作者:张松
0 引言
地基基础设计的核心为沉降控制,沉降过大容易引起不均匀沉降,还可能影响建(构)筑物的正常使用,甚至会导致结构的破坏。嵌岩桩[1]是一种常见的桩基础形式,具有稳定的承载能力、地层环境适应力强、沉降位移小、稳定性高等特点,然而,在倾斜岩层的不良地质条件下,以高层建筑作为上部结构,嵌岩桩需要承担更大的荷载,对其承载能力具有更高的要求,另外对于有岩层结构面突变的地区,为了找到好的基岩面,有些嵌岩桩需要施工100m甚至更长,而超长嵌岩桩已经逐渐转变为摩擦桩,失去了嵌岩的意义,且桩越长桩身压缩越大。位于岩面的桩基为满足刚性角的要求,又需要在中风化岩层中开更深的孔,这样势必会造成工程难度的加大,成本增加,工期加长,后期极易产生不均匀沉降会造成上部结构倾斜。是否可以采用其他的基础方案来处理基岩面起伏较大的地层,本文通过计算和一些特殊方法来处理来解决类似问题。
1 工程概况
拟建项目位于昆明市,场地北侧及西侧紧邻昙华路,东侧紧邻西南林大学生宿舍楼,南侧临近边坡。4#楼位于场地东北角,地上27层,地下2层,剪力墙结构,筏板基础。本工程拟采用钻孔灌注桩基础,地层起伏很大,桩基础长度差异较大,见图1,导致桩刚度差异较大和基础沉降不均匀,存在较大安全隐患,且长桩造价较高。
图1 地层起伏3D模型图
2 工程地质条件
本工程4#楼坐落在基岩起伏发生较大变化处,根据详勘资料,在BK16和BK17钻孔(间距22.86m)的基岩埋深出现较大差异,见图3,目前已知两钻孔基岩出露高差大于50m;根据施工勘察,4#楼基础下白云岩出露深度为18~100m,存在约82m高差,且在该栋楼西北角的钻孔中发现溶洞,溶洞全填充褐灰色硬塑-坚硬状全风化白云岩,见图2和表1。
图2 地质钻孔平面布置图
图3 G21-G21’典型剖面图
表1 各土层物理力学参数
图4 地下鹰嘴、石芽、溶沟形态示意图
岩溶[2]是场地内主要的不良地质作用。详细勘察过程中揭露地下岩溶主要为石芽、溶沟等地下岩溶形态,石芽、溶沟等地下岩溶形态对地基稳定性(尤其是桩基础持力层选择)影响较大,见图4。
3 试桩结果
根据昆明某检测公司提供的汇德里花园项目(试桩)报告,该检测公司于2021年2月进行了单桩竖向抗压静载荷试验[3]。距离4#楼较近的试桩为1-SZ3#、2-SZ2#,非嵌岩桩为第三组3-SZ1#/3-SZ2#/3-SZ3#。平面位置见图5,参数与试验结见表2和表3。
图5 试桩平面布置图
距离4#楼较近的试桩为1-SZ3#、2-SZ2#,其参数与试验结果,见表2。
表2 1-SZ3#、2-SZ2#试桩结果
第三组试桩为非嵌岩桩,其参数与试验结果,见表3。
表3 3-SZ1#、3-SZ2#、3-SZ3#试桩结果
4 基础方案选型
4.1桩基础方案
根据设计院提供的结构模型,4#楼共布置了67根φ900灌注桩,设计要求西侧嵌岩桩承载力特征值8000kN,东侧桩基承载力特征值6000kN,见图6~8。
图6 桩位布置图(红线左侧为嵌岩桩)
图7 基桩反力(D+L)
图8 沉降等值线图(4~49mm)
嵌岩桩的承载力主要为桩身强度控制,根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)第5.8.2条,桩身承载力计算如下:
式中:N为荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值;φc为基桩成桩工艺系数; fc混凝土轴心抗压强度设计值;f'y纵向主筋抗压强度设计值;A's纵向主筋截面面积。
嵌岩桩的沉降主要为桩身压缩,根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)第5.5.14条,桩身压缩计算如下:
与试桩沉降基本相同。
式中:Se计算桩身压缩;ξe 桩身压缩系数;Qj第j桩在荷载效应准永久组织下(对于复合桩基应扣除承台底土分担荷载),桩顶的附加荷载,kN; lj第j桩桩长,m;Aps桩身截面面积;Ec桩身混凝土的弹性模量。
4.2桩基础方案优缺点
优点:传力明确,可以将上部结构荷载传递到较深的持力层上。
缺点:1)灌注桩桩身质量问题:地下水的流动可能引起灌注桩桩身质量问题;2)桩端持力层软化:桩端持力层为白云岩,遇水会被溶蚀;3)影响灌注桩垂直度:白云岩出现溶洞或石芽及溶沟现象,基桩在钻进过程中,桩孔内陆层岩石软硬不均或者半土半岩“斜坡岩”导致钻孔偏位;4)串浆:由于有岩溶的存在,在施工过程中,使得相邻的桩孔在桩身的某个部位被溶洞贯穿,大量泥浆从相邻孔口涌出,出现串浆现象;5)桩端持力层无法确定:拟建场地基岩起伏较大,桩底标高若选在石芽的顶峰或斜面上,将会造成失稳,桩底位置若遇有鹰嘴、溶隙(洞)时,桩底应穿越鹰嘴、溶隙(洞),并进入稳定基岩一定深度;6)岩面埋深较大的位置,桩长过长,后期容易出现不均匀沉降,导致结构倾斜。
4.3复合地基方案
