山地深挖填建筑场地地基基础处理案例分析

田双

上海都市建筑设计有限公司 上海 200092

前言

随着我国经济的发展，中国迎来全面建设小康社会的历史机遇期。中西部地区的发展迅速，然而中西部地区由于地理条件的限制，许多中小城市及郊区地处山区，有的城区及周边高差还特别大，有的达20～300米，这无疑为城市扩容，基础建设带来挑战。许多建筑项目面临场地开挖平整，有的场地半挖半填，有的场地全部是回填，由于地形的高差，由于平整场地原有的高差，有的回填达10～50米深，这为工程建设特别是地基处理及基础设计带来极大的挑战。由于回填几个月项目就要开工建设，不能等几年几十年地基固结后再开工，作者结合自己的实际项目经验，采用强夯及CFG桩的相结合的技术方法，成功的设计处理了几个项目，供同行参阅交流，为山区类似项目建设积累经济，服务国家的经济建设。

1 项目概况

新建恩施州出入境检验检疫局综合实验大楼项目位于湖北省恩施市金龙大道西侧。该项目由上海都市建筑设计有限公司设计。建筑物概况表如下：

表1 建筑物概况表

该项目含一层地下室，层高为3.3米，地下室底标高为457.0米，而场地室外地坪标高为458.8米，即地下室嵌入土层深度仅为1.8米，位于室外地坪标高以上为1.5米。建筑物工程重要性等级为二级，场地等级为三级，地基等级为二级。岩土工程勘察等级为乙级。

2 场区地理位置、地形地貌

新建恩施州出入境检验检疫局综合实验大楼场区位于恩施市城区，金龙大道一侧，交通极为方便。

场区所处区域地貌为构造、剥蚀低山丘陵；原始微地貌为山间冲沟及斜坡地段，冲沟为西北—东南走向，建筑物布置大致与冲沟斜交，沟底标高约为442.3米，宽约15.0米，西南侧以及东北侧均以陡坡接低矮山脊，坡角20～50°之间；原始地面标高约在442.3～453.0米之间，现场区经过高挖低填整平后，场区平坦、开阔，周边40.0米范围内无边坡、临空面等，现场区地面标高大致为458.8米。

根据野外钻探结果分析，拟建场地在勘察深度范围内可划分为以下3层：①人工填土Q4ml，②强风化泥质粉砂岩K，③中风化泥质粉砂岩K。

根据该项目建筑物的结构特点及场地地质条件，本着“安全、可行、经济合理、技术先进、确保质量”的原则，我们建议该项目建筑物的基础形式可采用桩基础的基础形式。

表2 桩基设计参数建议值表

3 基础设计方案

根据地勘报告：本地区常采用的桩基类型有人工挖孔桩和机械钻孔灌注桩，由于桩基成孔大部分均在15.0米以上，且上覆土层为人工填土，填土土质状态松散，根据相关文件的规定，从安全施工角度考虑，不宜采用人工挖孔桩。据场区地层情况，地勘建议如下：该项目拟建建筑物采用机械钻孔灌注桩。采用机械钻孔灌注桩有以下优点：①拟建场地交通极为方便，场地平坦、开阔，便于机械的进场，具备机械钻孔灌注桩施工条件；②采用机械钻孔灌注桩，所需劳动力资源较少，施工速度快，施工工期较短；③拟建场地离城区相对较远，为新开发地段，周边无居民，施工时噪音对周边环境基本无干扰。不足之处在于：①采用机械钻孔灌注桩，施工时产生的泥浆会对周边道路有一定的轻微污染，若泥浆经泥浆池沉淀后排放，可减轻对环境的污染；②采用机械钻孔灌注桩，桩身质量与施工单位技术、管理素质有很大关系，不方便对桩端持力层进行检查，由于填土厚度较大，建议施工前应进行试钻，有必要时采用护壁措施。

综上所述：采用机械钻孔有较好的施工场地，本地区在该类地层有较好的成孔经验，成孔对周围环境基本无污染，我们建议本项目拟建建筑物采用机械钻孔灌注桩。

单桩竖向承载力特征值估算

根据拟建建筑物及地基特点，根据《建筑地基基础技术规范》DB42/242--2003第10.3.3-2条，单桩竖向承载力特征值按:Ra=qpaAp+up∑qsiali估算，嵌岩深度取2倍桩径，其单桩竖向承载力特征值估算结果见表3：

表3 单桩竖向承载力特征值估算表（地勘报告）

说明：①未考虑桩侧摩阻力，以8#钻孔深度20.3m进行估算。②本单桩竖向承载力特征值仅做参考，实际单桩竖向承载力特征值应通过试桩的现场静载荷试验确定。（以上为直接引用地勘报告的描述）

