深厚黄土层地区建筑物桩基础设计技术经济性探析——以甘肃交通职业技术学院兰州新区建设项目C区桩基础方案为例

甘肃交通职业技术学院兰州新区建设项目地处兰州新区职教园区创智西路以北、北斗路以西、科体路以东、纬二十六路以南，总建筑面积282142m2，其中，地上建筑面积267406m2、地下建筑面积14736m2，包括风雨操场及运动场等21栋单体建筑物。整个建筑分为A、B、C、D 四个区，A区为教学和办公区域，B 区和C 区是生活区域，D 区属于后勤及附属用房。A 和B 区场地较好，素填土和湿陷性黄土厚度普遍较薄（一般为5m～6m），C 区素填土和湿陷性马兰黄土层很厚，普遍超过30m，湿陷性马兰黄土层层底距胶结圆砾层很近或直接相邻，几乎全部深度范围内的黄土都具有很强的湿陷性。本文以C 区桩基础方案为例，结合场地工程地质及水文地质条件，阐述桩基础型式选择、单桩承载力计算、桩基方案比较等内容，对深厚黄土层地区建筑物桩基础设计技术经济性进行讨论，以期为同类工程提供借鉴。

1.C 区建筑概况与场地地质水文条件

1.1 C 区建筑概况

C 区位于整个校区的西南侧，是校区的一个主要生活区，由C-1学生宿舍楼6层、C-2学生宿舍楼6层、C-3学生宿舍楼6层、C-4学生街2层、C-5 食堂2层、C-6 后勤楼3层等建筑单体构成，其分布图见图1所示。本文以C-1学生宿舍楼为例，其柱跨7200mm，典型柱下荷载标准值为4000（不含基础自重）。

1.2 地质水文条件

1.2.1 地质条件

根据《岩土勘察报告》提供的资料可知，在勘探深度内所揭示的地层自上而下为[1]：

（1）素填土层（Q4ml）厚度0.40m～10.00m，以粉土为主，局部经碾压呈薄层状，稍湿，稍密。

图1 C 区各单体建筑布置示意图

（2）马兰黄土层（Q3eol）：埋深0.00～10.00m，层面高程1942.95m～1962.77m。场地西南角厚度较大（1-76#孔区域），厚度18.10m～34.00m。其他区域较薄，厚度0.90m～18.00m。土质较均匀，干强度低，韧性低，摇振反应中等，该层局部区域含砾砂夹层。

（3）砾砂层（Q1al+pl）埋深5.10m～34.50m，厚度0.50m～31.50m，层面高程1939.35m～1949.90m。主要矿物成分为石英、长石等，充填物以细砂、中砂及粉土为主，局部含卵石颗粒及钙质胶结，稍湿，中密，该层局部区域含粉土夹层。

（4）胶结圆砾层（Q1al+pl）：该层在局部区域缺失，埋深29.00m～35.00m，厚度0.00～9.80m，层面高程1918.63m～1929.91m。成分以花岗岩、石英岩、变质岩为主，硅质胶结，微裂隙及风化裂隙一般发育，致密，该层局部区域含粉土、粉质黏土及砾砂夹层。

（5）强风化泥岩层（E1）埋深32.80m～43.80m，厚度2.70m～3.60m，层面高程1904.19m～1924.17m。以蒙脱石、绿泥石、高岭石、白云母、长石、石英等为主，泥质胶结、厚层状结构、碎屑构造，微裂隙及风化裂隙较发育，遇水软化、致密、较坚硬。

（6）中风化泥岩层（E1）埋深35.90m～47.00m，勘察厚度3.50m～8.60m，层面高程1862.18m～1869.89m。以蒙脱石、绿泥石、高岭石、白云母、长石、石英等为主，泥质胶结、厚层状结构、碎屑构造，见微裂隙，遇水易软化、致密、坚固。

1.2.2 水文条件

兰州新区内无常年性地表径流，偶有外泄洪流皆因局部暴雨形成。新区内地下水主要由灌溉回归水及天然降水补给。场地地下水埋深28.50m～43.00m，高程为1914.27m～1927.72m 之间。地下水为潜水，主要含水层为下部砾砂层及圆砾胶结层，泥岩层为相对隔水层。砾砂层渗透系数为10m/d～15m/d，圆砾胶结层渗透系数为5m/d～10m/d。

