田雙

上海都市建筑設(shè)計(jì)有限公司 上海 200092

前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國迎來全面建設(shè)小康社會(huì)的歷史機(jī)遇期。中西部地區(qū)的發(fā)展迅速，然而中西部地區(qū)由于地理?xiàng)l件的限制，許多中小城市及郊區(qū)地處山區(qū)，有的城區(qū)及周邊高差還特別大，有的達(dá)20～300米，這無疑為城市擴(kuò)容，基礎(chǔ)建設(shè)帶來挑戰(zhàn)。許多建筑項(xiàng)目面臨場地開挖平整，有的場地半挖半填，有的場地全部是回填，由于地形的高差，由于平整場地原有的高差，有的回填達(dá)10～50米深，這為工程建設(shè)特別是地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來極大的挑戰(zhàn)。由于回填幾個(gè)月項(xiàng)目就要開工建設(shè)，不能等幾年幾十年地基固結(jié)后再開工，作者結(jié)合自己的實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用強(qiáng)夯及CFG樁的相結(jié)合的技術(shù)方法，成功的設(shè)計(jì)處理了幾個(gè)項(xiàng)目，供同行參閱交流，為山區(qū)類似項(xiàng)目建設(shè)積累經(jīng)濟(jì)，服務(wù)國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

1 項(xiàng)目概況

新建恩施州出入境檢驗(yàn)檢疫局綜合實(shí)驗(yàn)大樓項(xiàng)目位于湖北省恩施市金龍大道西側(cè)。該項(xiàng)目由上海都市建筑設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)。建筑物概況表如下：

表1 建筑物概況表

該項(xiàng)目含一層地下室，層高為3.3米，地下室底標(biāo)高為457.0米，而場地室外地坪標(biāo)高為458.8米，即地下室嵌入土層深度僅為1.8米，位于室外地坪標(biāo)高以上為1.5米。建筑物工程重要性等級為二級，場地等級為三級，地基等級為二級。巖土工程勘察等級為乙級。

2 場區(qū)地理位置、地形地貌

新建恩施州出入境檢驗(yàn)檢疫局綜合實(shí)驗(yàn)大樓場區(qū)位于恩施市城區(qū)，金龍大道一側(cè)，交通極為方便。

場區(qū)所處區(qū)域地貌為構(gòu)造、剝蝕低山丘陵；原始微地貌為山間沖溝及斜坡地段，沖溝為西北—東南走向，建筑物布置大致與沖溝斜交，溝底標(biāo)高約為442.3米，寬約15.0米，西南側(cè)以及東北側(cè)均以陡坡接低矮山脊，坡角20～50°之間；原始地面標(biāo)高約在442.3～453.0米之間，現(xiàn)場區(qū)經(jīng)過高挖低填整平后，場區(qū)平坦、開闊，周邊40.0米范圍內(nèi)無邊坡、臨空面等，現(xiàn)場區(qū)地面標(biāo)高大致為458.8米。

根據(jù)野外鉆探結(jié)果分析，擬建場地在勘察深度范圍內(nèi)可劃分為以下3層：①人工填土Q4ml，②強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖K，③中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖K。

根據(jù)該項(xiàng)目建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及場地地質(zhì)條件，本著“安全、可行、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、確保質(zhì)量”的原則，我們建議該項(xiàng)目建筑物的基礎(chǔ)形式可采用樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式。

表2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)地勘報(bào)告：本地區(qū)常采用的樁基類型有人工挖孔樁和機(jī)械鉆孔灌注樁，由于樁基成孔大部分均在15.0米以上，且上覆土層為人工填土，填土土質(zhì)狀態(tài)松散，根據(jù)相關(guān)文件的規(guī)定，從安全施工角度考慮，不宜采用人工挖孔樁。據(jù)場區(qū)地層情況，地勘建議如下：該項(xiàng)目擬建建筑物采用機(jī)械鉆孔灌注樁。采用機(jī)械鉆孔灌注樁有以下優(yōu)點(diǎn)：①擬建場地交通極為方便，場地平坦、開闊，便于機(jī)械的進(jìn)場，具備機(jī)械鉆孔灌注樁施工條件；②采用機(jī)械鉆孔灌注樁，所需勞動(dòng)力資源較少，施工速度快，施工工期較短；③擬建場地離城區(qū)相對較遠(yuǎn)，為新開發(fā)地段，周邊無居民，施工時(shí)噪音對周邊環(huán)境基本無干擾。不足之處在于：①采用機(jī)械鉆孔灌注樁，施工時(shí)產(chǎn)生的泥漿會(huì)對周邊道路有一定的輕微污染，若泥漿經(jīng)泥漿池沉淀后排放，可減輕對環(huán)境的污染；②采用機(jī)械鉆孔灌注樁，樁身質(zhì)量與施工單位技術(shù)、管理素質(zhì)有很大關(guān)系，不方便對樁端持力層進(jìn)行檢查，由于填土厚度較大，建議施工前應(yīng)進(jìn)行試鉆，有必要時(shí)采用護(hù)壁措施。