考虑到当地的设备技术能力，选用1000mm及12000mm直径的钻孔灌注桩比较可行：

计算结果如下：

不计负摩阻加扩底5#孔桩1.0m桩径 1595 2154 2113 2672 6#孔桩1.0桩径 1476 2041 1994 2559 7#孔桩1.0桩径 1510 2060 2028 2578 8#孔桩1.0桩径 1407 1984 1925 2503 5#孔桩1.2桩径 2113 2672 2726 3284 6#孔桩1.2桩径 1994 2559 2706 3171 7#孔桩1.2桩径 2028 2578 2641 3190 8#孔桩1.2桩径 1925 2503 2537 3115计负摩阻 不计负摩阻 计负摩阻加扩底

通计算比较说明如下几点：

（1）对于新回填未固结的建筑场地，由于回填厚度深，3～50米不等，给基础设计带来很大的难度，基本上只能考虑机械桩基础。

（2）回填土负摩阻很大，对桩基影响很大，与不计负摩阻时桩基承载能力相差35%。

（3）由于回填土负摩阻很大，增大桩径对提高桩基承载能力效果不明明显，性价比不高，桩径由1.0m提升到1.2m，工程量增大了1.44倍，由表中可以看，桩的承载力并没有同比例增加，约为1.36倍。

（4）扩底对于桩基承载能力提升非常明显，扩底半径增大20%，工程量增3.4%，但是桩基承载能力提升40%，但是由于桩端持力层为中风化泥岩，加之桩长为20多米，施工难度极大，几乎没有可操作性。

结合地质报告，选定了1.0m的钻孔灌注桩作为设计工程桩基方案，设计特征值取值2250KN,结构计算柱底最大值为10196.80KN需布桩5桩，边跨最大柱底特征值1669.80KN,布置三桩（考虑砼外墙荷载），桩基及承台布置如下：

此基础设计完成后，经过甲方聘请的造价咨询公司计算，基础造价需要850万元，这个结果是甲方始料未及的，我方有所预料，但也不知会这么高的基础代价。刚好本项目相隔不到300m就有一个相类似项目已在施工，基础造价900万，说明我们的设计本身是没有问题的。

4 基础优化设计

受甲方委托与要求，我方对原基础方案进行优化，并进行必要的经济性测算，并与地勘单位进行协商，同时也与施工图图纸审查机构进行沟通，与相关的施工方进行技术协调，得到了相关部门的支持！

由于场地的是新近开山回填的红砂粉质岩，遇水浸泡就化为泥，深度为3～20m。回填土以下就是原始地形的山坡地表，也是典型的恩施丹霞地貌。地表为强风化泥质砂岩厚3～6m左右，再下一层为中风化泥质红砂岩。由此可见回填土以下的地质结构简单，岩土力学性能良好，无不良地质结构及地质灾害的隐患，回填土石的原料全是就近挖山回填的泥质红砂岩。改变回填土的力学性能，减小回填土的压缩模量，提高回填土的密实度，提高其承载能力，减少场地的沉降量，是我们设计工程师需要考虑的本项目地基基础处理的核心问题。经过认真分析，我方提出了如下的地基处理方及基础设计方案：

（1）采用强夯处理，选30Tx20m夯击能锤，其冲击波影响深度为5～10m，设计采用满夯，三遍，强夯后地基承载力要求达到150KPa。

（2）强夯后，再采用CFG桩对地基进行加固，形成复合地基，由于上部结构是高层建筑，中部柱下最大轴压力为10196.80Kn，将CFG桩改进为C30砼，桩径500mm,形成素混凝土桩复合地基，素混凝土桩端进入③层中风化泥质粉砂岩为桩基持力层，这样可以提高单桩承载能力，同时，由于上部的回填土厚度大，可以用③中风化泥质粉砂岩为桩基持力层固定桩端，防止场地滑移，更好的保证场地的安全性，防止地质灾害的发生。为了节省造价，经过经济性对比，放弃了原来场地整体满布的方案，采用柱下独立基础下局部地基加固布桩。这样可以做到更加经济。见基础平面布置图如下图：

地基经强夯处理后，极大了改变了回填土的力学性能，具有一定的承载能力，设计要求达150Kpa,施工后来的现场原位实验达160Kpa，也验证了设计切实可行。

由于强夯改变了土体的力学性能，再做素混凝土桩时，原来的回填土对桩的负摩阻力-10KPa就不复存在，由于强夯地基土的变形及力学性能，短期内难以稳定，很难判定其准确的力学性能，根据笔者工程经验，考虑其对桩的正摩阻是可行了，建议处取值1-5Kpa正摩阻,预估对于素混凝土桩的单桩承载力，本项目由此计算单桩承载能力特征估为531Kn。

