欠固结地基桩基工程设计优选

戚健锋

(上海电力建筑工程有限公司，上海 200437)

1 概述

随着工程建设的不断发展，城市密集程度越来越高，用地越来越紧张，城市建筑追求外观造型导致整楼偏心等问题，使得特殊土的工程地质特性突显。原本承载力较好的场地，由于上部荷载较大，荷载分布不均，导致差异沉降和工后沉降都明显增大。同时，由于未来周边建设的情况不明，浅基础极容易受到邻近工程建设的影响，深基础特别是桩基础不仅在软土地基受到青睐，在卵石、风化岩等硬质地基也应用越来越广泛。本文针对在表层欠固结土的地基上，建造4栋高层建筑的基础工程进行桩基优选。

2 待建工程场地工程适宜性评价

2.1 地基土的工程特性

拟建场地地基土由素填土①、粉质粘土②、中砂③、卵石④、全风化凝灰岩⑤、强风化凝灰岩⑥1、强风化凝灰岩⑥2、中风化凝灰岩⑦组成。

素填土①：勘察期间回填整平(堆填时间不足1年)，尚未完成自重固结，欠压实，土质结构疏密不均，局部地段有揭露，厚度为0.40～2.50，变化较大，其工程地质性能差。

粉质粘土②：可塑～硬塑状，该层力学强度一般，场地内分布较均匀，厚度为4.20 m～12.00 m，承载力特征值fak=160 kPa，其工程地质性能一般。

中砂③：松散～中密，局部钻孔有揭露，厚度为0.50 m～6.90 m，承载力特征值fak=160 kPa，属可液化砂土，其工程地质性能差。

卵石④：松散～密实，厚度为1.30 m～9.90 m，变化较大，局部地段缺失，力学强度较高，承载力特征值fak=280 kPa，其工程地质性能较好。

全风化凝灰岩⑤：该层力学强度较高，变化较大，局部地段有揭露，厚度为1.00 m～3.30 m，未发现有碎岩体及软弱夹层等，承载力特征值fak=350 kPa，工程地质性能较好。

强风化凝灰岩⑥1：该层力学强度较高，承载力特征值fak=450 kPa，稳定性较好，厚度为0.70 m～9.40 m，层面较稳定，未发现有碎岩体及软弱夹层等，工程地质性能较好。

强风化凝灰岩⑥2：该层力学强度较高，承载力特征值fak=1 000 kPa，稳定性较好，厚度为0.50 m～17.70 m，层面起伏较大，工程地质性能较好。

中风化凝灰岩⑦：力学强度高，承载力特征值fak=3 000 kPa，分布较稳定，但层面起伏较大，工程地质性能好。

2.2 特殊土地质条件评价

拟建场地分布各种特殊性土：杂填土及不同程度风化的花岗岩。

素填土①回填时未专门压实处理，其密实度和均匀性较差，属欠固结土，基槽开挖时应做好支护和护坡，采用桩基时应考虑负摩阻力影响；工程施工时，应对场地内填土进行夯实，以避免产生填土的“湿陷”及密实沉降问题。

不同程度风化的凝灰岩具有遇水容易软化而降低强度或产生崩塌失稳，强度降低的特点，基础施工宜避开雨季，同时做好排水、疏干工作。

凝灰岩的风化均匀性差，较无规律，容易形成球状风化的残留体(孤石)。本次勘察仅在31号孔中揭露到风化残留体(孤石)，但不排除在钻孔之间还有孤石存在的可能；桩基施工时应加强持力层检验判别。

2.3 地基稳定性与均匀性评价

拟建场地地势相对开阔，不存在滑坡、崩塌及泥石流等影响场地地基稳定性的不良地质作用，据地面调查及钻探结果显示，场地内及附近未发现其他人为地下工程及大面积开采地下水的活动，不会产生地面塌陷；未发现有隐伏的河道、沟浜、防空洞等对工程不利的地下埋藏物或构筑物。对于拟作桩端持力层强风化凝灰岩⑥、中风化凝灰岩⑦及其影响深度范围内3倍桩身直径或5 m深度范围内，未发现有地下洞穴、临空面、破碎岩体及软弱夹层等对工程不利的地下埋藏物，地基稳定性较好。

依据钻探资料分析，拟建场地内素填土①力学性能均匀性差，未完成自重固结，地基土均匀性差；粉质粘土②分布较均匀，厚度变化较大，地基土均匀性一般；中砂③分布不均匀，地基土均匀性差；卵石④层位稳定性一般，厚度变化较大，地基土均匀性一般；下伏全风化凝灰岩⑤、强风化凝灰岩⑥、中风化凝灰岩⑦层位分布相对稳定，但风化不均匀，且各风化带基岩自身的力学性质也因风化和裂隙发育程度不同而有所差异，综合评价拟建场地地基均匀性差。

