陳佳琪

(廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

鉆孔灌注樁因承載力高、沉降量小、直徑大和施工工藝成熟等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑的基礎(chǔ)中。然而樁施工所引起的樁底沉渣較多和樁側(cè)泥皮較厚等問題，導(dǎo)致樁承載力降低。目前，大量的研究表明，鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)能夠有效地降低上述問題的影響。后注漿技術(shù)能擠密加固樁端土體，消除樁端虛土對承載力的影響，改變樁側(cè)泥皮形狀以及樁與土體接觸的邊界條件，使樁體范圍土體與樁緊密地結(jié)合在一起形成一體，提高樁的剛度和承載力，減小樁基沉降[1-3]。本文以柬埔寨某超高層住宅項(xiàng)目介紹了后注漿鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

柬埔寨某超高層住宅項(xiàng)目位于柬埔寨王國金邊市莫尼旺大道南端東側(cè)，用地面積約15 192 m2，總建筑面積約212 141.5 m2。本場地?cái)M建建筑為5棟57層超高層住宅，1層～5層為裙樓，5層為轉(zhuǎn)換層，6層～57層為住宅標(biāo)準(zhǔn)層，無地下室，1層～4層層高為3.1 m，5層層高為4.5 m，6層層高為3.6 m，標(biāo)準(zhǔn)層及避難層層高為3 m，天面層標(biāo)高為173.5 m，立面效果圖如圖1所示。主塔樓和裙樓的結(jié)構(gòu)體系分別為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，塔樓偏置于裙樓一側(cè)，并與裙樓連帶為一個(gè)整體。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，本項(xiàng)目場地較平坦，無不良地質(zhì)作用，且無活動(dòng)斷裂構(gòu)造通過，場地穩(wěn)定性較好，場地表層為雜填土，未經(jīng)壓實(shí)；其下是粉質(zhì)黏土，為軟塑～硬塑；接著是較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，為軟塑～可塑；再下是砂粉質(zhì)黏土，為硬塑～堅(jiān)硬；最后是泥質(zhì)砂巖層，基巖承載力不高，巖面起伏較大且較深，坡度大于10%，為非均勻地基。各土層分布及特征詳見表1。

表1 土層分布及樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsk、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk

根據(jù)世界地震烈度分布圖[4]，柬埔寨是不處于地震活動(dòng)帶，當(dāng)?shù)責(zé)o地震歷史記錄。根據(jù)當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)文件和工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目可按非抗震設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范或相應(yīng)規(guī)定均依據(jù)中國規(guī)范執(zhí)行。

3 基礎(chǔ)選型

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件、荷載大小、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件以及當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。根據(jù)巖層情況，以層⑦中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(較完整)為樁端持力層，該巖層的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低巖層深度達(dá)到70 m以上，樁徑比較大，樁側(cè)摩阻力占比達(dá)65%以上，成樁質(zhì)量和樁基沉降難以把握。

采用后注漿技術(shù)不僅可以提高樁的端阻和側(cè)阻，而且可以加固樁側(cè)土體，減少樁長，提高樁基的質(zhì)量和減少樁基沉降。綜合考慮，本項(xiàng)目采用后注漿鉆孔灌注樁。

4 后注漿鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)

后注漿鉆孔灌注樁是指鉆孔成樁后，利用鋼筋籠在樁底和樁側(cè)預(yù)埋注漿導(dǎo)管，利用地面壓力系統(tǒng)將水泥漿液通過注漿導(dǎo)管注入到樁體一定范圍的土層中，使水泥漿液與樁體一定范圍的土體相結(jié)合，改變土體物理力學(xué)性質(zhì)和樁土間的邊界條件，使樁底沉渣和樁側(cè)泥皮得到加固，從而提高樁的承載力，減小樁基沉降量。

4.1 灌注樁后注漿的加固機(jī)理

灌注樁后注漿加固機(jī)理主要分為滲透固結(jié)、壓密填充、劈裂加筋、化學(xué)膠凝和填充膠結(jié)等。這些機(jī)理在注漿過程中同時(shí)存在，相互聯(lián)系。一般來說，漿液先滲透進(jìn)去到空隙較大碎石頭中，然后在一定的漿液壓力下將松散的土體壓密填充，當(dāng)注漿壓力大于土體的最小主應(yīng)力時(shí)，將土體劈裂，漿液沿著縫隙滲透進(jìn)入土體。在整個(gè)過程中，水泥漿液的礦物質(zhì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的晶體，這樣既能減少土體中的含水量，又能填充于土體間的縫隙里，改變土體的物理性質(zhì)，使土體得到加固。

