载体桩复合地基在浅层岩溶发育地区高层建筑的应用

梁任和，伍军志

(广西壮族自治区三〇五核地质大队，广西 柳州 545005)

关健词：载体桩复合地基；浅层岩溶发育地区；高层建筑

0 引言

20世纪90年代，北京波森特岩土工程有限公司自行开发研制复合载体夯扩桩施工技术[1]。经过20多年的工程实践，先后制订执行《载体桩设计规程》(JGJ/T 135-2007)和《载体桩技术标准》(JGJ/T 135-2018)，后一标准增加了载体桩复合地基的设计，在标准5.1.1条中，载体桩复合地基适用于处理黏性土、粉土、砂土和自重固结完成的不含生活垃圾的填土地基[2-3]，对于其他地基土应按地区经验或通过现场试验确定其适用性。在南方岩溶区，刘国权等[4]介绍以中风化灰岩为持力层的载体桩基础型式成功应用于多层建筑的工程实践。目前载体桩复合地基在岩溶区中的应用鲜有记载。本文通过介绍载体桩复合地基在某一高层建筑浅层岩溶发育地基的成功应用，为岩溶地区浅层发育区地基基础选型提供了新的思路和参考。

1 工程概况

项目位于广西某市，总用地面积36 990.96 m2，其中净用地面积35 510.86 m2；总建筑面积147 688.47 m2，其中地面总建筑面积124 288.01 m2，地下室建筑面积3400.46 m2；连通式地下室为1F，设计地下室基底高程为90.40 m。共设计10栋建筑，项目分为一、二期，其中二期工程7#～10#楼为4栋27F～33F高层住宅楼。

依据岩土工程勘察报告，钻探揭露深度范围内从上至下的地层及各土层的物理力学性质指标见表1。

表1 土层物理力学性质指标

2 基础方案选型

2.1 不良地质作用

场区属浅覆盖型岩溶地基，岩溶发育以裂隙、溶孔为主，局部地段溶洞发育，岩溶发育强度受构造等因素控制。勘察场地不良地质作用主要表现为土洞、溶洞(隙)，基岩面溶沟(槽)发育，岩面埋深7.50～16.80 m，岩面起伏较大，浅层岩溶发育。在一期勘察施工103个钻孔中，位于10#楼北侧(纯地下室区域)有16个钻孔发现土洞，土洞高度1.20～12.60 m，揭露的两个土洞范围长宽分别为8.89 m×4.55 m、15.22 m×7.60 m；10#楼揭露1个土洞，其平面分布范围约为3.50 m×3.00 m，由于地下水于岩面或其附近活动，易将土层中的土颗粒带走，形成土洞，所揭露土洞全部充填可塑—流塑状黏土，未形成空洞。据预测，土洞将继续向南东方向继续发展。10#楼场地和周边所揭露土洞平面分布图及典型工程地质剖面图见图1。

图1 10#楼场地和周边所揭露土洞平面分布图及典型工程地质剖面图

2.2 基础方案选型

拟建建筑物开挖一层地下室后，地下室板面高程下土层厚度为4.0～13.0 m，10#楼地下室底板距土洞顶部为9.20 m，若上部为经地基处理的筏板基础，则该土洞在上部结构荷载应力扩散范围之内。该岩溶属于浅埋型，故建筑物基础无法避开岩溶的影响，必须消除岩溶的不利影响[5]。

根据现场揭露岩土层结构及当地施工经验，目前处理浅层岩溶地基方案常采用旋挖(冲孔)桩、注浆钢管桩[6]、预应力管桩处理后的复合地基+筏板基础、CFG桩处理后的复合地基[7-8]+筏板基础、载体桩处理后的复合地基+筏板基础。

旋挖(冲孔)桩具有单桩承载力高，不受地下水的影响，但在岩溶发育区容易造成漏浆、卡钻、埋钻、塌孔、偏孔等现象。本场地旋挖(冲孔)桩采用嵌岩桩，需要进行一桩多孔施工勘察，查明桩端下持力层埋深[9]，在岩溶发育地段，桩的检测易遇到桩端以下三倍桩径范围内有软弱夹层、裂隙或溶洞的现象，难以满足《建筑地基基础设计规范》(GB 5007-2010)等规范的要求，处理起来困难。