綜上所述：采用機(jī)械鉆孔有較好的施工場地，本地區(qū)在該類地層有較好的成孔經(jīng)驗(yàn)，成孔對周圍環(huán)境基本無污染，我們建議本項(xiàng)目擬建建筑物采用機(jī)械鉆孔灌注樁。

單樁豎向承載力特征值估算

根據(jù)擬建建筑物及地基特點(diǎn)，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》DB42/242--2003第10.3.3-2條，單樁豎向承載力特征值按:Ra=qpaAp+up∑qsiali估算，嵌巖深度取2倍樁徑，其單樁豎向承載力特征值估算結(jié)果見表3：

表3 單樁豎向承載力特征值估算表（地勘報(bào)告）

說明：①未考慮樁側(cè)摩阻力，以8#鉆孔深度20.3m進(jìn)行估算。②本單樁豎向承載力特征值僅做參考，實(shí)際單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過試樁的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)確定。（以上為直接引用地勘報(bào)告的描述）

考慮到當(dāng)?shù)氐脑O(shè)備技術(shù)能力，選用1000mm及12000mm直徑的鉆孔灌注樁比較可行：

計(jì)算結(jié)果如下：

不計(jì)負(fù)摩阻加擴(kuò)底5#孔樁1.0m樁徑 1595 2154 2113 2672 6#孔樁1.0樁徑 1476 2041 1994 2559 7#孔樁1.0樁徑 1510 2060 2028 2578 8#孔樁1.0樁徑 1407 1984 1925 2503 5#孔樁1.2樁徑 2113 2672 2726 3284 6#孔樁1.2樁徑 1994 2559 2706 3171 7#孔樁1.2樁徑 2028 2578 2641 3190 8#孔樁1.2樁徑 1925 2503 2537 3115計(jì)負(fù)摩阻 不計(jì)負(fù)摩阻 計(jì)負(fù)摩阻加擴(kuò)底

通計(jì)算比較說明如下幾點(diǎn)：

（1）對于新回填未固結(jié)的建筑場地，由于回填厚度深，3～50米不等，給基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來很大的難度，基本上只能考慮機(jī)械樁基礎(chǔ)。

（2）回填土負(fù)摩阻很大，對樁基影響很大，與不計(jì)負(fù)摩阻時(shí)樁基承載能力相差35%。

（3）由于回填土負(fù)摩阻很大，增大樁徑對提高樁基承載能力效果不明明顯，性價(jià)比不高，樁徑由1.0m提升到1.2m，工程量增大了1.44倍，由表中可以看，樁的承載力并沒有同比例增加，約為1.36倍。

（4）擴(kuò)底對于樁基承載能力提升非常明顯，擴(kuò)底半徑增大20%，工程量增3.4%，但是樁基承載能力提升40%，但是由于樁端持力層為中風(fēng)化泥巖，加之樁長為20多米，施工難度極大，幾乎沒有可操作性。

結(jié)合地質(zhì)報(bào)告，選定了1.0m的鉆孔灌注樁作為設(shè)計(jì)工程樁基方案，設(shè)計(jì)特征值取值2250KN,結(jié)構(gòu)計(jì)算柱底最大值為10196.80KN需布樁5樁，邊跨最大柱底特征值1669.80KN,布置三樁（考慮砼外墻荷載），樁基及承臺(tái)布置如下：

此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過甲方聘請的造價(jià)咨詢公司計(jì)算，基礎(chǔ)造價(jià)需要850萬元，這個(gè)結(jié)果是甲方始料未及的，我方有所預(yù)料，但也不知會(huì)這么高的基礎(chǔ)代價(jià)。剛好本項(xiàng)目相隔不到300m就有一個(gè)相類似項(xiàng)目已在施工，基礎(chǔ)造價(jià)900萬，說明我們的設(shè)計(jì)本身是沒有問題的。