4.2 后注漿單樁承載力的計(jì)算

根據(jù)《樁規(guī)》[5]中第5.3.10條規(guī)定，后注漿灌注樁的單樁豎向極限承載力Quk的估算公式如下：

Quk=Qsk+Qgk+Qgpk=

u∑qsiklj+u∑βsiqsiklgi+βpqqkAp。

式中各符號含義見《樁規(guī)》中第5.3.10條。

本項(xiàng)目主塔樓為超高層結(jié)構(gòu)，荷載較大，樁徑為1.2 m，樁身混凝土等級為C40，樁端持力層為層⑥強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(碎塊狀)，進(jìn)入持力層不小于5 m，平均樁長約55 m。裙樓荷載較小，樁徑為1.0 m，樁身混凝土等級為C30，根據(jù)柱底軸力，樁端持力層分別為層⑥-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和層⑥強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(碎塊狀)，進(jìn)入持力層不小于3 m，平均樁長分別約為45 m和52 m。

按照樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿，豎向增強(qiáng)段共2段，共計(jì)24 m，且僅考慮層③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土以下土層的注漿增強(qiáng)貢獻(xiàn)，含砂粉質(zhì)黏土和泥質(zhì)砂巖層的后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βs=1.4，泥質(zhì)砂巖層的后注漿端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp=2.0。按上述公式計(jì)算，同等樁長和直徑下，注漿前后單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果詳見表2。由表2可知，注漿后單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可以提高40%以上。

表2 注漿前后單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)樁身承載力和計(jì)算結(jié)果，本工程樁徑為1.2 m的單樁承載力特征值12 000 kN，樁徑為1.0 m的單樁承載力特征值分別為5 500 kN和7 200 kN，樁基礎(chǔ)布置圖如圖2所示。

4.3 后注漿技術(shù)參數(shù)

為保證后注漿施工的質(zhì)量，需對注漿裝置、注漿方式、漿液配比和注漿壓力等參數(shù)進(jìn)行確定。

1)注漿裝置：后注漿導(dǎo)管及注漿閥沿鋼筋籠圓周均勻設(shè)置，建議埋設(shè)不少于4根φ32 mm×3.0 m鍍鋅鋼管(超聲波檢測管另外埋設(shè)3根φ50 mm×3.5 m鋼管)，注漿后鋼管可代替縱向縱筋，且與鋼筋籠綁扎固定，其中樁端和樁側(cè)的注漿導(dǎo)管均不少于2根。

2)注漿方式：采用樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿，后注漿管閥設(shè)置2道，樁底設(shè)置一道，樁底以上12 m處設(shè)置一道樁側(cè)注漿閥，樁端注漿器應(yīng)伸出樁底0.3 m以上，并向樁底倒入碎石，防止水泥漿堵塞。

3)漿液配比：根據(jù)土的飽和度和滲透性，確定注漿所用水泥等級為42.5級，漿液的水灰比(質(zhì)量比)宜為0.45～0.65，低水灰比漿液宜摻入減水劑。

4)注漿壓力：樁側(cè)注漿終止壓力宜為1.2 MPa～4 MPa；樁端注漿終止壓力宜為6 MPa～9 MPa，注漿流量宜為30 L/min～50 L/min，不宜超過75 L/min。

5)注漿量：根據(jù)《樁規(guī)》中第6.7.4條計(jì)算，1.0 m直徑樁樁端注漿量暫定為1.8 t，每個(gè)樁側(cè)斷面注漿量暫定為0.6 t；1.2 m直徑樁樁端注漿量暫定為2.0 t，每個(gè)樁側(cè)斷面注漿量暫定為0.75 t。

6)注漿作業(yè)：注漿作業(yè)在成樁2 d后開始，但不宜遲于成樁30 d后，注漿順序一般為先樁側(cè)后樁端和先外圍后內(nèi)部。

7)終止注漿：當(dāng)注漿總量和注漿壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，或當(dāng)注漿總量已達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%，且注漿壓力超過6 MPa時(shí)，即可終止注漿。

4.4 試樁靜載數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目試樁靜載試驗(yàn)的最大加載量為單樁承載力特征值的2倍，列出5根塔樓的試樁靜載結(jié)果和Q-s曲線圖，分別如表3,圖3所示。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)加載量為單樁承載力特征值時(shí)，各樁樁頂沉降量為10.05 mm～11.36 mm；當(dāng)加載量為2倍單樁承載力特征值時(shí)，各樁樁頂沉降量為26.07 mm～30.05 mm。各樁樁頂沉降均勻，總沉降量均小于40 mm，均未發(fā)生破壞，單樁承載力特征值是可用于設(shè)計(jì)，采用后注漿技術(shù)可以提高樁的承載力，減小樁基沉降量。

表3 試樁靜載結(jié)果

4.5 變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

變剛度調(diào)平的基本原理是通過設(shè)置不同的樁距、樁徑和樁長對樁土支承剛度分布實(shí)施調(diào)整，采用增強(qiáng)與減弱相結(jié)合，整體協(xié)調(diào)，使沉降變形更趨向均勻，減小上部結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力和基礎(chǔ)內(nèi)力，減薄基礎(chǔ)厚度，降低基礎(chǔ)配筋[6]。

