試驗結果見表1。 根據基樁檢測單位出具的檢測報告， 單樁承載力特征值及復合地基承載力均能滿足設計要求。 截至2022 年8 月12 日，26 號樓主體地上20 層已澆筑完成。 施工單位累計進行了9 次沉降觀測，觀測點共9 個。累計沉降量最小值為4.33 mm，最大值為7.64 mm，總體沉降均勻。 實踐證明，此地基處理變更方案具有合理性。

表1 靜載試驗結果

4 工程應用分析

4.1 素混凝土復合地基的特點

素混凝土樁即水泥粉煤灰碎石樁，由水泥粉煤灰、碎石、石屑或砂石加水拌和形成的高黏結強度樁， 其強度等級一般在C15~C25，介于剛性樁與柔性樁之間[4]。 素混凝土樁與樁間土、褥墊層一起構成的復合地基，具有提高地基承載力和減小地基變形的特點。 并且可用于多種基礎形式，適用于處理黏性土、粉土、砂土和自重固結已完成的素填土。 混凝土灌注樁作為復合地基的增強體， 其工作性狀與水泥粉煤灰碎石樁復合地基相似，但由于樁身材料的強度提高（樁身強度等級可到達C40），屬于剛性樁范疇，其單樁承載力和復合地基承載力也均有較大程度的提高， 從而達到高層建筑地基承載力要求。 因此，這類剛性樁復合地基也在工程中也稱之為素混凝土樁，其特點如下：

1）素混凝土樁應選擇承載力和壓縮模量相對較高的土層作為樁端持力層，這樣既可以發揮出樁的端阻力，又可以減小不均勻沉降[3]。通過改變褥墊層的厚度，可調整樁、土之間的承載比例，對控制建筑物沉降至關重要[5]。

2）素混凝土樁的施工工藝可分為擠土成樁工藝（振動沉管成孔）和非擠土成樁工藝（長螺旋鉆成孔），對場地的適用性強；再加上素混凝土樁不配筋，經濟節約。

3）對于存在較厚飽和黏性土層、飽和細砂層、粉砂層或流塑性軟土的場地，施工中容易產生堵管、竄孔、縮頸、夾泥等質量問題。

4.2 勁性體樁復合地基的特點

勁性體樁復合地基是增強體采用強度更高的預制管樁（混凝土強度等級可達到C80 以上，樁身配置鋼筋），與樁間土、褥墊層一起構成的復合地基。 其樁徑分為7 種規格300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm。 施工方式主要為靜壓施工和錘機施工的擠土工藝。 相對于素混凝土樁復合地基，其特點如下：

1）勁性體是由工廠預制生產而成，樁身質量穩定可靠，具有較好的耐打耐壓性；運輸吊裝方便，接樁快捷，施工速度快，壓樁完成即可進入下道工序。

2）勁性體采用擠土工藝，能夠解決在飽和黏性土層、飽和細砂層、 粉砂層中施工常遇竄孔現象和流塑性較大軟土層超灌問題。

3）勁性體的穿透性好，能打入砂礫層及硬風化巖層作為樁端持力層，具有更大的單樁承載力，從而能提高復合地基承載力。

4） 濱海地區上軟下硬的地層或存在深厚飽和黏性土層時，靜壓布樁極易產生樁身上浮現象。 預防措施是設計時應選取合理樁間，宜取上限值；施工時合理選擇施工順序（由中間向兩邊沉樁或跳打）、工藝和沉樁速度。 高密度布樁，非樁位處可設置豎向排水通道，加快超孔隙水壓力的消散[6]。 若打入樁身后出現上浮現象，處理措施是宜先考慮復壓或復打，后進行樁身完整性檢測和單樁承載力試驗； 也可根據檢測結果進行補樁或改變地基受力形式， 補打散體材料樁等柔性樁進行設計[7]。

5 結語