预应力管桩和CFG桩处理后的复合地基施工过程中，由于岩面高低不平，起伏大，管桩和CFG桩属于刚性桩，易产生滑桩、断桩，桩端置于岩面，很难消除浅层岩溶的影响，无法发挥管桩桩身强度高的优势，且《复合地基技术规范》(GB/T 50783-2012)第14.1.3条文说明中指出刚性桩复合地基中刚性桩应为摩擦型桩，对端承型桩加以限制[10]。

载体桩是一项新技术，它不同于一般的桩基，它是通过混凝土、填充料和挤密土体的扩散，将上部结构荷载传递到深层地基土，类似于等效扩散基础[11-12]。在施工过程中采用三击贯入度控制终孔，故载体桩能通过桩锤的夯击消除浅层溶洞的影响，对岩面不平的桩底，通过填入混合料，控制三击贯入度，使桩端在岩面不易产生滑移。

基于此，本项目拟采用载体桩为增强体的复合地基，既能充分发挥载体桩的优势，又能调用桩间土的承载力，降低工程造价。对于地基处理范围内大面积的土洞，如已查明的10#楼北侧土洞发育地段，采用灌入低标号混凝土充填；其他土洞规模不大时，采取载体桩桩身砼超灌措施，充填土洞区，阻止岩溶塌陷的进一步发展。

经方案综合比较，项目高层建筑基础采用筏板基础，地基处理为载体桩复合地基处理方案。结构设计要求经处理后的复合地基承载力特征值≥450 kPa。

3 载体桩复合地基设计

以10#楼典型工程地质剖面介绍设计计算过程。根据岩土工程勘察报告，由于基底下基岩埋深较浅，上部土层厚度较小，浅层岩溶发育，勘察中发现规模大小不一的土洞。故选择中风化白云岩为增强体载体桩持力层。

本工程载体桩桩端持力层为第④层中风化白云岩fa=8000 kPa，根据《建筑地基基础设计规范》(GB 5007-2011)第5.2.4条，中风化岩层承载力不进行修正；桩长4.00～13.00 m，桩间土硬塑状红黏土②层承载力特征值取天然地基承载力特征值fak=220 kPa。

设计参数：桩径430 mm，桩身砼C25，土的有效重度γ0=17.9 kN/m3。

3.1 单桩承载力估算

根据《载体桩技术标准》JGJ/T 135-2018公式(4.2.3-1)：

Ra=0.9·fa·Ae

查表4.2.3，取三击贯入度10 cm，取Ae=4.0 m2，则：

Ra=0.9·fa·Ae=0.9×8000×4.0=28 800 kN

根据规范公式进行载体桩桩身强度验算[13]：

N=ψc·fc·Ap

=0.75×11.9×3.14×0.2152=1295 kN

根据上部结构的情况及经验，单桩承载力特征值可取Ra=850 kN。

3.2 置换率计算

根据勘察报告及《载体桩技术标准》JGJ/T 135-2018公式(5.2.5)：

式中：λz取值0.85，λs取值0.9，α取1.0，fsk取220 kPa，Ap取0.145，计算得m=5.27%，实际布桩时采用正方形布桩，桩间距取1650 mm，m≥5.27%。

10#楼载体桩平面布置见图2。

图2 10#栋楼载体桩复合地基设计平面图

3.3 桩身材料强度计算

桩身材料强度等级采用C25，按《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2012公式(7.1.6-1)验算其强度：

(fcu=25 MPa)

桩身材料强度均满足要求。

3.4 溶沟槽土洞处理设计

由于场地内岩溶发育，浅部溶洞裂隙发育，相邻钻孔最大高差为6 m。鉴于钻孔布孔密度，在纯地下室区发育较大面积土洞，其他主体建筑所在场地仅10#楼场地内揭露一处小土洞。故在地基处理施工前，对主楼所在位置按2 m×2 m网格进行机械钎探，初步查明地基中土洞发育程度。对于大范围的土洞区，可采用低标号混凝土充填，其他小范围的土洞，可在桩身砼灌注时，采用超灌充填土洞。