单桩承载能力特征值算例如下：

土层号 厚度(m) 侧阻(qsik)端阻(qpk) 直径(m)侧阻力 端载力 桩承载力1 18.4 1 0 0.5 57.8 0.0 58 2 1.9 30 0 0.5 179.0 0.0 179 3 0 100 1500 0.5 0.0 294.4 294桩长 20.3 承载力 531

主楼地质勘探孔各孔对应的桩的承载能力标准值如下：

1#:726Kn，2#:653Kn，3#:760Kn，4#:628Kn，5#:1013Kn，6#:586Kn，7#:604Kn，8#:531Kn，9#:667Kn，10#:678Kn，11#:557Kn，12#:558Kn，由于场地的地势起伏变化，最小值为531Kn，最大值为1013Kn，500mm桩直径对应的C30混凝土桩抗压承载能力：Q==0.7Acfc=0.7x3.14x250x250x14.3/1000=1964Kn

本项目实际取值为300Kn（实际偏于保守），桩间距为1500mm。

置换率为：m=3.14Ac/A=3.14x250x250/(1500x1500)x100%=8.7%

复合地基承载能力值fspk计算：fspk=mRa/Ap+β(1-m)fak=0.087x300(3.14x0.25x0.25)+0.9x(1-0.087)x150=256KPa

复合地基加回的地基承载能特征值取255KPa。

5 基础设计

经加固后复合地基特征值取255KPa取值，本项目中柱最大柱底标准值为10196.80KN，故本项目地基加固后可以采用柱下独立基础，本项目带有地下室，地下室采用300mm厚防水板，防水板不考虑受力,配筋力构造Φ10@1150双层双向，桩顶上基础下采用500mm中粗级配砂作为褥垫层。

独立基础布置平面图如下：

本优化后的地基基础设计，经第三方造价机构核算，造价经为约500万元，相对于原基础设计方案，节省了约350万的建设资金，相当于节省了41%的基础造价，本基础设计方案得到了业主建设方的认可，也得到了审图部门的认可，顺利通过了施工图审查。

本项目于2017年底交付使用，经4年多的观测，本项目最大沉降量为5.13mm，最小沉降为4.10mm，沉降差为1.03mm，均满足国家现行设计规范要求。地基处理后地基及素混凝土桩的承载能力检测，均达到设计要求，强夯后场地承载能力特征值为160KPa。由此可见，本次地基基础设计完全科学合理，为此类地基基础处理积累了成功的宝贵经验。

6 项目设计小结

（1）作者近几年做了武陵山区（恩施及湘西）多个山地项目的设计，由于山区平地少，开挖及回填形成的建筑场地非常普遍，相对而言武陵山区的经济发展目前相对落后，建设资金有限，处理好山地项目的基础设计，可以节省大量的资金，为当地经济发展做贡献。

（2）本项目所在地区的对此类项目的传统做学法是人工挖孔桩、机械钻孔桩，但是从本项的分析进看，类似项目不宜采用人工挖孔桩，松散的回填土不适合人工护壁施工，施工安全隐患巨大。机械钻孔桩由于场地有很厚的回填土层，由于回填土层成在较大的负摩阻，机械桩承载能力大大下降，约降低35%左右。

（3）强夯与CFG桩的组合运用，有效了改善了回填土的力学性能，通过作者近几年的经验，强夯处理后，可以有效消除桩基负摩阻，摩阻力可以取1～5Kpa。对于低层建筑，或有可能采用地基处理后的浅基础，如独立基础、条形基础或筏板基础，不必要采用桩基础，大大的节省工程造价，且施工周期缩短1～2个月。

（4）CFG桩基础，将桩端进入强风化层、中风化层，可以有效改变持力层起伏变化地基基础的沉降差，本项目的最终沉降量为6mm以内，沉降差为2mm以内，效果很好。

（5）本项目成功经验的推广，对于推动当地的经济建设具有极大的价值，可以每年为当地的经济建设节约数亿乃至数百亿的资金。例如受本项的影响，当地某烟草厂房直接采用强夯处理后浅基础，地当某汽车城项目，回填土厚度为0-30m的低层建筑，强夯后采用了浅基础，节约了大量的工程资金。

（6）对于强夯后的场地土的回弹、强夯后的CFG桩复合地基的变形及力学性能等有待进一步研究。

以上为作者对于山地深挖深回填建筑场地地基基础处理的设计心得体会并加提炼总结，供同行及相关专业的专家学者学生交流探讨，不妥之处，还望读者指正为谢。

参考资料

本项目地勘报告，《建筑地基基础设计手册》。