高层建筑的刚性桩复合地基实例分析

1 引言

在如今的建筑工程基础设计领域中， 复合地基应用相当普遍。 其中素混凝土刚性桩复合地基就是复合地基的一种典型形式， 采用挤土或旋挖工艺将素混凝土作为桩体材料形成高黏结强度桩，与桩间土、褥垫层构成复合地基。 劲性体刚性桩复合地基将预制混凝土桩作为竖向增强体， 采用静压挤土工艺，充分发挥桩周摩擦力和挤土效应。 两种形式的共同原理是通过把原不良土体置换成混凝土以达到加固地基软弱土层和提高地基土承载力的目的。 劲性体复合地基具有承载力高、调整幅度大、沉降变形小、沉降稳定较快等特点，在地基工程中的得到广泛应用[1]。

2 工程概况

本文论述依据为云境源起小区项目高层住宅26 号楼，其建筑为地下2 层，地上26 层，场地位于西安市西咸新区秦汉新城，西临泾渭大道，南临张良路。 根据中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司提供的 《云境源起小区项目岩土工程勘察报告 （详勘）》， 场地地层自上而下依次由素填土（Q4ml），交替沉降的第四系上更新统风积（Q3eol）黄土、残积（Q3el）古土壤，中更新统风积（Q2eol）黄土、残积（Q2el）古土壤组成，土层多为中压缩性土，可塑状态，工程性能一般。 勘察期间，场地刚进行了考古发掘，场地遍布墓坑及堆土。 场地原为农田，原始地形平坦，地貌单元属黄土塬。 建设场地属于自重湿陷性黄土场地，失陷等级为Ⅱ~Ⅲ级。 基础持力层为黄土层，未经处理地基土承载力特征值fak为150 kPa。

3 设计方案

3.1 失陷性处理

项目采用筏板基础形式，由于场地黄土为自重湿陷性，且失陷等级较高， 因此， 需先采用素土挤密桩消除场地的湿陷性。 成孔工艺应采用静压沉管挤密成孔，挤密桩直径550 mm，有效桩长L=6.500 m，桩中心距1 200 mm（梅花布置）。 经地基检测桩间土的平均挤密系数不小于0.93， 桩身的压实系数不小于0.97，无剩余湿陷量。

3.2 复合地基处理

筏板基础底所在持力层为黄土层， 其地基承载力无法满足设计要求。 因此，采用素混凝土刚性桩复合地基形式。 设计桩径400 mm，桩长22 m，桩间距1.2 m，采用正方形布桩，桩身混凝土选用C30；单桩承载力特征值≥810 kN，复合地基承载力特征值fak≥600 kPa；桩端持力层为第7 层古土壤，且桩端进入持力层不得小于2 m。 在打桩过程中，施工单位反馈云境源起小区26 号楼素混凝土桩试桩完成后，工程桩于2021 年7月16 日开始施工，在2021 年7 月17 日，楼位东北侧正常施工某一素混凝土桩时，表现为大量灌入混凝土后，桩管上方未看到溢浆，继续灌入混凝土，直至要求标高位置。 施工完成后统计，此桩混凝土用量比设计超出10 m3。2021 年7 月24 日施工相邻桩时再次出现上述情况， 混凝土超出设计用量18 m3后。 业主立即要求暂停此根桩及此区域桩基施工，并安排施工楼位西侧区域，过程中串桩严重，混凝土消耗量大，则暂停施工。 勘察单位对场地进行钻探取样，现场共完成钻孔6 个，深度15.0~18.0 m。 根据钻探揭露的地质情况来看：场地内未发现地下空洞，现状地面下6.5~12.0 m 地基土呈软塑状态。临近桩位的钻孔中发现有混凝土块，深度范围在6.0~10.0 m。 根据上述地质条件，初步分析26 号楼楼位处地基土存在较厚饱和软弱土层，且呈现出一定的流塑性，在混凝土泵送压力及自重作用下朝周边扩散导致窜孔、超灌等问题。

