預應力管樁在巖溶地區(qū)的應用

曹皓

（廣東南雅建筑工程設計有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

巖溶地貌屬喀斯特地貌，最為典型的是石灰?guī)r地區(qū)，由于長期的地下水侵蝕，形成了發(fā)達的地下巖溶洞穴系統(tǒng)，石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣，在有水和二氧化碳時會發(fā)生化學反應，生成可以溶于水的碳酸氫鈣，由于其水溶性，形成的空洞會逐步擴大。廣東省巖溶地質表現(xiàn)為溶蝕、溶溝、溶槽、中小型串球狀或單個小型洞穴，裂隙較為發(fā)育且規(guī)律性不強。這種特殊的地質條件使得巖溶地區(qū)的地質條件極為復雜，地基承載力較差。當有條件時，工程建設宜避讓巖溶地質區(qū)域，但許多工程在立項時已敲定用地地塊，后續(xù)進行變更地塊的難度不小，因此在巖溶地區(qū)進行工程建設已然成為業(yè)界的重點和難點之一。尤其是巖溶地區(qū)的基礎選型，一旦基礎方案選擇不當，會造嚴重工程事故或資金的浪費。近年來，工程界圍繞巖溶地區(qū)樁基工程開展了很多科學研究和工程實踐。本文通過實際工程實例，對預應力管樁在巖溶地區(qū)的應用進行綜合分析，并說明相應的設計、施工應注意的事項。

1 工程概況

廣東肇慶中學初中部遷建項目位于肇慶市端州區(qū)，規(guī)劃總用地面積為83856m2，總建筑面積約93000m2，地上建筑面積約83000m2，地下建筑面積約10000m2，項目從東至西分別為教學區(qū)、綜合區(qū)及生活區(qū)。東部教學區(qū)為4 棟6 層的教學樓，框架結構，建筑高度23.8m，中部綜合區(qū)含兩棟綜合樓、一棟行政樓、一棟體育館，其中綜合樓B 建筑高27.15m，采用框架剪力墻結構，其余均為多層框架結構。西部生活區(qū)的四棟宿舍樓均為超40m 的高層，采用框架剪力墻結構，地下一層，地上12~15 層。

2 場地地質

該項目由建材廣州工程勘測院有限公司勘察，根據(jù)詳勘報告揭露，場地分布有較大厚度的填土及流塑狀淤泥質土，場地類別為Ⅲ類，場地自上而下的地層如表1 所示。

表1 場地內土（巖）層分布

2.1 場地溶（土）洞分布情況

鉆探資料揭露場地地下有溶洞，見洞率為15.9%，主要分布在教學區(qū)及綜合區(qū)，體育館溶洞分布密集，僅西側球場區(qū)域有揭露土洞，土洞見洞率為1.6%，土洞位于中風化上層，土洞為空洞。場地溶（土）洞分布如圖1所示。

圖1 場地溶（土）洞分布

2.2 場地溶（土）洞特征

巖溶中等發(fā)育，同一水平方向埋深具一定變化，溶洞位置位于中風化帶，溶洞多為串珠溶洞，部分為空溶洞或填充溶洞。充填溶洞為少量黏土。土洞見洞率為1.6%，土洞位于中風化上層且均為空洞。溶洞特征如表2 所示。

表2 溶洞特征

3 基礎方案

該場地內地表土層連續(xù)分布有較厚的填土層，填土屬場地特殊性巖土，結構松散，尚未完成自重固結，力學性質差，下臥層又存在淤泥質土軟弱層；考慮學校為人口密集場所，荷載及跨度較大，對變形較為敏感，天然地基難以滿足其荷載及變形要求，故本項目不考慮采用天然基礎。

若采用鉆（沖）孔樁，由于上覆軟弱土層疏松，特別是鉆至砂層時水力梯度驟變易引起流砂而導致孔壁坍塌，樁身澆灌時容易產生縮徑、斷樁、夾泥等質量問題，且?guī)r層上方存在溶（土）洞，鉆進過程很大概率會卡鉆、掉鉆，成樁質量難以得到保證[1]。

該場地溶洞區(qū)域基本無過渡性風化巖層（無全、強風化層），場地地層由粉質黏土、淤泥質土或粉細砂直接接觸中風化灰?guī)r，局部溶洞上覆的硬夾層較薄，不能考慮做樁端持力層。地層上軟下硬、軟硬突變。選用預應力管樁時，施工工藝不宜采用錘擊，因軟硬突變易導致樁頭破碎，并很難控制最后貫入度等收錘標準。且場地位于市區(qū)，東臨端州區(qū)稅務局，西側為居民區(qū)，沉樁的噪聲、振動對周邊環(huán)境影響較大，不具備采用錘擊樁的條件。

靜力壓樁是借助于壓樁機的自重和配重，通過卷揚機滑輪組或液壓油缸的作用，對預制樁施加持續(xù)靜壓力，將其壓入地基土層的一種施工方法。靜壓樁具有無噪聲、無振動、施工速度快、樁身質量有保證等優(yōu)點，該項目最終選用靜壓預應力管樁。

