丘陵地区江岸建筑地基基础设计分析比选

郭礼仲

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

丘陵地区江岸建筑地基基础设计分析比选

郭礼仲

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

本文从成本与技术角度出发，对桩基成桩工艺进行比选，阐明在丘陵地区江岸侧覆盖土较高且地下水位较深、较厚的地质条件下，可采用降水的方法实现人工挖孔桩技术，降低工程造价。

丘陵地区；地基基础；人工挖孔桩；降水

0 引言

某开发区楼盘地块位于丘陵市区江河对岸，距离河道边150 m。建设场地为江河高漫滩阶地，地形高差较大，基岩埋置较深，基岩面以上的卵石层、中砂层赋存由上游江河补给的地下潜水，其上各层为粉土和填土并含枯石及混凝土弃渣。根据地形分高程设置地下室平基后，作业面至中风化基岩深14～15 m，这对建筑基础之方案决策是个考量。

1 工程概况及基本地质参数

1.1 工程概况

场地建设规划用地约7万m2，设置33层塔式高层住宅8栋（10个单元），其余为2～6层商业建筑，地下室2层。总建筑面积27.46万m2，其中地上19.90万m2，地下7.56万m2。现状地坪标高354.89～365.21 m，地下室面室内标高363 m，土方基本平衡平场后标高为360 m（见图1）。

图1 效果图之一

1.2 基本地质参数及描述

详勘报告揭示：拟建场地内无不良地质现象，在自然状态下场地整体稳定，中等风化砂质泥岩天然单轴抗压强度标准值为8.8 MPa。场地内地下水主要为赋存于砂卵石层中的孔隙潜水，其次为赋存于填土中的上层滞水和基岩裂隙水。

孔隙潜水：赋于砂层、卵石层中，渗透系数K= 25 m/d，水位埋藏较深，水量较大，以大气降水和上游地下水位主要补给来源，以下游径流为主要排泄方式，同时与江河（历史最高水位为1989年洪水位359.96 m）存在水利联系。勘察期间（1月）测得地下水位标高349.18 m，预计丰水期（7、8月份）该地下水位将上升2～3 m。

上层滞水：赋存于填土较厚或地势较低的地段，水量较小，水位埋深较浅，无统一水位。填土渗透系数K=0.5～1 m/d、粉质黏土K=0.05 m/d（相对隔水层）。

基岩裂隙水：赋存在砂质泥岩的风化裂隙和构造裂隙中，由于强风化裂隙多与黏土矿物充填。而中风化基岩较完整，水量小。

2 地基基础方案初步比选

2.1 计算分析比较

详勘资料建议采用灌注桩基或管庄+伐基，以中等风化砂质泥岩为桩端持力层，并建议优先采用旋挖机械成孔灌注桩。因地下室平场后各土层在不同位置起伏差异较大，填土层厚大5～10 m，在各粉土、粉质黏土、砂层、卵石层中，其土层时有时无、厚薄不均。为方便对成桩方案承载能力设计取值的比选，方案比选对各土层之侧阻力不计，设计比选按嵌岩端承桩考量，增加人工挖孔桩进行优化。管桩+伐基风险大、成本高，不予考虑，以下就人工挖孔桩和旋挖桩进行比选。

根据《建筑桩基建设规范》（JGJ 94—2008）第5.2.1条和5.3.9条：Ra=1/K·Quk、Quk=Qrk=ζrfrkAp得：

嵌岩桩深径比：hr/d=0.5时，旋挖桩ζr=0.8，挖孔桩ζr=1.2×0.8=0.96。

嵌岩桩深径比：hr/d=1.0时，旋挖桩ζr=0.95，挖孔桩ζr=1.2×0.95=1.14。

式中：ζr——桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数；

fr——黏土岩天然湿度单柱抗压强度标准值；

Ap——桩端面积；

Ra——单桩竖向承载力特征值；

K——安全系数，取2。

将ζr代入（2—1）得：

hr/d=0.5时：

旋挖桩：

挖孔桩：

hr/d=0.5时：

旋挖桩：

挖孔桩：

即：JGJ 94—2008第5.3.9条ζr值与成桩工艺有关，旋挖桩与干作业人工挖孔桩ζr之比值为1∶1.2。显然，在不扩底的条件下挖孔桩比旋挖桩的承载能力大20%，在扩底的条件下由上式（2）～（4）计算可得，前者比后者大数倍。