鉴于施工现场已施工部分素混凝土桩， 经设计单位等多方会商，26 号楼剩余刚性桩采用劲性体，即预制高强混凝土管桩作为复合地基竖向增强体。 桩型采用PST-HCF400（80），桩径为400 mm，壁厚为60 mm，内径340 mm，混凝土强度等级为C80，设计桩长为22 m，桩间距为1.2 m，采用正方形布桩；桩端持力层为第七层土古土壤，且桩端进入持力层不得小于2 m，设计参数与素混凝土桩尽量保持一致。 劲性体沉桩工艺采用静力压桩，防止挤土效应产生后续沉桩困难，沉桩由里向外均匀进行，沉桩深度以桩端标高控制为主，压力控制为辅。一般说来，PST-HCF400（80）的劲性体预制最大长度为15 m，但本项目设计桩长远大于15 m，因此预制桩需分段压入土体，并进行现场接桩。 由于劲性体多采用静压方式沉桩，施工需注意以下问题：（1）此桩型壁厚较薄，易产生爆桩问题，故本项目选用高强度桩，以便降低此施工风险；（2）需按照图纸桩位对准位置，保证垂直吊桩，压桩过程要防止桩身倾斜，尤其对于类似本工程的土质软，软土层厚，施工时需采取科学的施工方案，设置应力释放孔，以迅速纠正变形，防止不均匀沉降[2]；（3）对于地下土层存在较厚的饱和黏性土时，当沉桩过快或孔间距较小会导致挤土效应土层超孔隙水压力迅速叠加， 使得土体隆起或侧移，导致桩体上浮。

桩基施工完成后，选取3 组（S1、S2、S3）先进行单桩及复合地基载荷试验[3]，试验结果见表1。 根据基桩检测单位出具的检测报告， 单桩承载力特征值及复合地基承载力均能满足设计要求。 截至2022 年8 月12 日，26 号楼主体地上20 层已浇筑完成。 施工单位累计进行了9 次沉降观测，观测点共9 个。累计沉降量最小值为4.33 mm，最大值为7.64 mm，总体沉降均匀。 实践证明，此地基处理变更方案具有合理性。

表1 静载试验结果

4 工程应用分析

4.1 素混凝土复合地基的特点

素混凝土桩即水泥粉煤灰碎石桩，由水泥粉煤灰、碎石、石屑或砂石加水拌和形成的高黏结强度桩， 其强度等级一般在C15~C25，介于刚性桩与柔性桩之间[4]。 素混凝土桩与桩间土、褥垫层一起构成的复合地基，具有提高地基承载力和减小地基变形的特点。 并且可用于多种基础形式，适用于处理黏性土、粉土、砂土和自重固结已完成的素填土。 混凝土灌注桩作为复合地基的增强体， 其工作性状与水泥粉煤灰碎石桩复合地基相似，但由于桩身材料的强度提高（桩身强度等级可到达C40），属于刚性桩范畴，其单桩承载力和复合地基承载力也均有较大程度的提高， 从而达到高层建筑地基承载力要求。 因此，这类刚性桩复合地基也在工程中也称之为素混凝土桩，其特点如下：

1）素混凝土桩应选择承载力和压缩模量相对较高的土层作为桩端持力层，这样既可以发挥出桩的端阻力，又可以减小不均匀沉降[3]。通过改变褥垫层的厚度，可调整桩、土之间的承载比例，对控制建筑物沉降至关重要[5]。

2）素混凝土桩的施工工艺可分为挤土成桩工艺（振动沉管成孔）和非挤土成桩工艺（长螺旋钻成孔），对场地的适用性强；再加上素混凝土桩不配筋，经济节约。

3）对于存在较厚饱和黏性土层、饱和细砂层、粉砂层或流塑性软土的场地，施工中容易产生堵管、窜孔、缩颈、夹泥等质量问题。

4.2 劲性体桩复合地基的特点

劲性体桩复合地基是增强体采用强度更高的预制管桩（混凝土强度等级可达到C80 以上，桩身配置钢筋），与桩间土、褥垫层一起构成的复合地基。 其桩径分为7 种规格300 mm、350 mm、400 mm、450 mm、500 mm、550 mm、600 mm。 施工方式主要为静压施工和锤机施工的挤土工艺。 相对于素混凝土桩复合地基，其特点如下：

1）劲性体是由工厂预制生产而成，桩身质量稳定可靠，具有较好的耐打耐压性；运输吊装方便，接桩快捷，施工速度快，压桩完成即可进入下道工序。

2）劲性体采用挤土工艺，能够解决在饱和黏性土层、饱和细砂层、 粉砂层中施工常遇窜孔现象和流塑性较大软土层超灌问题。

3）劲性体的穿透性好，能打入砂砾层及硬风化岩层作为桩端持力层，具有更大的单桩承载力，从而能提高复合地基承载力。

4） 滨海地区上软下硬的地层或存在深厚饱和黏性土层时，静压布桩极易产生桩身上浮现象。 预防措施是设计时应选取合理桩间，宜取上限值；施工时合理选择施工顺序（由中间向两边沉桩或跳打）、工艺和沉桩速度。 高密度布桩，非桩位处可设置竖向排水通道，加快超孔隙水压力的消散[6]。 若打入桩身后出现上浮现象，处理措施是宜先考虑复压或复打，后进行桩身完整性检测和单桩承载力试验； 也可根据检测结果进行补桩或改变地基受力形式， 补打散体材料桩等柔性桩进行设计[7]。

5 结语