4 基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

受甲方委托與要求，我方對原基礎(chǔ)方案進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)性測算，并與地勘單位進(jìn)行協(xié)商，同時(shí)也與施工圖圖紙審查機(jī)構(gòu)進(jìn)行溝通，與相關(guān)的施工方進(jìn)行技術(shù)協(xié)調(diào)，得到了相關(guān)部門的支持！

由于場地的是新近開山回填的紅砂粉質(zhì)巖，遇水浸泡就化為泥，深度為3～20m?；靥钔烈韵戮褪窃嫉匦蔚纳狡碌乇恚彩堑湫偷亩魇┑は嫉孛?。地表為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖厚3～6m左右，再下一層為中風(fēng)化泥質(zhì)紅砂巖。由此可見回填土以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，巖土力學(xué)性能良好，無不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地質(zhì)災(zāi)害的隱患，回填土石的原料全是就近挖山回填的泥質(zhì)紅砂巖。改變回填土的力學(xué)性能，減小回填土的壓縮模量，提高回填土的密實(shí)度，提高其承載能力，減少場地的沉降量，是我們設(shè)計(jì)工程師需要考慮的本項(xiàng)目地基基礎(chǔ)處理的核心問題。經(jīng)過認(rèn)真分析，我方提出了如下的地基處理方及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案：

（1）采用強(qiáng)夯處理，選30Tx20m夯擊能錘，其沖擊波影響深度為5～10m，設(shè)計(jì)采用滿夯，三遍，強(qiáng)夯后地基承載力要求達(dá)到150KPa。

（2）強(qiáng)夯后，再采用CFG樁對地基進(jìn)行加固，形成復(fù)合地基，由于上部結(jié)構(gòu)是高層建筑，中部柱下最大軸壓力為10196.80Kn，將CFG樁改進(jìn)為C30砼，樁徑500mm,形成素混凝土樁復(fù)合地基，素混凝土樁端進(jìn)入③層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為樁基持力層，這樣可以提高單樁承載能力，同時(shí)，由于上部的回填土厚度大，可以用③中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為樁基持力層固定樁端，防止場地滑移，更好的保證場地的安全性，防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。為了節(jié)省造價(jià)，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性對比，放棄了原來場地整體滿布的方案，采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)下局部地基加固布樁。這樣可以做到更加經(jīng)濟(jì)。見基礎(chǔ)平面布置圖如下圖：

地基經(jīng)強(qiáng)夯處理后，極大了改變了回填土的力學(xué)性能，具有一定的承載能力，設(shè)計(jì)要求達(dá)150Kpa,施工后來的現(xiàn)場原位實(shí)驗(yàn)達(dá)160Kpa，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

由于強(qiáng)夯改變了土體的力學(xué)性能，再做素混凝土樁時(shí)，原來的回填土對樁的負(fù)摩阻力-10KPa就不復(fù)存在，由于強(qiáng)夯地基土的變形及力學(xué)性能，短期內(nèi)難以穩(wěn)定，很難判定其準(zhǔn)確的力學(xué)性能，根據(jù)筆者工程經(jīng)驗(yàn)，考慮其對樁的正摩阻是可行了，建議處取值1-5Kpa正摩阻,預(yù)估對于素混凝土樁的單樁承載力，本項(xiàng)目由此計(jì)算單樁承載能力特征估為531Kn。

單樁承載能力特征值算例如下：

土層號(hào) 厚度(m) 側(cè)阻(qsik)端阻(qpk) 直徑(m)側(cè)阻力 端載力 樁承載力1 18.4 1 0 0.5 57.8 0.0 58 2 1.9 30 0 0.5 179.0 0.0 179 3 0 100 1500 0.5 0.0 294.4 294樁長 20.3 承載力 531

主樓地質(zhì)勘探孔各孔對應(yīng)的樁的承載能力標(biāo)準(zhǔn)值如下：

1#:726Kn，2#:653Kn，3#:760Kn，4#:628Kn，5#:1013Kn，6#:586Kn，7#:604Kn，8#:531Kn，9#:667Kn，10#:678Kn，11#:557Kn，12#:558Kn，由于場地的地勢起伏變化，最小值為531Kn，最大值為1013Kn，500mm樁直徑對應(yīng)的C30混凝土樁抗壓承載能力：Q==0.7Acfc=0.7x3.14x250x250x14.3/1000=1964Kn

本項(xiàng)目實(shí)際取值為300Kn（實(shí)際偏于保守），樁間距為1500mm。

置換率為：m=3.14Ac/A=3.14x250x250/(1500x1500)x100%=8.7%

復(fù)合地基承載能力值fspk計(jì)算：fspk=mRa/Ap+β(1-m)fak=0.087x300(3.14x0.25x0.25)+0.9x(1-0.087)x150=256KPa