2.2 成桩工程量比较

依据建筑结构内力分析，各剪力墙形心传至桩顶的荷载效应组合竖向力标准值Nk见表1。

表1 一个单元高层建筑结构传至基桩组合竖向力标准值Nk数量表

目前，该地区旋挖桩径最大为1.2 m，按表1仅能满足6根。根据JGJ 94—2008附录A：在桩型与成桩工艺选择内容中表明“旋挖桩不能扩底”，而其他相邻地区正在对其扩底进行革新，侧向在基岩中扩底直径可增加达0.2 m，即：桩端直径革新可达1.4 m，效果不大，不能满足该项目工程的承载能力，且依据《基坑检测规范》第3.3.1～ 3.3.8条，应增加相应检测数量的20%，没必要。人工挖孔桩相对在中风化基岩中挖掘快且简单，省略了混凝土护壁之工序，挖孔桩成孔扩底直径可视Ra大小，取桩径比hr/d=0.5～1.0，扩底轻松、量小。

按单栋（1个单元）高层建筑比较：桩径为1.2 m旋挖桩仅能满足6根基桩，其余36根均不能满足一桩一载之承载能力要求。统计如下：

旋挖桩桩径为1.2 m，单栋总桩数需91根，比人工挖孔桩桩身直径为1.0 m桩数量加49根，旋挖桩砼圬工量（桩径+充盈量）远大于挖孔桩（含砼护壁及扩大头）；2桩承台：增加27个较大承台、27根桩；3桩承台：增加5个大承台、10根桩；4桩承台：增加4个特大承台、12根桩。

人工挖孔桩之基岩面以上经场平后各类土总厚度14～15 m，为减小工程量，桩身直径d（JGJ94—2008第5.8.2条，C30砼，ψcfcAPS=14 200 kN＞12 700 kN）可为1.0 m，桩端直径D可可视表1和Ra扩底决定，既满足一桩一载，又满足单桩承载力要求，量小（仅增加相应的降水费用），进度较快。

挖孔桩对该场地的另一优势为：场地局部为挖方，多数为填方，土方平衡处理后场平可达地下室顶板面下3 m处（标高360.0 m），成桩后完成桩帽（或承台）作业，再行利用挖孔桩之土方压实填至地下室结构面下或进行填方平衡调运。而旋挖桩的泥浆将污染原场平，必须清除，重新调运土方压实回填。

2.3 成桩工艺比较

2.3.1 人工挖孔桩

优点：干作业，清孔干净，可扩底、且方便，单桩承载力特征值大，特别适用于无地下水、土方覆盖较厚的丘陵和山区以及荷载大的地基。工艺简单、进度较快、投资省，无超规定的噪声和废弃物污染，传力直接，持力层检查直观，桩身质量有保证。对高层建筑、大跨度柱网及大荷载工程，当条件适合时，优先考虑。缺点：持力层在地下水位下需抽水。注意事项：施工应注意安全防护，竖向提土装置务必安全；本工程丰水期地下潜水高达7 m，潜水面距作业面深达7～8 m，注意降水；在填土层及中砂层作业时，注意及时护壁。

2.3.2 旋挖桩

优点：机械成孔工艺好，各土层成桩进度快，优质泥浆护壁，水下成孔作业及水下灌注砼成桩。缺点：与挖孔桩比较，在同等条件下承载力低20%，不能扩底，较扩底挖孔桩承载力低数倍。工程量大，进入中风化基岩需换钻头且进度不明显，遇填土中枯石及砼弃渣成孔难度大，时有垮孔，充盈系数不确定。注意：各土层因地下水位变化及泥浆护壁孔内水压控制不当，注意预防垮孔及砼浇筑过程中断桩的风险。

以上成桩工艺的比较，人工挖孔桩工艺优势大。当前人工挖孔桩在基岩中掘进均采用设备简单的水钻法取芯开槽破碎作业，劳动强度较小，进度快。通过比较，人工挖孔桩的成功与否与降水存在必然联系。

3 降水

3.1 潜水完整井涌水量计算

潜水完整井是指井筒揭露了整个潜水层，并一直打到含水层隔水板（本工程基岩）。丰水期最大潜水高度7 m，主要潜于基岩（水量小、为隔水层的较完整岩石）上的卵石、中砂层中，符合潜水完整井和大井法计算涌水量的条件。见图2。