4 基礎設計

根據(jù)廣東省標準《靜壓預制混凝土樁基礎技術規(guī)程》，基巖起伏面較大且其上沒有合適持力層的巖溶地層，是不適宜采用靜壓樁的，因為在石灰?guī)r等巖溶地區(qū)，基巖表面就是新鮮巖石，預制樁是難以進入石灰?guī)r層的。石灰?guī)r地區(qū)的壓樁，特別是巖面起伏較大的地區(qū)，破損率可高達20%~50%[2]。必須采取有效的措施后方可采用，本項目選取了特殊的鋼樁尖，以改善樁端入巖難的問題，并本著“低承載多樁”的原則進行設計。

4.1 單樁豎向承載力確定

根據(jù)詳勘報告數(shù)據(jù)，單樁豎向承載力特征值的計算如下[3]：

式中：qsia——第i 土層樁側的摩阻力特征值；frs——樁側巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強度；frp——樁端巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強度。

該項目采用AB 型、壁厚125mm 的D500PHC 靜壓管樁，以中風化灰?guī)r層作為持力層，有效樁長約18~30m，經計算，單樁側阻約500~800kN，按規(guī)范公式計算的端阻較大，單樁承載力特征值可達到1600kN 以上。根據(jù)各單體柱底力及肇慶巖溶地區(qū)的地質特點，單樁承載力特征值初步按1100kN 取值，并按1000kN、1100kN、1300kN 進行試樁。試樁位置結合詳勘報告確定，壓樁力分別取為2200kN、2420kN、2860kN，壓樁力取值原則參照廣東地區(qū)施工經驗的總結，靜壓樁豎向抗壓極限承載力與終壓力的經驗關系公式如下[2]：當16m

從經驗公式可知，樁越短時，終壓值應適當增加。該項目樁長在16~18m，終壓值按2.2 倍單樁豎向抗壓承載力特征值取。試樁過程中發(fā)現(xiàn)單樁承載力特征值取值越大時破損率越高，而初定1100kN 的破損率在6%左右，經比較研究，最終敲定單樁承載力特征值取1100kN。該項目已竣工并交付使用，經統(tǒng)計最終破損率在5%以內。其中溶洞揭露密集區(qū)的體育館破損率為3%，巖面起伏較大的教學區(qū)為9%，其余單體破損率均在2%~4%。

4.2 樁尖選擇

在石灰?guī)r地區(qū)，樁尖的選用是影響樁基礎工程成功與否的關鍵之一，樁尖應根據(jù)工程地質條件來選用，本項目選用H 鋼2 型樁尖，該樁尖剛性較強，具有較好的穿透力，施工過程中也驗證了對壓穿溶洞上部第一層頂板具有較好的效果。而且其導向性好，不易發(fā)生樁偏位現(xiàn)象，在石灰?guī)r地區(qū)使用可以大大減少施工過程中的爛樁率。樁尖構造[4]如圖2 所示。

圖2 H 鋼2 型樁尖構造尺寸

5 預應力管樁施工

巖溶地區(qū)的管樁施工具有一定的難度，需要施工單位在施工前充分了解場地地質特點，摸清地層分布情況。施工時應注意以下5 點。

（1）靜力壓樁機由于自重和配重較大，對施工場地的要求較嚴，進場前應對地表軟弱土層進行加固處理，滿足場地地基承載力特征值不小于120kPa 的要求，否則容易發(fā)生陷機。

（2）壓樁前，應認真研究地勘資料，了解施工區(qū)域土層的分布及物理力學性質，按照地層資料配樁。

（3）當具備條件時，建議對揭露溶洞區(qū)域進行施工勘察，進一步查明溶洞的分布及特征。

（4）施壓時應嚴格控制壓樁速度，加強監(jiān)控，特別是接近巖溶面后，宜放慢加載速度，并逐級加載，避免樁端碰到傾斜巖面、突變巖面時斷樁。

（5）對于局部厚砂層區(qū)域，靜壓樁機在壓進過程中可能會發(fā)生連續(xù)振動，壓力顯示值可能會較大且在小范圍內擺動[5]，施工單位應在壓樁過程中及時總結，統(tǒng)計穿透不同砂層厚度對應的壓樁力，供場地其他區(qū)域作壓樁參考。

6 結語

巖溶地區(qū)地質條件地域特點鮮明，不同地方具有不同的巖性、地質構造、地形地貌等，造成千差萬別的巖溶情況。其中肇慶地區(qū)的碳酸鹽等可溶性巖石基本無過渡性風化層，一般土層直接接觸中、微風化層。近年來，各地區(qū)在實踐中積累了寶貴的巖溶地區(qū)基礎設計和施工經驗，本工程通過靜壓預應力管樁的成功運用，為今后巖溶地區(qū)的基礎設計提供了一定的參考價值，在設計過程中應特別關注以下4 點。

（1）單樁豎向承載力特征值應通過現(xiàn)場試樁、靜載確定，控制合適比例的破損率（建議5%~10%），承載力取值不宜過大。

（2）樁尖的選擇對巖溶地區(qū)管樁的應用也相當關鍵，本項目通過采用H 鋼2 型樁尖取得了較好的效果。

（3）建立良好的樁基礎施工動態(tài)反應機制，設計對施工過程中反饋的信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行分析，及時調整設計內容，相關單位在實施過程中通過動態(tài)式循環(huán)反饋、調整、修改，直至基礎工程結束。

（4）通過采取合理的施工措施來提升壓樁質量，如控制壓樁速度、分級多次加載等。