3 桩基方案比选

3.1 基础工程概况

拟建建筑物共4栋，其中1号～4号楼主楼为32层，采用框剪结构、单柱最大荷载为12 000 kN，设计地坪高程(±0.00)为52.30 m～53.70 m，室外地面高程为51.70 m～53.10 m，地下室承台底标高47.50 m，基坑开挖后，基坑底部出露的岩土层为粉质粘土②，其承载力特征值fak=160 kPa，承载力无法满足单柱荷载要求，下伏土层为可液化砂层中砂③及卵石④，故拟建物采用天然地基浅基础条件差，主楼需采用桩基础。裙楼为1层～2层，均采用框架结构、柱最大荷载为2 000 kN，裙楼设计地坪高程(±0.00)为52.10 m～53.70 m，室外地面高程51.30 m～53.10 m，纯地下室设置1层，框剪结构，单柱最大荷载为1 500 kN，地下室承台底标高为47.50 m，基坑开挖后，基坑底部粉质粘土②直接出露，拟建物具备采用天然地基浅基础条件，拟建物若采用天然地基浅基础，地下室应考虑抗浮作用，应设置抗浮桩；根据场地施工条件，结合经济费用，拟建裙楼及纯地下室基础形式也采用桩基础。

3.2 桩基设计方案比选

根据场地条件，上覆欠固结填土，下为不均匀强风化岩的特性，对预制桩、冲、钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩进行可行性分析。

3.2.1预制桩

拟建1号楼地下室开挖至承台底标高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度为4.29 m～7.74 m(层顶标高为39.76 m～43.21 m)，强风化凝灰岩⑥1埋藏深度为11.34 m～14.23 m(层顶标高为33.27 m～36.16 m)；局部地段强风化凝灰岩⑥1缺失，卵石④以下直接揭露到强风化凝灰岩⑥2；桩型若选择预制桩，以卵石④作为桩端持力层；桩长难以满足规范及设计要求；若持力层选择在强风化凝灰岩⑥1、强风化凝灰岩⑥2，桩身穿越岩土层为粉质粘土②、卵石④，其卵石④为松散～密实，桩身穿越卵石④难度较大，若选择预制桩，桩基施工时应采用预钻孔再沉桩方式进行施工，确保桩长满足规范及设计要求。拟建2号楼地下室开挖至承台底标高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度为5.87 m～9.47 m(层顶标高为38.03 m～41.63 m)，强风化凝灰岩⑥1埋藏深度为10.15 m～12.94 m(层顶标高为34.56 m～37.35 m)；局部地段卵石④缺失，桩型若选择预制桩，以卵石④或强风化凝灰岩⑥1作为桩端持力层；桩身穿越岩土层为粉质粘土②、中砂③，桩身穿越各岩土层难度不大。若持力层选择在强风化凝灰岩⑥1，桩身穿越岩土层为粉质粘土②、中砂③、卵石④、全风化凝灰岩⑤，其卵石④为松散～密实，桩身穿越卵石④难度较大，若选择预制桩，桩基施工时应采用预钻孔再沉桩方式进行施工，确保桩长满足规范及设计要求。拟建3号楼地下室开挖至承台底标高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度为4.72 m～5.97 m(层顶标高为41.53 m～42.78 m)，强风化凝灰岩⑥1埋藏深度为9.42 m～12.18 m(层顶标高为35.32 m～38.08 m)；拟建4号楼地下室开挖至承台底标高(47.50 m)后，卵石④埋藏深度为6.97 m～9.40 m(层顶标高为38.10 m～40.53 m)，强风化凝灰岩⑥1埋藏深度为11.36 m～14.07 m(层顶标高为33.43 m～36.14 m)，该两处塔楼下的桩型若选择预制桩，以卵石④作为桩端持力层；桩长难以满足规范及设计要求；若持力层选择在强风化凝灰岩⑥1，桩身穿越岩土层为粉质粘土②、中砂③、卵石④、全风化凝灰岩⑤，其卵石④为松散～密实，桩身穿越卵石④难度较大，桩基施工时应采用预钻孔再沉桩方式进行施工。

综上所述，若采用预制桩，1号、2号楼及裙楼以卵石④作为桩端持力层；局部地段持力层埋藏深度较浅，可结合预钻孔再沉桩方式进行施工。为确保桩长满足规范及设计要求，3号、4号楼需以强风化凝灰岩⑥1作为桩端持力层，桩基施工时应采用预钻孔再沉桩方式进行施工。