根据裘布衣公式：

降水区远离水源时：

图2 降水作业区计算涌水量示意图

降水区靠近河岸时：

库萨金经验公式：

式中：Q——降水区涌水量，m3/d；

H——潜水层含水厚度，m；

S——水位降低值，m；

K——含水层渗透系数，m/d；

R——地下水降落范围，即影响半径，m；

r0——降水区等效半径r0=（A/π）1/2，m；

A——降水区面积，m2；

b——降水区中心至河岸距离。

由式（8）得R=2×7×（25×7）1/2=185.20 m。

将式（6）、（7）进行不等式计算得：当b≥（R+ r0）/2，即b（150）≥R/2=185.20/2=96.2 m时，属降水区远离水源，按式（6）计算涌水量Q。

降水方案分别按单栋（一个单元）、8栋（10单元）片和整个建筑区为降水区比较，见表2。

表2 降水区域A、r0、Q计算表

从表2分析，在K、H一定时，涌水量与S、r0有关，表明降水漏斗曲线与径流的关系，计算选用以整个建筑区为降水区最为经济。降水区内凹形处及距降水井点较远处可利用成桩孔或增设井点即时抽干其潜水，保证干作业成孔。

在降水初期，统一的降水漏斗形成之前，应考虑降水区孔隙潜水的抽排，可利用7天时间将孔隙水和相应的涌水排除，孔隙水总量63 767.52 m3，第7天降水量（孔隙水+涌水）为13 642.64 m3/d。

因桩孔深在15～17 m间，加之抽水区域外高程变化，抽水扬程需20 m，选用潜水泵型号为：100Wa70-22-11型泵，前期每天工作10 h/d（1.25台班），即：13 642.64/（70×10）=19.50，取20台泵。另备3台泵设于降水区内，视降水抽干状况并结合桩基孔逐级抽水。

施工抽水工期120 d，总水量（不含大气降雨）Q=63 787.52+4 532.64×120=607 684.32 m3，总台班：607 684.32/70/8=1 085.15台班。

统计该地区1971-2012年平均月最大降量为6～9月，分别为133.2、209.8、174.4、133.7 mm，合计650.8 mm，大气降水径流量αAh为92 516.50 m3。总水量（含大气降雨）：Q=607 684.32+92 516.5=700 200.82 m3，总台班：700 200.82/70/8=1 250.36台班。

以上降水量数据分析结论：挖孔桩工期120 d，降水量主要为满足干作业目标水位之漏斗形成后的涌水量，占总量的78%，其余22%为大气降水和漏斗形成前降水影响半径的水量。正常降水与涌水量有关，其他因素和大气降雨情况可适时跟进。

4 基础成孔工艺经济方案比选

4.1 工程量及综合单价统计

旋挖桩：桩径1.2 m，1 760根，桩长16 m/根；2桩承台300座，3桩承台50座，4桩承台40座。人工挖孔桩：桩径1.0 m，1 240根，桩长17 m/根。

根据该地区对施工招投标后的合同结果，Φ1 200桩径旋挖桩综合价（含所有费用）1 138元/m，Φ1 000桩径人工挖孔桩（含扩大头在内的所有费用）823元/m。承台砼等级：旋挖桩基承台因冲切和抗剪要求，在高度为1 700的前提下至少≥C50，综合单价450/m3；人工挖孔桩桩帽仅采用C30，综合单价320/m3。降水井23座（预留3座），井深20 m，Φ600孔径，综合单价375元/m；降水综合单价55元/台班。

4.2 成本费用分析结果

人工挖孔桩费用（含降水费）：1 759.87万元；旋挖桩：3 206.43万元；钢筋砼承台（与桩帽的差值）：889.94万元；两者合计成本差：2 336.50万元。

经以上计算分析：仅需13.74根旋挖桩就能抵消其场地之降水费用，价值可观。

5 结语

人工挖孔桩特别适合基岩上覆土较厚的丘陵和山区地区，其优势为可扩底、承载能力高，造价低廉。本工程靠江岸，通常基础方案之决策仅限于管理、安全方面，技术与经济挂钩的量化分析往往被忽略，所采用的工程措施分析较少且仅限于定性分析。本文通过量化对3种形式基础选用、计算、成桩工艺分析后，提出了问题的关键是降水措施的考量，为人工挖孔桩决策提供了支撑。至于成孔过程中的安全问题，只要各管理方认真执业是可免除的。

[1]岩土工程勘察报告[B].中机工程勘察设计研究院，2014（3）.

[2]JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[3]全国民用建筑工程设计技术措施[S].北京：中国计划出版社，2003（2）.

TU4

A

1673-1093（2015）01-0090-04

郭礼仲，现就职于中铁二院工程集团有限责任公司。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.01.025

2014-09-01；

2014-09-07