馬偉召

砂質(zhì)膠結(jié)層作為超高層建筑樁端持力層的應(yīng)用

馬偉召

超高層建筑要求地基和基礎(chǔ)提供更高的豎向和水平承載力，同時沉降和傾斜要控制在建筑允許的范圍內(nèi)、保證建筑物在風(fēng)荷載和地震荷載的作用下有足夠的穩(wěn)定性。其地基基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)、地下空間的利用、施工技術(shù)的可能性等合理選擇。

一、工程概況

某公司綜合樓為地上34層，地下3層，主體高度162米，框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，基底平均壓力760kPa，單柱荷載38000kN。擬建場地地貌單元為黃河沖積一級階地。深度3.0米左右以上為Q4-3沉積的粉土和人工填土層，以下至33.0米主要為Q3沉積硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土和密實粉土、砂土層，33.0m～44.3m為基本連續(xù)分布且厚度約11.3m厚的砂質(zhì)膠結(jié)層，44.30m以下為Q2沉積的密實狀態(tài)的砂土、粉土和硬塑的粉質(zhì)粘土。地下水類型為潛水，水位埋深在地面下21.8～24.0米。對樁基設(shè)計、施工存在較大影響的砂質(zhì)膠結(jié)層芯樣飽和單軸抗壓強度為12.3～33.1MPa，統(tǒng)計后標準值為16.9MPa。

二、基礎(chǔ)選型

1.樁型選擇

擬建建筑荷載較大，設(shè)計對單樁豎向抗壓承載力特征值要求高、工程最終沉降量要求嚴格。因此采用大直徑鉆孔灌注樁方案比較可靠。若采用普通鉆孔灌注樁，估算樁的入土深度50米，有效樁長35米，需要穿過砂質(zhì)膠結(jié)層，但鉆孔灌注樁在砂質(zhì)膠結(jié)層施工難度極大，并且膠結(jié)層以下土層姜石含量高，局部呈薄層膠結(jié)狀態(tài)，施工難度也很大，往往出現(xiàn)泥皮較厚、孔底沉渣較多、土體應(yīng)力釋放過大等缺陷，從而導(dǎo)致單樁豎向承載力顯著下降、建筑物最終沉降較大等問題。

只有采取合適的施工工藝，在樁底樁側(cè)后注漿固化沉渣和泥皮，并對樁底和樁側(cè)一定范圍內(nèi)的土體進行加固，從而達到提高樁的承載力和樁身質(zhì)量的可靠性，減少樁長，降低鉆孔灌注樁的施工難度。在選擇合適的樁端持力層后，采用后注漿鉆孔灌注樁成為超高層建筑可靠的選擇。

2.樁基持力層的選擇

場地33米左右以下分布的比較連續(xù)且厚度約為11.3米的砂質(zhì)膠結(jié)層，frk標準值達16.9MPa，相當(dāng)于較軟巖，該膠結(jié)層上部局部地段膠結(jié)程度較差，局部還存在1～3cm直徑蜂窩狀小孔洞，孔洞中充填有粉質(zhì)粘土，作為樁端持力層時，強度受到影響；并且在膠結(jié)層中分布有堅硬狀態(tài)的粉質(zhì)粘土或密實狀態(tài)中砂的透鏡體，也影響到膠結(jié)層作為樁端持力層的強度和均勻性。因此，對該砂質(zhì)膠結(jié)層能否作為樁端持力層，在一系列野外全斷面巖芯鉆探、巖樣飽和單軸抗壓強度試驗、多種原位測試、單樁靜載荷試驗基礎(chǔ)上，作出如下評價：

（1）砂質(zhì)膠結(jié)層厚度大，當(dāng)樁進入膠結(jié)層2d的深度后，樁端下還有10米左右的膠結(jié)層，并且其下沒有軟弱地層；也沒有斷裂破碎帶和洞穴，樁底應(yīng)力擴散范圍內(nèi)無巖體臨空面，完全滿足規(guī)范要求樁基以下硬持力層厚度不小于4d的要求；

（2）砂質(zhì)膠結(jié)層的frk值達16.9MPa，相當(dāng)于較軟巖，按目前我國涉及嵌巖樁評價的三個現(xiàn)行規(guī)范，結(jié)合膠結(jié)層的工程特性，綜合分析認為，在設(shè)計參數(shù)選用適當(dāng)，并采取一定的措施后，可以采用砂質(zhì)膠結(jié)層作為樁端持力層；

（3）結(jié)合施工工藝采取確保樁端持力層質(zhì)量的措施

施工時要確保樁端質(zhì)量。為減少砂質(zhì)膠結(jié)層膠結(jié)程度不均勻、小孔洞的影響，可以通過樁端高壓注漿措施，對砂質(zhì)膠結(jié)層中被土沖填的小孔洞、未膠結(jié)的砂卵石夾層透鏡體增加強度并且改善其不均勻性；并對注漿工藝、程序作出規(guī)定，要求小壓力樁側(cè)注漿，使樁側(cè)周圍通道堵塞，然后用較大壓力向樁底注漿，改善樁端土質(zhì)條件，降低樁端持力層的不均勻性，同時改善樁底沉渣和樁的承載能力；

（4）嚴格控制樁基施工中的樁底沉渣厚度，并且要求沉渣注漿處理后的強度不能小于膠結(jié)層的frk值。

為固化樁底沉渣和泥皮，確保砂質(zhì)膠結(jié)層端承力的發(fā)揮，提高樁的承載能力，需采用灌注樁后注漿。為了確保注漿后碎渣加碎石形成的固化體強度大于砂質(zhì)膠結(jié)層強度,施工前專門進行了現(xiàn)場配比注漿試驗。