3.2.2冲、钻孔灌注桩

拟建物地下室开挖至承台底标高(47.50 m)后，强风化凝灰岩⑥1埋藏深度为7.65 m～14.51 m(层顶标高为32.99 m～39.85 m)；或强风化凝灰岩⑥2埋藏深度为7.82 m～18.65 m(层顶标高为28.85 m～39.68 m)；中风化凝灰岩⑦埋藏深度为9.59 m～29.97 m(层顶标高为17.53 m～37.91 m)；如选择冲、钻孔灌注桩，建议1号～5号 楼主楼以中风化凝灰岩⑦作为桩端持力层；裙楼及纯地下室以强风化凝灰岩⑥2或中风化凝灰岩⑦作为桩端持力层；该种桩型穿透力强，稳定性较好，单桩承载力高，但施工工期偏长，造价偏高。

3.2.3人工挖孔灌注桩

拟建物桩型若选择人工挖孔灌注桩，以强风化凝灰岩⑥1作为桩端持力层，场地内分布有强透水层(中砂③、卵石④)，且强风化凝灰岩⑥1埋藏深度超过15 m，按建设主管部门的相关技术文件规定禁止采用人工挖孔灌注桩。

综上所述：在桩型选择上拟建1号～4号楼主楼、裙楼及纯地下室可采用预制桩或冲(钻)孔灌注桩，但是由于场地土颗粒较粗、桩端入岩，预制桩打入困难，仍需先冲、钻孔再下放预制桩。

3.3 桩基施工方案比选

3.3.1预制桩

拟建物桩型若采用预制桩，场地四周距离已有建筑物较远，沉桩方式采用锤击或静压均可，考虑到卵石③厚度为1.30 m～9.90 m，建议采用锤击式预应力管桩进行施工，但应作好桩基施工的作业时间，以避免噪声对周边村民及环境的不利影响。施工时以压桩力或贯入度并结合标高控制桩长。以强风化凝灰岩⑥1作为桩端持力层；桩端穿越的土层为粉质粘土②、中砂③、卵石④、全风化凝灰岩⑤，建议采用具有较大压桩力的机械或大吨位桩锤，桩若较难压(打)进时，不可强加压(打)力，以免桩身爆裂，应采用加焊桩尖及预钻孔沉桩等辅助措施，桩端进入持力层的深度均应以压桩力或贯入度控制为主，标高控制为辅。

3.3.2冲、钻孔灌注桩

拟建物桩型若采用冲、钻孔灌注桩，该桩型穿透能力强，可穿填石、孤石进入稳定岩层。场地内倾斜陡变的岩面容易使桩基产生偏移、斜桩。因此建议桩基施工时在岩面坡度大于10%的部位布置超前钻孔进行施工勘察，以加强桩端持力层的识别。桩身穿越的土层，对基桩施工影响较小，但应防止中砂③、卵石④在沉桩过程中出现塌孔问题，故应做好孔壁泥浆支护工作，该桩型存在的问题是施工质量较难控制，常出现桩端沉渣，厚度较大等施工质量影响桩基承载力；建议选择施工经验丰富、管理先进的施工队伍，并采用桩端压力注浆工艺；为减少桩端沉渣，建议采用反循环清渣施工工艺，保证沉渣厚度小于5 cm，同时应强化检测手段。在施工时，应严格控制合理的泥浆配比，以免产生断桩、离析、桩底沉渣等问题，在主要含水层地段应合理调整泥浆配合比，确保桩基质量。

3.4 桩基方案的经济性比选

按省标DBJ 13—07—2006建筑地基基础技术规范第9.2.4式，估算预制桩、冲(钻)孔灌注桩单桩竖向承载力见表1。

表1 单桩竖向承载力特征值估算表

通过单桩承载力估算，可以得出预制桩和灌注桩(持力层分别选择⑥2或⑦层)单位体积的承载力特征值，见表2。

表2 不同桩型的单桩单位体积承载力特征值

由此可见，灌注桩尽管桩长长，直径大，但是承载力发挥效力更大，单位混凝土用量的灌注桩经济性更好。

4 结语

考虑经济性和施工适宜性，采用冲(钻)孔灌注桩具有更好的场地适宜性，技术方案可行，施工难度较小，对比同体积混凝土预制桩具有较高的承载力发挥效力，经济性更好。由此得出，选择冲(钻)孔灌注桩作为基础工程设计方案，1号～4号楼主楼以中风化凝灰岩⑦作为桩端持力层；裙楼及纯地下室以强风化凝灰岩⑥2作为桩端持力层。