劉長軍LIU Chang-jun

（中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，西安 710000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高層建筑、大型橋梁以及各種大型構(gòu)筑物如雨后春筍般地興建，但因我國幅員廣大，地質(zhì)條件差異極大，南方與北方、內(nèi)地與沿海、山區(qū)與平原、高原與丘陵有截然不同的地質(zhì)條件，在大多數(shù)情況下，為了控制上部建、構(gòu)筑物的沉降、傾斜，設(shè)計(jì)人員會采用較為穩(wěn)妥的樁基方案——大噸位端承樁或摩擦樁[1]，并沒有利用基礎(chǔ)承臺或筏板下可能存在的承載能力較好的巖土，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形成巨大的浪費(fèi)。在巖溶地質(zhì)條件下存在石芽、孤石、巖面起伏或基巖崩塌時(shí)單面巖層缺失等復(fù)雜情況，即使采用大噸位樁基也難以克服不均勻沉降的問題。

傳統(tǒng)的樁-土復(fù)合地基，采用的是預(yù)估法[2]：預(yù)估樁、土分別承擔(dān)荷載的比例。預(yù)估法無法量化，有很大的偏差，使底板、樁承臺出現(xiàn)較大的次應(yīng)力，甚至出現(xiàn)由樁或土單一負(fù)荷，復(fù)合地基失效的情況。

近年來，在一些高層建筑的大口徑樁頂上設(shè)置可調(diào)節(jié)沉降器、承臺之間土上鋪設(shè)褥墊層等措施，可以實(shí)現(xiàn)樁-土共同承擔(dān)上部荷載的新型復(fù)合地基，也能大幅度降低基礎(chǔ)工程造價(jià)。在巖溶地質(zhì)區(qū)，通過在灌注樁頂設(shè)置可調(diào)節(jié)沉降器可以解決巖土軟硬不均，沉降差異較大的問題。

1 工程概況

工程位于廈門海滄區(qū)，二棟30 層的住宅由三層群房連成整體，地下室二層，總建筑面積32500m2。場地中地層自上而下有：雜填土、粉質(zhì)粘土、砂土、花崗巖殘積土、花崗巖等，場地中分布有大量的孤石，孤石豎向厚度從0.4～17m 不等，有的呈串狀分布。試打樁采用φ800m 的沖孔樁，3 根樁均碰到大直徑孤石，無法穿越，以失敗告終。經(jīng)分析，采用天然地基存在巨大風(fēng)險(xiǎn)，最終確定采用大口徑人工挖孔樁頂加設(shè)可調(diào)節(jié)沉降器+天然地基的復(fù)合地基作為基礎(chǔ)，如圖1。

圖1 新型復(fù)合地基原理圖

通過在大噸位樁頂設(shè)置可調(diào)節(jié)沉降器[3]使承臺（或筏板）在上部荷載作用下有一定數(shù)量（一般50～150mm）沉降空間，此階段基礎(chǔ)底板壓在樁間土上，由樁間土持荷，可調(diào)節(jié)沉降器受到壓縮；當(dāng)樁間土被壓縮至一定量時(shí)，在可調(diào)節(jié)沉降器四周注入水泥漿，使承臺與大噸位樁基剛性連接，此時(shí)上部荷載轉(zhuǎn)由樁基才承擔(dān)，樁間土發(fā)揮了最大的持荷作用而且不至于失穩(wěn)；承臺之間土上鋪褥墊層使不均勻的土體更為合理分配荷載，從而形成可量化的樁-土分擔(dān)荷載復(fù)合地基。

2 施工技術(shù)及操作要點(diǎn)

2.1 大噸位樁基承載力確定

大噸位樁基一般采用沖鉆孔工藝或人工挖孔樁，其極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，按下式確定：

式中：Qsk——總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

Qpk——總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

μ—— 樁身周長；

ψsi——大直徑樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)；

qsik——樁側(cè)第i 層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li—— 樁側(cè)第i 層土的厚度；

