岩溶地区预应力超高强混凝土管桩应用研究

2021-07-05伍德挺

福建建筑 2021年6期

关键词：粉质管桩灰岩

伍德挺

(世茂集团海峡发展公司福建厦门 361000)

0 引言

龙岩市位于福建省西南部，是我国岩溶发育最为强烈的地区之一，下伏地层中的灰岩分布范围较广，主要有栖霞组灰岩及石炭系黄龙组灰岩。龙岩地区已建成及在建高层项目中绝大多数的基础类型为钻(冲)孔灌注桩[1]。

预应力超高强混凝土管桩具有桩身质量好、单桩承载力高及成桩质量可靠等优点，同时又具备施工速度快，造价低廉，符合节能减排及文明施工等要求[2-3]。

预应力超高强混凝土管桩在岩溶地区的结合与应用为本文探讨的重点。

1 溶岩地区特点

龙岩盆地处于地壳相对稳定地块，所发育岩溶以水平向岩溶为主，其溶洞发育深度与既定的排水基准面相适应，该基准面是岩溶水长期作用的结果，场地溶洞是特定地质历史时期的产物。当受到地震力或其他较大外部荷载作用，或岩溶承压水水头产生异常突变，均可能破坏溶洞顶板或侧壁稳定性，进而影响地基和场地稳定性。

岩溶基岩发育，溶洞高度变化大，大部分溶洞中有无充填至全充填，充填物为含(角砾)碎石粉质粘土。且部分灰岩顶面，常有土洞，高度变化大。

2 钻(冲)孔灌注桩在溶岩地区应用的局限性

钻(冲)孔灌注桩在溶岩地区虽然具有成桩效果好、质量可控等优点，但也有施工工期较长，施工成本较高等不利因素。

3 预应力高强混凝土管桩(PHC)在溶岩地区应用的局限性

龙岩市岩溶地区为冲洪积地层，主要有粘性土、含(角砾)碎石粉质粘土、砂类土、碎石土、次生红粘土，且地层厚度变化大。因此对打入式基桩的入土要求较高，特别是在控制最大压桩力下的入土深度难以满足设计要求[4]。故本文探讨在提升最大桩身强度情况下，预应力超高强混凝土管桩在岩溶地质下的应用。

4 项目简介

项目位于龙岩市，地下一层，地上建筑以高层住宅为主，分别为26层、24层、22层，为剪力墙结构。

4.1 基础选型

该项目场地岩土层在钻孔揭露深度范围内的岩土层按成因、形成顺序和岩性差异，将场地地层分为第四系土层和下伏基岩两大类，现按层序分述如下(表1)：①-1杂填土、①-2素填土、②卵石、③粉质黏土、④-1含角砾粉质粘土、④-2含卵石粉质粘土、⑤全风化灰岩、⑥强风化灰岩、⑦1破碎灰岩、⑦中风化灰岩，如表1所示。

根据本次钻探揭露，中风化基岩岩面变化大，岩面呈陡坡状、凹槽状、漏斗状、石笋状。

表1 桩基设计参数初步建议值一览表

土洞：在土层与石灰岩接触带附近，由于长期受到岩溶地下水潜蚀和浸泡作用影响，使得土体呈可塑或软塑状，并产生塌落，被水流迁移，进而形成土洞。本场地位于岩溶地区，土洞发育普遍，本次勘察在40个钻孔揭露土洞，土洞内一般充填有流塑～软塑状含角砾黏性土或碎石混角砾。

图1 典型地质剖面图

溶洞：本场地灰岩岩溶发育，19个钻孔共揭露23个溶洞，部分钻孔揭露洞体成串分布，所揭露的溶洞为浅覆盖～深覆盖型溶洞，洞高一般0.1 m～3.50 m。大多数溶洞为全充填型，充填物为松散碎石、角砾及流塑～软塑状黏性土。土层分布如图1所示。

综合分析，覆盖层很厚，覆盖层与岩层界面无流塑状黏土层，个别孔有埋藏深度较深且洞高较小的土洞及溶洞，初步预判尝试采用预制桩和钻(冲)孔灌注桩。

灌注桩方案以中风化灰岩⑦作为持力层，入岩深度0.5 m，平均桩长40 m～75.6 m，嵌岩桩。

预制桩方案采用常用高强预应力管桩及超高强预应力管桩，本工程采用PHC-500(125)-AB型高强预应力管桩、UHC-500(125)-Ⅱ型超高强管桩对比分析。以含卵石粉质黏土④-2作为持力层，预估桩长30 m～45 m，端承摩擦桩。

