文/賴德彬 福建泉州勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司廈門分公司 福建廈門 361000
高填土地區(qū)的樁基設(shè)計(jì)探討
文/賴德彬福建泉州勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司廈門分公司福建廈門361000
本文對(duì)某工程高填土地區(qū)的多種樁基選型進(jìn)行分析與比較,重點(diǎn)闡述負(fù)摩阻力的不利影響及消除措施,選擇承載性能好的擴(kuò)底嵌巖樁樁基方案,可為類似地基條件的工程提供參考。
高填土;負(fù)摩阻力;嵌巖樁
本工程為四川省某市社會(huì)福利院新建工程,場(chǎng)地毗鄰兩高速公路,交通便捷,總建筑面積3.3萬(wàn)m2。本工程共由六棟單體組成,最高層層數(shù)為6層,房屋高度最高為22.2m。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防烈度為6度,抗震設(shè)防分類為乙類,場(chǎng)地類別Ⅲ類。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓W0=0.40kNm2;地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí),建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。建筑布置如圖1所示。
2.1場(chǎng)地地基條件
根據(jù)地勘報(bào)告,場(chǎng)地原始地貌類型屬于寬谷中丘區(qū),現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了回填,地表覆蓋較厚的素填土層,地面標(biāo)高在322.79~345.50m之間,相對(duì)高差約為22.71m。結(jié)構(gòu)松散,系新近堆積,堆積時(shí)間約2年,整個(gè)場(chǎng)地均有分布,原場(chǎng)地為小山丘,故分布極為不均勻,層厚0.50~23.60m。下覆蓋巖層為砂巖和砂質(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖為紫紅、紅棕色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),強(qiáng)風(fēng)化帶巖芯破碎,裂隙發(fā)育,層厚0.7~6.2m,屬極軟巖,中風(fēng)化層巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=45~65%,巖體較完整,為較軟巖。砂巖主要由石英、長(zhǎng)石、云母組成,細(xì)粒結(jié)構(gòu),薄~中厚層構(gòu)造,泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)。強(qiáng)風(fēng)化巖石裂隙發(fā)育,屬較軟巖;中風(fēng)化巖石巖體較完整,呈柱狀~長(zhǎng)柱狀,屬較硬巖。各土層的力學(xué)性質(zhì)及剖面圖如圖2、3所示。
同時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)建模分析,3、4#樓最大柱跨達(dá)8.6m,底層單柱最大反力標(biāo)準(zhǔn)值為6000kN。
通過(guò)初步分析,該場(chǎng)地巖層起伏劇烈,坡度大于10%,場(chǎng)地內(nèi)均有不等厚度的欠固結(jié)的素填土,最厚處達(dá)20m,上部結(jié)構(gòu)傳遞荷載大,這些均為本工程樁基設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
2.2基礎(chǔ)選型
第一層素填土成份復(fù)雜,結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度低,屬極不均勻的高壓縮性土,而框架結(jié)構(gòu)屬于對(duì)沉降敏感結(jié)構(gòu),且下覆巖石層離上部結(jié)構(gòu)有較大深度,故不能選用淺基礎(chǔ)。中風(fēng)化的砂質(zhì)泥巖或砂巖分布穩(wěn)定連續(xù),工程性質(zhì)好,力學(xué)強(qiáng)度高,可以作為上部結(jié)構(gòu)的樁基持力層。樁側(cè)土層主要為素填土以及強(qiáng)風(fēng)化砂巖或砂質(zhì)泥巖,素填土不能提供正向的摩阻力,而強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度分布不均,砂泥互層,局部孔位有缺失,故不能提供穩(wěn)定的側(cè)摩阻力。樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按端承樁考慮。
按樁基施工工藝分,可分為預(yù)制樁和灌注樁。灌注樁又分挖沉管灌注樁、挖孔灌注樁和鉆(沖)孔灌注樁。預(yù)制樁具有制作方便、成樁速度快、樁身質(zhì)量易于控制且不存在泥漿排放問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是:施工有噪音、振動(dòng)、擠土、樁抗剪強(qiáng)度較差、不能嵌巖、垂直度難以控制。本工程單柱豎向荷載大,如果不能嵌巖則單樁豎向承載力偏小,單柱下需要布置多樁來(lái)承擔(dān)上部荷載,樁基經(jīng)濟(jì)性不好,且樁數(shù)過(guò)多帶來(lái)布樁困難,加大施工周期。中風(fēng)化巖層上覆有強(qiáng)風(fēng)化巖層,預(yù)制樁難以穿越到達(dá)中風(fēng)化巖層,施工會(huì)產(chǎn)生大量截樁,樁長(zhǎng)難以得到保證。灌注樁的優(yōu)點(diǎn)是省去了預(yù)制樁的制作、運(yùn)輸、吊裝和打入等工序,樁不承受這些過(guò)程中的彎折和錘擊應(yīng)力,從而節(jié)省了鋼材和造價(jià)。