ψp——大直徑樁端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)；

qpk——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

AP——樁端面積。

2.2 樁基數(shù)量優(yōu)化計(jì)算

采用大噸位樁-土復(fù)合地基時(shí)，可把地基承載力充分利用，因此樁基數(shù)量可按下式計(jì)算：

式中：Fk——荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于承臺頂面的豎向力；

Gk——樁基承臺和承臺上土體自重標(biāo)準(zhǔn)值，對穩(wěn)定的地下水位以下部分應(yīng)扣除水的浮力；

fa——經(jīng)修正后地基土承載力特征值；

Ac——承臺底扣除樁基截面積的凈面積；

Ra——單樁豎向承載力特征值；

n——樁基中基樁的數(shù)量。

2.3 可調(diào)節(jié)沉降器的選擇

可調(diào)節(jié)沉降器應(yīng)根據(jù)承載能力和變形能力二個(gè)因素確定[4]；其承載能力應(yīng)大于設(shè)計(jì)要求的單樁極限承載力，一般可選擇承載能力5000kN～10000kN 的沉降器；其變形能力應(yīng)大于設(shè)計(jì)要求的樁間土體沉降量的1.5 倍。一般可選擇變形量大于150mm 的沉降器。

一般采用沖（鉆）孔施工工藝；地下水位較深且樁較短的情況下也可采用人工挖孔工藝。當(dāng)采用沖（鉆）孔工藝時(shí)，沖（鉆）進(jìn)時(shí)采用正循環(huán)排漿，清渣時(shí)采用反循環(huán)，并且在下放鋼筋籠后澆灌混凝土前應(yīng)進(jìn)行二次清渣，確保沉渣厚度不超過30mm。樁端進(jìn)入持力層不應(yīng)小于1d。

巖溶地質(zhì)條件下施打大噸位樁，常常會發(fā)生樁孔中漿液面標(biāo)高下降或漿體突然消失現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)提起沖錘向樁孔中填入粘土、石塊等，填充高度應(yīng)超過塌孔面2m 以上，然后再沖擊成孔；當(dāng)溶洞較大或巖層裂隙水流較急時(shí)，可在樁孔中填入C20 等級的混凝土，48h 后再沖孔；當(dāng)遇到石芽巖面時(shí)，可填入塊石與粘土的混合料，比例為塊石：粘土=1:2，若還是無法阻止偏孔，則應(yīng)在旁邊一定范圍內(nèi)重新開孔。

樁定超過設(shè)計(jì)標(biāo)高的混凝土應(yīng)鑿除，若標(biāo)高以下混凝土強(qiáng)度或密度不夠也應(yīng)鑿除，露出新鮮混凝土面，并用鋼絲刷和壓力水把樁頂混凝土面清除干凈；若樁頂標(biāo)高不足，可用比樁身混凝土等級高一級的混凝土補(bǔ)澆至設(shè)計(jì)標(biāo)高面；樁頂鋼筋長度保留500mm 長。

可調(diào)節(jié)沉降器的底座為一組帶有錨固鋼筋的鋼板，鋼板之間由L50×50×5 的角鋼連接，焊接時(shí)必須保持鋼板在一個(gè)平面內(nèi)。底座與樁頂間預(yù)留的500mm 高度空間應(yīng)安放五層鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片用φ8@100 鋼筋焊接而成，網(wǎng)片層間距離為100mm，用架立鋼筋定位。

可調(diào)節(jié)沉降器的底座安放于鋼筋網(wǎng)片上方，并使底座中心的定位螺母與樁中心重合，平面位置誤差不大于10mm；調(diào)整底座的標(biāo)高和平整度，標(biāo)高誤差不大于5mm，平整度誤差不大于2mm；然后用電焊方法把底座下的預(yù)留錨固筋與樁頂錨固筋焊接固定，確保底座牢固不會移動和變形。

底座安裝固定牢固后，樁周支設(shè)模板；再次復(fù)核底座的平面位置、標(biāo)高、平整度等，符合要求后可澆筑混凝土，底座混凝土應(yīng)比樁身混凝土高一等級，混凝土塌落度控制在50～80mm，用振搗棒振搗密實(shí)，混凝土表面用鐵棒子抹平壓光，其標(biāo)高應(yīng)比底座鋼板高出2mm；清除底座鋼板上的殘余漿體，24 小時(shí)候拆模，并用土工布覆蓋，澆水養(yǎng)護(hù)7d，如圖2。