4 载体桩施工

4.1 载体桩施工工艺

该技术利用重锤对填料反复进行填充和夯实操作，使桩端下纵向3～5 m、横向2～3 m、体积约10 m3的土体得到加固挤密，在不影响相邻桩已完成的挤密土体的破坏和松动的情况下，使填料底端形成最大最优的密实体和影响土体，桩身承受的集中荷载通过复合载体的分层扩散作用，消除桩端的应力集中，并逐层降低至天然土体能够承受的程度，从而改善土体的受力状态[14]。

4.2 载体桩施工质量保证措施

载体桩复合地基处理方案主要在于载体桩的施工，载体桩施工是传统的柱锤冲扩桩工艺的一种创新与延展[15]，相对一般地区的载体桩，本项目要求保证桩承载力要求的同时，能消除浅部岩溶的不良地质作用。如若处理不好，易出现桩身上浮、离析、缩径、断桩等问题，在上部荷载作用下，很可能形成局部应力集中、桩端滑移，而使桩发生破碎或沉降变形不满足规范要求。桩在施工过程中，应注意以下几个问题：

1)严控进场材料关，桩端混合料配比应在施工前进行配合比试验，各种材料的计量要准确。

2)测三击贯入度时严禁带刹车和离合，测量要细致、准确，如实记录测量数据。

3)成桩过程中随时测量对邻桩的影响，发现邻桩水平及竖向位移超过30 mm，则停止夯击。

4)成桩过程中，应随时观察地面隆起，当隆起超出规范要求时(应小于50 mm)，应立即停止施工，研究解决方案。

5 载体桩复合地基检测

载体桩是采用新型的施工技术，其受力主要是依靠载体，侧阻力较小，受力机理和荷载传递机理与传统的桩基础完全不一样，类似于等效扩展基础。根据本项目实际情况，主要进行桩身质量、单桩承载力检测、复合地基承载力检测[16]。

5.1 载体桩桩身质量检测

该工程桩身质量检测采用低应变法，是采用低能量瞬态或稳态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度时程曲线或速度导纳曲线，通过波动理论分析或频域分析，对桩身完整性进行判定的检测方法。本工程10#楼低应变抽检60根，Ⅰ类桩57根，Ⅱ类桩3根，桩身完整性满足设计要求。对于桩底填料较多的桩，桩底反射明显强于填料少的桩。

5.2 载体桩单桩承载力检测

单桩承载力检测采用慢速维持荷载法进行试验，采用标准水泥块作为堆截配重，由堆载、主梁、次梁、油泵、千斤顶作为反力装置进行加载，两个位移传感器测量桩的沉降，加压荷载由静荷载测试仪自动完成。本工程10#楼抽取3根桩作单桩竖向承载力检测，最大加载为1700 kN，试验桩的Q-S曲线属于缓变型曲线，没有出现陡降等突然变形，对应最大荷载下的累计沉降量分别为9.53 mm、48.93 mm、53.87 mm，满足规范和设计要求。

5.3 复合地基承载力检测

复合地基承载力检测采用慢速维持荷载法进行试验，试验装置与单桩承载力检测一致，用4个大量程位移传感器测量承压板沉降。本工程10#楼选取3个点进行复合地基承载力检测，试验最大荷载为900 kPa，各试验点的Q-S曲线均属于缓变型曲线，对应最大荷载下的累计沉降量分别为12.21 mm、32.58 mm、37.97 mm，复合地基承载力特征值达到450 kPa，满足设计要求，其中之一178#试验点的静载荷试验P-S曲线见图3。

图3 178#试验点静载荷试验P-S曲线

6 结语

1)通过工程实践证明，载体桩复合地基应用在浅层岩溶发育地区高层建筑是可行的。

2)载体桩复合地基载体桩施工前应对场地进行机械钎探，大致圈出土洞范围和了解岩面起伏程度，对于土洞范围大地段，采用低标号混凝土充填，小范围的土洞地段，采用桩身混凝土超灌充填土洞。

3)载体桩复合地基载体施工能有效地消除浅部岩溶的不利影响，土洞发育段桩身混凝土超灌量较大，局部最大处充盈系数达6.0，但有效地保证了地基的稳定性。

4)载体桩复合地基既能发挥桩承载力大的特点，又能调动桩间土的承载力，节省工程造价，比一般的旋挖钻孔灌注桩节省工程造价约50%，经济效益明显。