同時(shí)它更能適應(yīng)基巖起伏變化劇烈的地質(zhì)條件。其缺點(diǎn)是成樁過(guò)程安全是在地下“隱蔽”完成,施工過(guò)程中的許多環(huán)節(jié)把握不當(dāng)則會(huì)影響成樁質(zhì)量。人工挖孔樁質(zhì)量穩(wěn)定可靠,可徹底清孔,孔底無(wú)沉渣,可直觀檢查持力層,單樁承載力較高,但場(chǎng)地內(nèi)填方區(qū)回填土較厚,回填的砂巖、砂質(zhì)泥巖碎塊雜亂,且回填過(guò)程中回填料未經(jīng)碾壓、夯實(shí),在人工挖孔的過(guò)程中容易引起孔壁坍塌等,安全隱患大,工期不好保障。鉆孔灌注樁成樁不受場(chǎng)地限制,可晝夜施工,施工速度較快;場(chǎng)地離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn),施工中產(chǎn)生較的泥漿容易處理;機(jī)械施工,人員不用下到孔底,安全風(fēng)險(xiǎn)小;機(jī)械施工,提高勞動(dòng)效率,施工成本相對(duì)較低。
綜上所述,對(duì)上述三種樁基類型,從安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上、場(chǎng)地地層情況及成樁可能性方面考慮,采用鉆孔灌注樁為宜,樁端應(yīng)全斷面嵌入巖體中一倍樁徑以上。
2.3樁基負(fù)摩阻力原理及對(duì)策
本工程場(chǎng)地表層有3~20米不等的素填土,為高填方區(qū)。樁在穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結(jié)土、液化土層進(jìn)入相對(duì)較硬土層時(shí),當(dāng)樁周土層產(chǎn)生的沉降超過(guò)基樁的沉降時(shí),應(yīng)計(jì)入樁側(cè)負(fù)摩阻力。可見(jiàn),當(dāng)樁側(cè)土體產(chǎn)生相對(duì)樁身向下的變形時(shí),樁側(cè)就會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。Fellenius(1971)曾指出,地面的十分小的下沉就能使樁基中產(chǎn)生的負(fù)摩阻力達(dá)到樁側(cè)摩阻最大理論值的很大部分。需要注意的是,負(fù)摩阻力不是樁承載力的一部分,而成為施加在樁上的外荷載。在樁基設(shè)計(jì)中如未考慮此部分荷載,則會(huì)增大沉降,影響建筑物的安全。樁基的負(fù)摩阻力如圖4所示。
負(fù)摩阻力的計(jì)算是個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題,其大小受樁側(cè)和樁底土層的強(qiáng)度、土的壓縮性、樁的類型、時(shí)間效應(yīng)等諸多因素的影響,因此,一般只能采用簡(jiǎn)化計(jì)算。大量試驗(yàn)與工程實(shí)測(cè)結(jié)果表明,以負(fù)摩阻力有效應(yīng)力法計(jì)算較接近實(shí)際。某層的樁側(cè)負(fù)摩阻力等于負(fù)摩阻力系數(shù)與該層土的平均豎向有效應(yīng)力的乘積。即(式2)
目前,在工程上采取消減樁側(cè)負(fù)摩阻力的措施一般如下幾個(gè)方面:①端承樁法:使樁端支撐在巖層或堅(jiān)硬土層上,一般增大樁截面,如擴(kuò)底;②軟弱地基處理:在鉆孔灌注樁施工前,先對(duì)軟弱地基進(jìn)行預(yù)壓、夯實(shí)或灌漿加固,減少固結(jié)引起的沉降;③地基浸水法;④涂層法;⑤分段施工法;⑥套管法。跟本工程的實(shí)際情況,可以采用方法①和②結(jié)合使用。
2.4嵌巖樁計(jì)算與設(shè)計(jì)
中風(fēng)化砂巖及砂質(zhì)泥巖屬于完整、較完整的基巖,可以按嵌巖樁設(shè)計(jì),充分發(fā)揮大直徑樁的豎向抗壓承載力。嵌巖樁嵌巖部分的嵌固力是嵌巖樁的承載力高于端承樁的主要原因。嵌入基巖部分的樁與基巖的相互作用比較復(fù)雜,嵌巖段的側(cè)摩阻力(嵌固力)與底部的端阻力發(fā)揮的過(guò)程是不同的。實(shí)測(cè)資料表明,當(dāng)嵌巖深度為3倍樁徑時(shí),樁的嵌固力與端阻力可以得到很好的配合,嵌固力占總承載力的60%以上,可以用最少的工程量獲得最佳的承載效果,因此稱為最佳嵌巖深度。同時(shí)也應(yīng)注意到,本工程上覆土層為軟弱土層,所能提供的摩阻力可以偏小,樁的長(zhǎng)徑比也較小,故樁的端阻力也發(fā)揮的舉足輕重的作用。
通過(guò)對(duì)本工程深厚填土產(chǎn)生的負(fù)摩阻力的分析和擴(kuò)底嵌巖樁承載力的計(jì)算,表明必須考慮負(fù)摩阻力對(duì)樁基的不利影響,采用承載性能好的擴(kuò)底嵌巖樁除了可以抵消負(fù)摩阻力外,還能有足夠余量承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向荷載。綜上所述,高填土地區(qū)的地基設(shè)計(jì)復(fù)雜程度要高于一般地質(zhì)條件的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。除設(shè)計(jì)外,在勘察、施工、檢測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)中均應(yīng)把控質(zhì)量、加強(qiáng)措施、提高要求,以保證基礎(chǔ)安全。
[1]JGJ 94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].
[2]張雁,劉金波.樁基手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.
[3]林凡偉,祝紅山.樁基負(fù)摩阻力的設(shè)計(jì)探討[J].科技資訊,2015,(05):66.