由于主塔樓為部分框支剪力墻，除核心筒剪力墻外，6層及以上其余剪力墻均采用轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行托換，致使核心筒和轉(zhuǎn)換柱下的荷載出現(xiàn)較大的差異。本項(xiàng)目對主塔樓采用強(qiáng)化中央和弱化外圍的原則進(jìn)行變剛度調(diào)平，使之與荷載匹配。對于豎向荷載集中的內(nèi)部核心筒相關(guān)區(qū)域，按照最小樁距為3倍樁徑的要求來滿堂均勻布樁，適當(dāng)增加樁數(shù)，減小沉降變形。對于荷載分散的外圍轉(zhuǎn)換柱區(qū)域，根據(jù)荷載大小僅在框架柱下布置樁，適當(dāng)加大樁間距。這樣不僅能使塔樓的上部荷載與樁反力整體平衡，又能有效減小核心筒相關(guān)區(qū)域和外圍轉(zhuǎn)換柱區(qū)域的沉降變形差，使筏板變形更趨向一致，減小筏板內(nèi)力和配筋。經(jīng)計(jì)算，主樓的筏板厚度為3.0 m，由于沖切原因，個(gè)別轉(zhuǎn)換柱下的筏板加厚至3.5 m，混凝土強(qiáng)度等級為C35，可以滿足抗彎、抗沖切等承載力要求。本文列出1棟～3棟塔樓的基礎(chǔ)沉降變形圖(見圖4)，沉降變形值約為8 mm～10.5 mm，沉降量同試樁靜載結(jié)果基本一致，核心筒相關(guān)區(qū)域與外圍轉(zhuǎn)換柱的沉降變形差為1 mm～2 mm，有效地減少了沉降變形差和筏板配筋，除局部受力較大位置外，筏板配筋主要為構(gòu)造配筋。

由于主塔樓與裙樓之間的荷載差異較大，本項(xiàng)目對周邊裙樓的變剛度調(diào)平，按弱化裙樓作用的原則，來減小主塔樓與周邊裙樓間的沉降差。首先主塔樓和裙樓分別選用直徑1.2 m和1.0 m的灌注樁，且不同的樁端持力層和樁長(詳見表2)；然后在主塔樓周邊設(shè)置一圈1 m寬沉降后澆帶，待主塔樓封頂后進(jìn)行澆筑，來減小在主塔樓與周邊裙樓之間的沉降差所帶來的附加應(yīng)力。

根據(jù)變剛度調(diào)平的原則，通過選擇不同的樁距、樁徑、樁長和樁端持力層，來減少基礎(chǔ)沉降變形差，確定了合理的樁基礎(chǔ)布置，如圖2所示。

4.6 基礎(chǔ)埋深

考慮到施工成本、施工難度與周期及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)等，該超高層建筑不設(shè)地下室，基礎(chǔ)埋深為3.6 m，其不滿足《高規(guī)》[7]中所要求房屋高度的1/18。本項(xiàng)目需對超高層塔樓進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

根據(jù)結(jié)構(gòu)整體抗傾覆安全系數(shù)與基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，在豎向荷載與水平荷載的共同作用下，對于高寬比大于4的高層建筑，基礎(chǔ)底面不得出現(xiàn)拉應(yīng)力，即所有樁基不得出現(xiàn)拉力，且結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)不小于3.0[8]。

樁基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性是要求樁基總水平承載力的安全系數(shù)不小于1.3。根據(jù)規(guī)范要求，按直徑為1.2 m的樁來計(jì)算確定樁頂上部的主要影響深度及相關(guān)土層和地基土水平抗力系數(shù)，按水平位移控制計(jì)算樁的水平承載力特征值為215 kN，且不考慮筏板側(cè)面土和底部土摩擦力的有利影響。

本項(xiàng)目按100 a的基本風(fēng)壓(0.56 kN/m2)進(jìn)行抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算，列出1棟～3棟塔樓的計(jì)算結(jié)果，詳見表4，表5。

表4 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果 kN·m

表5 結(jié)構(gòu)抗滑移驗(yàn)算結(jié)果 kN

由表4,表5結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)樁基均處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)均大于3，結(jié)構(gòu)樁基總水平承載力的安全系數(shù)均大于1.3，表明該結(jié)構(gòu)能滿足抗傾覆和抗滑移的穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

通過介紹柬埔寨某超高層住宅的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)地質(zhì)條件、荷載大小和成樁質(zhì)量，采用后注漿鉆孔灌注樁；根據(jù)試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果，采用樁端樁側(cè)復(fù)式注漿技術(shù)能顯著提高樁基承載力，減少沉降變形。

2)按照變剛度調(diào)平的原理，通過確定合適的樁間距、樁數(shù)量以及不同的樁徑、樁長和樁端持力層等措施，減小了塔樓內(nèi)部核心筒相關(guān)區(qū)域與外圍轉(zhuǎn)換柱區(qū)域的沉降差以及主塔樓與裙樓之間的沉降差，使沉降變形更均勻，減小了基礎(chǔ)內(nèi)力和配筋。

3)當(dāng)超高層建筑基礎(chǔ)埋深不滿足規(guī)范的要求時(shí)，通過概念設(shè)計(jì)和相關(guān)措施后，結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)埋深是可以滿足抗傾覆和抗滑移的穩(wěn)定性要求。