场地地下水受丰水期、枯水期季节性变化影响明显，地下水年内变化幅度为1.5m～2.5m。由于新区大规模建设并进行人工湖蓄水，地下水变化幅度可能较大。

2.C 区建筑结构基础型式选择

C 区建筑场地从地表依次向下的地层为素填土层厚度0.40m～10.00m。马兰黄土层埋深0.00～10.00m，层面高程1942.95m～1962.77m，场地西南角厚度较大（1-76#孔区域），厚度18.10m～34.00m，其他区域较薄，厚度0.90m～18.00m。砾砂层埋深5.10m～34.50m，厚度0.50m～31.50m，层面高程1939.35m～1949.90m。胶结圆砾层在局部区域缺失，埋深29.00m～35.00m，厚度0.00～9.80m，层面高程1918.63m～1929.91m，该层局部区域含粉土、粉质黏土及砾砂夹层。强风化泥岩层埋深32.80m～43.80m，厚度2.70m～3.60m，层面高程1904.19m～1924.17m。中风化泥岩层埋深35.90m～47.00m，勘察厚度3.50m～8.60m，层面高程1862.18m～1869.89m。

故C 区建筑结构基础型式采用桩基础，整体以胶结圆砾层为持力层，局部夹层区域可以强风化泥岩层或中风化泥岩层为持力层；对拟采用桩基础的区域应先对素填土进行地基处理，处理方式可采用挤密或强夯。桩基应考虑旋挖成孔灌注桩基础，确保桩底沉渣厚度满足相关规范要求。拟建物采用灌注桩基础时，桩端应进入持力层不小于1.00m。桩基设计时，桩型应尽量统一，以便机械施工，为控制桩底沉渣不应使用扩大头。建议采用桩底后注浆，以固化桩底沉渣，提高桩端土承载力。

但C 区场地存桩基础设计存在三个影响基桩承载力的关键问题：一是素填土和湿陷性马兰黄土层很厚，普遍超过30m，桩基设计中需考虑较大负摩阻力；二是湿陷性马兰黄土层层底距胶结圆砾层很近或直接相邻，桩基承载力中的主要正摩阻力均来自于胶结圆砾层；三是马兰黄土层湿陷量巨大，最大湿陷量超过2000mm，且最底部1000mm～2500mm 厚的黄土湿陷量仍超过200mm，几乎全部深度范围内的黄土都具有很强的湿陷性。

3.深厚黄土层单桩承载力计算

3.1 正常情况下单桩承载力计算[2]

大直径（d≥800mm）单桩竖向极限承载力特征值Quk可按下式计算：

Quk=Qsk+Qpk=U ∑ Ψsiqsiklsi+ψpqpkAp

式中：Qsk为单桩总极限侧阻力特征值；Qpk为单桩总极限端阻力特征值；U为桩身周长；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力特征值；li为桩穿越第i层土的厚度；qpk是桩径为800mm 的极限端阻力特征，可采用深层载荷板试验确定；Ap为桩端面积；Ψsi、ψp为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数。

3.2 深厚黄土层单桩承载力设计

由于该工程C 区建筑修建场地内的马兰黄土层存在湿陷性，自重湿陷带分布深度5.10m～23.40m，湿陷带分布深度5.10m～23.40m，湿陷性系数δs为0.000～0.129，自重湿陷性系数为0.000～0.112。计算总湿陷量44.38cm～249.80cm，自重湿陷量23.90cm～207.90cm，《岩土勘察报告》建议土层整体按照Ⅳ级自重湿陷考虑，故需要解决深厚湿陷性黄土层单桩承载力设计的关键技术问题。

甘肃省《湿陷性黄土地区建筑灌注桩基技术规程》规定桩基础竖向承载力计算应符合下列要求[3]：轴心竖向力作用下N≤Ra；偏心竖向力作用下，除满足前式外，尚应满足Nmax≤1.2Ra；自重湿陷性黄土场地中的基装，除满足前述两式外，当考虑土层湿陷引起的下拉荷载时，尚应满足N+λf。公式中Ra为基桩竖向承载力特征值，N为荷载效应标准组合轴心竖向力作用下基桩的平均竖向力，Nmax为荷载效应标准组合偏心竖向力作用下桩顶最大竖向力，Qng为考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载，λf为下拉荷载折减系数。

因此，桩基设计中的关键技术问题就是处理好深厚素填土和马兰黄土对桩产生的负摩阻力、正摩阻力和桩端阻力、柱下承载力需求三者之间的关系，即满足N≤R'a=Raλf f Qng，公式中R'a为考虑负摩阻力的单桩承载力特征值，其值取决于Ra和λf f Qng大小关系；Ra为桩身正摩阻力+桩端阻力特征值，进入好土层的深度越大数值越大，且必须具有足够承载力；λf f Qng为折减后的负摩阻力标准值，当黄土层很厚，桩身大部分长度都是起负作用，为便于表达本文中将λf f Qng定义为R负。

表1 桩基桩径变化方案比较

图2 桩基桩径变化经济性比较曲线图

图3 桩基桩长变化经济性比较曲线图

4.C 区桩基方案比较

以C-1学生宿舍楼为例，当柱跨为7200mm 时，典型柱下荷载标准值为4000kN（不含基础自重），设计时拟定800mm、900mm、1000mm、1200mm 四种大小不同桩径，选择圆砾胶结层或强风化泥岩、中风化泥岩为持力层比确定较符合承载要求的桩数和桩长即可选择出受力合理、造价经济的桩基方案。