（5）為確保利用砂質(zhì)膠結(jié)層作為樁端持力層的安全可行性，把膠結(jié)層中的粉質(zhì)粘土作為樁的軟弱下臥層按照建筑樁基技術(shù)規(guī)范進行強度驗算，驗算結(jié)果均滿足上部荷載要求。

三、試樁單樁豎向承載力載荷試驗結(jié)果分析

1.試樁基本參數(shù)

本工程鉆孔灌注樁試樁共5根，樁徑d=900mm，樁尖入土深度33.9m,有效樁長19m，以砂質(zhì)膠結(jié)層為樁端持力層，其中2根為普通灌注樁，3根樁為樁端后注漿灌注樁。通過在樁頂設(shè)計標高處、有效樁長范圍內(nèi)不同性質(zhì)土層界面及注漿位置處、樁端底面等處埋設(shè)的應(yīng)力測量傳感器，對樁身內(nèi)力進行測試，并由此測定試樁的樁側(cè)抗壓摩阻力和樁端支撐力情況。

2.單樁承載力評價

（1）單樁承載力

根據(jù)試樁的檢測結(jié)果，Q-s曲線均為緩變型，沒有明顯的特征點，承載力均未達到極限破壞狀態(tài)，普通灌注樁有效樁長的單樁承載力為8644、9825kN，樁端阻力占樁總承載力的39.1%、47.6%，平均值為43.3%；樁端后注漿灌注樁有效樁長的單樁承載力為12043～13953kN，平均值為13305.6kN，樁端阻力占樁總承載力的20.3%～30.6%，平均值為26.6%，總體符合大直徑樁的荷載傳遞規(guī)律。

樁端阻力占得一定比重，為端承摩擦型樁，對應(yīng)樁的特征值時的樁身沉降值為：普通樁9.5～13mm、后注漿樁5.3～7.4mm；由于試驗荷載沒有達到極限值，因此樁端阻力還沒有充分發(fā)揮，實測到的單樁承載力與極限承載力有一定的差距，不能反映砂質(zhì)膠結(jié)層的實際承載能力。根據(jù)實測結(jié)果，計算出砂質(zhì)膠結(jié)層樁端極限阻力為2726～5800kPa，遠小于勘察報告提交值8400kPa。說明樁還有潛力，試樁給出的承載力安全度較大。

（2）樁端進行后注漿前后側(cè)阻力對比

根據(jù)樁身埋設(shè)的應(yīng)力測量傳感器測定結(jié)果，對普通灌注樁和后注漿灌注樁分級荷載下樁身軸力分布圖和樁側(cè)摩阻力隨深度分布圖進行分析，普通樁側(cè)阻力90.1～122.4kPa，后注漿灌注樁側(cè)阻力160.0～194.1kPa；注漿后粉質(zhì)黏土側(cè)阻力提高系數(shù)為1.31～1.87，砂土層側(cè)阻力提高系數(shù)為2.15。

對于該場地附近的老堆積土，當(dāng)根據(jù)土的物理性質(zhì)指標查樁基規(guī)范確定其側(cè)阻力時可取高值或適當(dāng)提高。采用后注漿技術(shù)時，樁的側(cè)阻力還可以提高70%左右。

四、工程樁單樁豎向承載力載荷試驗結(jié)果分析

工程樁采用直徑900mm的后注漿鉆孔灌注樁，樁尖入土深度33m，有效樁長為19m，根據(jù)工程樁的測試成果表明：單樁極限承載力為15329～15529kN，平均值為15422kN，承載力均達到設(shè)計要求15200kN,同試樁結(jié)果比較吻合；樁頂沉降量為14.51～14.89mm，殘余沉降量為5.51～5.74cm。另外樁端承載力占總承載能力的26.5～30.8%，距砂質(zhì)膠結(jié)層的端承力還有些差距。

五、沉降分析

本工程樁身段主要為硬塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土和密實狀態(tài)的粉土，樁端為連續(xù)分布且厚度約為11.3m的砂質(zhì)膠結(jié)層，以下為的密實狀態(tài)的砂土、粉土和硬塑的粉質(zhì)粘土，樁端以下土體超固結(jié)比大于1，屬于超固結(jié)土，有利于土體應(yīng)力的擴散，使得樁受力更為均勻，對減少和控制沉降量十分有利，本工程主體塔樓的基底有效附加壓力接近450KPa，當(dāng)基底有效附加壓力小于或接近樁端下地基土結(jié)構(gòu)強度時，其樁基變形處于似彈性階段，土體變形收斂較快，其沉降達到相對穩(wěn)定所需時間較短，一般在建筑物竣工后土體固結(jié)度可達60%～70%。一般結(jié)構(gòu)封頂后2～3年沉降可趨于穩(wěn)定。

根據(jù)本工程主體結(jié)頂約1年時的沉降觀測資料，建筑物平均沉降量約為2mm左右，接近嵌巖樁的情況。

六、結(jié)語

本工程采用后注漿鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，以砂質(zhì)膠結(jié)層為樁端持力層，解決了基礎(chǔ)選型和持力層選擇的重大技術(shù)難題，符合本工程單樁承載力要求高，變形控制嚴格，周圍環(huán)境影響小的要求，比普通鉆孔灌注樁節(jié)省造價，縮短工期，為該工程的建設(shè)提供了可靠保證。

（作者單位：河南省建筑設(shè)計研究院有限公司）