4.2 现场试桩

根据勘察报告及综合对比分析，本项目拟优先采用UHC-500(125)-Ⅱ型管桩方案试桩，并进行试验性静载试验，以判断UHC-500(125)-Ⅱ型管桩穿越场地的适应性，进而再确定单桩竖向承载力。

(1)试打桩

根据地质条件及上部结构特点，选取6个钻孔处进行试打桩(1#、4#试桩由于现场配桩长度不够，终压力未达到设计要求，其余均达到设计要求),要求终压力6100 kN, 终压力均达到设计要求，其中试打桩记录如表2～表3所示。

表2 预制钢筋混凝土管桩施工记录一

表3 预制钢筋混凝土管桩施工记录二

由于采用预制桩需进入密实的含卵石粉质黏土④-2较深深度，而6#-2#桩为高强预应力管桩，进行此桩试桩时，当压力到达PHC最大压桩力5018 kN时，入土桩长约为28 m，进入含卵石粉质黏土④-2较短，约为14 m。而同位地堪点上的6#-2#桩为超高强应力管桩，入土桩长为34 m，进入含卵石粉质黏土④-2较长，约为20 m。

同时上述表格显示，采用高强预应力管桩时，入土桩长为20 m～35 m，进入含卵石粉质黏土④-2较短，约为10 m～20 m。分析认为：由于含卵石粉质黏土④-2层较为密实，最大压桩力下，PHC管桩进入含卵石粉质黏土④-2较为困难。综合考虑桩体抗锤击或抗静压能力、穿越密实土层能力、施工中的断桩率等，排除PHC管桩方案的可行性。

而由于UHC-500(125)-Ⅱ型管桩具有较高桩身强度，继续加大压桩力至6060 kN～6176 kN时，顺利进入密实的含卵石粉质黏土④-2，并达到一定深度(15 m～30 m)，长度增幅达6 m～15 m。

(2)试验性静载

选取试桩进行静载试验，试验荷载最大值5400 kN,静载试验通过，如图2所示。

为此，本文特别提出以下概念：预制桩的桩身强度设计值与桩截面积之比。

PHC-500(125)-AB型管桩，3701/(0.52×π/4)=18849 kN/m2。

UHC-500(125)-Ⅱ型管桩，4783/(0.52×π/4)=24372 kN/m2。

图2 Q-s曲线图及s-Lgt曲线图

2种预制桩单位面积强度比：18849∶24372=1∶1.29，可以反映预制桩施工阶段桩体抗锤击或抗静压的性能，反映施工中预制桩穿越坚硬土层的能力，也可以间接反映预制桩施工中的断桩率，基本符合试桩实际情况。

4.3 成本分析

在现场试桩试验后，考虑UHC500-Ⅱ-125管桩及D800灌注桩的经济性，进行了成本比选分析，如表4所示。

(1)桩型分析如下：①考虑到地面试桩静载及安全性考虑，压桩力控制在6100 kN的情况下，UHC500-Ⅱ-125管桩单桩承载力特征值为2500 kN；②D800灌注桩单桩承载力特征值为5400 kN。

(2)管桩和灌注桩经济性对比如下(其中某栋楼为例)。

表4 桩基选型成本分析表

(3)桩型分析及成本对比结论：UHC500-Ⅱ-125管桩成本远远少于D800灌注桩成本，且根据试桩数据，该项目可采用UHC500-Ⅱ-125管桩。

(4)土溶洞处理方案

该项目地下段地基岩土层内溶洞、土洞分布较多，对土溶洞提出了处理方案。

高层建筑对管桩桩端以下范围内的全部土洞以及管桩桩端以下20 m(对灰岩埋深40 m的可按15 m)深度范围内溶洞(破碎灰岩深度3 m以下的溶洞可不处理)应进行处理；土洞、溶洞处理后应满足软弱下卧层强度验算要求；对粘土层作为管桩持力层，应考虑土层厚度差异及不均匀性的沉降变形影响。土溶洞采用注浆等方式处理，进行工艺性试验确定注浆工艺及参数，采用袖阀管注浆。

同时，组织专家召开该项目基础设计及土洞溶洞处理方案专家咨询会，论证此方案的可行性。

最后委托检测单位采用现场芯样钻取，孔身土层芯样均基本连续，未发现新土(溶)洞等下卧层，在钻进过程中均未出现掉钻情况，钻进过程返水正常，钻检处埋藏土(溶)洞相关范围内均可见注浆水泥成分，标准贯入试验修正击数10.5～12.3击，地基承载力特征值为255～291 kPa，处理土体地基承载力特征值符合设计要求。