（1）桩径不同、桩长相等时，以单桩桩砼方量（m3）和单桩承载力（N/m3）为比较指标确定合理桩径。具体见表1、图2。

由表1、图2中单桩比较可以得出结论，桩径越小经济性越高，故设计拟定C 区建筑的基桩直径为800mm。

（2）桩径均为800mm、桩长不等时，以单桩承载力特征值（kN）和综合单价（元/kN）为比较指标确定合理桩径。具体见表2、图3。

方案一：持力层为圆砾胶结层,总桩数600根，桩长约32m，单桩承载力约500kN。以岩土勘察59号孔土层分布情况为例，进入胶结圆砾层1.34m，计算得R’a=504kN，Ra=1503kN，R负=999kN。此方案为满足承载力要求至少需要单柱下八根桩，造价最高，没有足够的实际施工空间，所以此方案严重不合理，不可采用。

方案二：持力层为圆砾胶结层，总桩数271根，桩长约34m，单桩承载力约1000kN。以岩土勘察59号孔土层分布情况为例，进入胶结圆砾层3.34m，计算得R’a=1007kN，Ra=2006kN，R负=999kN。此方案为满足承载力要求至少需要单柱下四根桩，造价次之，实际施工空间受限，所以此方案较不合理，不可采用。

表2 桩基桩长变化方案比较

方案三：持力层为圆砾胶结层,总桩数197根，桩长约36m，单桩承载力约1500kN。以岩土勘察59号孔土层分布情况为例，进入胶结圆砾层5.34m，计算得R’a=1509kN，Ra=2508kN，R负=999kN。此方案为满足承载力要求至少需要单柱下三根桩，造价排在第三位，实际设计中三桩空间承台布置形式极少，所以此方案不合理，不可采用。

方案四：持力层为强风化泥岩，总桩数139根，桩长约39.5m，单桩承载力约2350kN。以岩土勘察59号孔土层分布情况为例，桩端穿透胶结圆砾层进入强风化泥岩，计算得R’a=1354kN，Ra=3353kN，R负=999kN。此方案为满足承载力要求单柱下需要布置两根桩，造价排在第四位，实际设计中两桩空间承台布置形式有利于竖向力的均匀传递，此方案相对合理。

方案五：持力层为中风化泥岩，总桩数81根，桩长约45.5m 时，单桩承载力约4200kN。以岩土勘察59号孔土层分布情况为例，桩端进入中风化泥岩3.14m，计算得R’a=4223kN，Ra=5222kN，R负=999kN。此方案是经济性最优方案，但是由于C 区建筑场地中胶结圆砾层大部分区域厚度在7m 以上，且强风化泥岩层厚度2.70m～3.60m，若穿透胶结圆砾层和强风化泥岩，使桩端进入中风化泥岩的施工难度进一步加剧，施工周期和附加成本都因此会大幅增加，所以此方案不宜采用。

经比较，方案四位于造价变化的拐点处，技术与经济性均相对合理，故设计拟定C 区建筑的基桩直径为800mm 时的桩长约为39.5m。

5.结论

在胶结圆砾、强风化泥岩和中风化泥岩持力层埋深30m以上的深厚黄土层中，桩基础型式是比较理想的基础形式，桩基设计中的关键技术问题就是处理好深厚素填土和马兰黄土对桩产生的负摩阻力、正摩阻力和桩端阻力、柱下承载力需求三者之间的关系。需要拟定大小不同桩径，比较确定符合承载力要求的桩径、桩数和桩长，即可选择出受力合理、造价经济的桩基方案。

在《岩土勘察报告》提供的数据条件下，当桩长进入正摩阻力区段长度不足时，单桩承载力无法达到较高的合理数值。从单桩承载力计算公式出发，若要提高单桩承载力，可考虑的方法有：一是提高桩侧正摩阻力。通过增大桩身进入正摩阻力区段长度，从而达到提高单桩承载力的目的；二是提高桩端承载力。通过桩端注浆提高桩端桩端承载力，从而达到提高单桩承载力的目的；三是降低桩侧负摩阻力的同时提高桩侧正摩阻力。通过地基处理的挤密、夯实等方式部分消除湿陷性，减小负摩阻力区段长度，同时增加正摩阻力区段的长度，从而达到提高单桩承载力的目的。

在该工程的具体条件下，地基处理的其他方案从技术、工期、造价等因素考虑均不及桩基方案，不推荐采用。实际桩基施工根据土层情况，合理选择与土层相匹配的成桩机械和钻头，其中，机械功率与钻头类型是沉桩施工的主要控制因素。