復(fù)合地基加回的地基承載能特征值取255KPa。

5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

經(jīng)加固后復(fù)合地基特征值取255KPa取值，本項(xiàng)目中柱最大柱底標(biāo)準(zhǔn)值為10196.80KN，故本項(xiàng)目地基加固后可以采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，本項(xiàng)目帶有地下室，地下室采用300mm厚防水板，防水板不考慮受力,配筋力構(gòu)造Φ10@1150雙層雙向，樁頂上基礎(chǔ)下采用500mm中粗級配砂作為褥墊層。

獨(dú)立基礎(chǔ)布置平面圖如下：

本優(yōu)化后的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，經(jīng)第三方造價(jià)機(jī)構(gòu)核算，造價(jià)經(jīng)為約500萬元，相對于原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，節(jié)省了約350萬的建設(shè)資金，相當(dāng)于節(jié)省了41%的基礎(chǔ)造價(jià)，本基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案得到了業(yè)主建設(shè)方的認(rèn)可，也得到了審圖部門的認(rèn)可，順利通過了施工圖審查。

本項(xiàng)目于2017年底交付使用，經(jīng)4年多的觀測，本項(xiàng)目最大沉降量為5.13mm，最小沉降為4.10mm，沉降差為1.03mm，均滿足國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。地基處理后地基及素混凝土樁的承載能力檢測，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)夯后場地承載能力特征值為160KPa。由此可見，本次地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)完全科學(xué)合理，為此類地基基礎(chǔ)處理積累了成功的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

6 項(xiàng)目設(shè)計(jì)小結(jié)

（1）作者近幾年做了武陵山區(qū)（恩施及湘西）多個(gè)山地項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，由于山區(qū)平地少，開挖及回填形成的建筑場地非常普遍，相對而言武陵山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目前相對落后，建設(shè)資金有限，處理好山地項(xiàng)目的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，可以節(jié)省大量的資金，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

（2）本項(xiàng)目所在地區(qū)的對此類項(xiàng)目的傳統(tǒng)做學(xué)法是人工挖孔樁、機(jī)械鉆孔樁，但是從本項(xiàng)的分析進(jìn)看，類似項(xiàng)目不宜采用人工挖孔樁，松散的回填土不適合人工護(hù)壁施工，施工安全隱患巨大。機(jī)械鉆孔樁由于場地有很厚的回填土層，由于回填土層成在較大的負(fù)摩阻，機(jī)械樁承載能力大大下降，約降低35%左右。

（3）強(qiáng)夯與CFG樁的組合運(yùn)用，有效了改善了回填土的力學(xué)性能，通過作者近幾年的經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)夯處理后，可以有效消除樁基負(fù)摩阻，摩阻力可以取1～5Kpa。對于低層建筑，或有可能采用地基處理后的淺基礎(chǔ)，如獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)，不必要采用樁基礎(chǔ)，大大的節(jié)省工程造價(jià)，且施工周期縮短1～2個(gè)月。

（4）CFG樁基礎(chǔ)，將樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層，可以有效改變持力層起伏變化地基基礎(chǔ)的沉降差，本項(xiàng)目的最終沉降量為6mm以內(nèi)，沉降差為2mm以內(nèi)，效果很好。

（5）本項(xiàng)目成功經(jīng)驗(yàn)的推廣，對于推動(dòng)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)具有極大的價(jià)值，可以每年為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)節(jié)約數(shù)億乃至數(shù)百億的資金。例如受本項(xiàng)的影響，當(dāng)?shù)啬碂煵輳S房直接采用強(qiáng)夯處理后淺基礎(chǔ)，地當(dāng)某汽車城項(xiàng)目，回填土厚度為0-30m的低層建筑，強(qiáng)夯后采用了淺基礎(chǔ)，節(jié)約了大量的工程資金。

（6）對于強(qiáng)夯后的場地土的回彈、強(qiáng)夯后的CFG樁復(fù)合地基的變形及力學(xué)性能等有待進(jìn)一步研究。

以上為作者對于山地深挖深回填建筑場地地基基礎(chǔ)處理的設(shè)計(jì)心得體會(huì)并加提煉總結(jié)，供同行及相關(guān)專業(yè)的專家學(xué)者學(xué)生交流探討，不妥之處，還望讀者指正為謝。

參考資料

本項(xiàng)目地勘報(bào)告，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊》。