考虑到该工程地质条件的复杂性,相较于桩基方案,复合地基方案安全性更好。复合地基由地基土和增强体共同承担荷载,基底持力层主要为③1层粉质黏土层,承载力特征值为150 kPa。
增强体拟采用2种方案,一是采用φ800灌注桩为增强体;二是采用劲性复合桩为增强体。
4.3.1灌注桩增强体方案
灌注桩:根据地质情况,灌注桩可采用嵌岩桩和摩擦桩两种桩型。
嵌岩桩:基岩埋深较浅位置,约30~40m可进入中风化灰岩层。可根据试桩报告结果,选择强风化或中风化岩石作为桩端持力层,承载力特征值对应的变形小于10mm。
基岩埋深较深位置,埋深可达100m,拟采用摩擦桩。摩擦桩以B4-15、19为例,桩顶标高1903.5m进行计算,见表4。
表4 摩擦桩承载力计算
基底持力层为③1层粉质黏土,承载力特征值为150kPa。根据模型计算,平均基底反力为390kPa,以BK18钻孔地层计算沉降,见表5。
表5 复合地基计算
根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)表5.3.4,4#楼整体倾斜允许值为0.0025,故东西方向差异沉降允许值为115mm,南北方向差异沉降允许值为45mm。南北方向的差异沉降要求更为严格,且南侧单侧有地下室裙房,北侧没有设置地下室,更可能加剧南北方向的差异沉降。按照方案1和方案3初步布桩,见图9和图10。
图9 5d布桩图(共57根)
图10 4.5d布桩图(共72根)
4.3.2增加嵌岩桩沉降措施
考虑的目前沉降计算的准确程度,为保证建筑物的安全,在桩顶部位采用软垫层,如泡沫板或其他软体材料,利用软垫层增大岩石浅部位复合地基沉降,保证在任何沉降变形情况下满足规范要求。
(1)初步设计参数
拟采用350级EPS或XPS泡沫板(10%应变时抗压强度350kPa),厚度100mm,设置在西侧嵌岩桩桩顶位置。
泡沫板极限变形约75%×100mm=75mm,可满足东西两侧基础差异沉降,且可与东侧沉降同步发生,见图11。
图11 EPS土工泡沫应力-应变曲线[4]
(2)设计原则
为实现结构设计构想,西侧筏板下应采取设置软垫层的相应的结构构造措施,增加西侧筏板基础沉降,软垫层应具有以下两方面的特点:
1)软垫层应具有一定的承载能力,应能承担结构混凝土浇筑时的重量及其施工荷载,并确保建设过程中不致产生过大的压缩变形。
2)软垫层应具有一定的变形能力,以保证筏板基础沉降变形满足安全要求。
4.3.3劲性复合桩增强体方案
劲性复合桩技术是一种新型的地基处理技术,该方案采用《劲性复合桩技术规程》(JGJ/T327-2014)[5]进行设计。劲性复合桩技术主要应用于我国沿江、沿海的软土地区,将现行规范中常用的柔性散体材料桩(S桩),半刚性水泥土类桩(M桩)和刚性高强度类桩(C桩)复合而成,具有较高的强度、刚度、密度和均匀性且与桩周土具有较好的协调性。
本项目拟采用以下工艺:先打水泥土桩,再在桩中心施打芯桩,形成水泥土复合桩。对比旋挖灌注桩,复合桩有一定的经济性,同时对于本场地复杂的水文地质条件,复合桩对成桩质量有较高保证,见表6和表7。
表6 摩擦桩承载力计算
基岩埋深浅的位置,芯桩插至基岩层顶。
表7 复合地基计算
为控制差异沉降,复合桩方案仍需采用增加嵌岩侧沉降的措施,详见本文4.3.2。复合桩布桩图,见图12。
图12 复合桩布桩图(共98根)
5 结论及建议
(1)4#楼场地工程地质条件复杂,基岩起伏较大,东西侧基岩埋深高差大于50m,且具有临空面;场地内有岩溶发育,4#楼西北角具有充填型溶洞。这种复杂地质条件对桩基础持力层确定难度较大,且临空面桩基础成桩垂直度难以保证。
(2)4#楼场地地下水条件复杂,基岩为白云岩,存在遇水被溶蚀的可能性;地下水的冲蚀还可能影响桩身混凝土的灌注质量。
(3)调节4#楼东西两侧的差异沉降,可采用复合地基方案,同时考虑增设软垫层增加嵌岩侧基础沉降量的方法。
(4)采用水泥土劲性复合桩工艺,对成桩效果有保证,同时具有一定的经济性。
参考文献
[1]建筑桩基技术规范:JGJ9-2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[2]建筑地基基础设计规范:GB50007-2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[3]建筑基桩检测技术规范:JGJ106-2014[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.
[4]刘经法. EPS土工泡沫本构模型研究发展[J]. 山西建筑,2008(8):182-183.
[5]劲性复合桩技术规程:JGJ/T327-2014[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2014.
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