圖2 底座外觀圖

拆除可調(diào)節(jié)沉降器的臨時(shí)固定螺栓，逐個(gè)輕輕放置于底座鋼板上，可調(diào)節(jié)沉降器鋼板薄的一面朝上，其中心應(yīng)與底座鋼板中心重合，位置確定后，把可調(diào)節(jié)沉降器的下緣鋼板與底座鋼板點(diǎn)焊固定，電焊宜采用二氧化碳保護(hù)焊，焊點(diǎn)間距為50mm，如圖3。

圖3 可調(diào)節(jié)沉降器安放后的外觀

變形標(biāo)識桿是用來測量可調(diào)節(jié)沉降器的絕對壓縮變形量的標(biāo)尺，根據(jù)變形量可推算出樁所承擔(dān)的荷載，其公式為：

式中：R——基樁承擔(dān)的荷載；

K——可調(diào)節(jié)沉降器的彈性系數(shù)；

s——可調(diào)節(jié)沉降器的壓縮變形量。

因此，保持變形標(biāo)識桿的完好性非常重要。

變形標(biāo)識桿是一根帶有數(shù)字刻度的鋼條，位于可調(diào)節(jié)沉降器群的形心位置，一般也是基樁的中心。通過標(biāo)識桿下端的水平筋與底座鋼板焊在一起，保持豎直狀態(tài)。

側(cè)護(hù)板和上蓋板的功能是將可調(diào)節(jié)沉降器群封閉在一個(gè)獨(dú)立的空腔中[5]，保證可調(diào)節(jié)沉降器和變形標(biāo)識桿不受到外部損壞，并使可調(diào)節(jié)沉降器能自主變形。因此，應(yīng)檢查樁頂除可調(diào)節(jié)沉降器和變形標(biāo)識桿外不得有其他異物，再把上蓋板穿過變形標(biāo)識桿上端放在可調(diào)節(jié)沉降器上，保持變形標(biāo)識桿處在上蓋板設(shè)的導(dǎo)管中心，相互之間設(shè)有摩擦作用；位置確定后把側(cè)護(hù)板與樁頂之間的空隙用木楔頂緊，如圖4。

圖4 上蓋板安裝后的外觀

在上蓋板靠近邊緣處預(yù)留2～3 個(gè)φ30mm 的注漿孔，注漿管可選用φ48 無縫鋼管，鋼管中心與注漿孔中心對齊，再與上蓋板電焊，焊縫厚度δ=5mm，周邊應(yīng)滿焊無縫隙，注漿管的長度應(yīng)比承臺厚度大200～300mm，便于后期注漿，注漿管上口應(yīng)用紡織布臨時(shí)封堵，防止異物掉入空腔中。

側(cè)護(hù)板外側(cè)應(yīng)回填中砂，砂應(yīng)干凈無雜質(zhì)，特別不能有較大顆粒的石塊混入，目的是保證側(cè)護(hù)板在上部荷載作用下能自由下沉，砂層無密實(shí)度要求，但必須填充滿整個(gè)凹槽。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，樁間土非常不均勻特別是有淺層孤石或溶洞時(shí)，在承臺之間鋪設(shè)褥墊層能有效均衡天然地基土的承載力，減少基礎(chǔ)底板的次應(yīng)力，提高復(fù)合地基的效果。

2.3.1 施工用材料

①褥墊層材料應(yīng)為級配砂石，石∶砂=3∶7，石子粒徑20mm～40mm，含泥量不大于5%。

②褥墊層的加筋體土工合成材料采用鋼塑復(fù)合土工格柵，格柵強(qiáng)度不小于80kN/m。

2.3.2 褥墊層施工

①采用填筑法施工，分段分層攤鋪，用手推車或塔吊吊斗將級配砂石運(yùn)載至基坑底部，人工攤平，虛鋪厚度20～30cm，用打夯機(jī)反復(fù)打夯，密實(shí)度達(dá)到93%以上。

②褥墊層不得在浸水條件下施工，當(dāng)有地表水時(shí)應(yīng)挖排水溝疏干，地下水位較高時(shí)應(yīng)采用深井降水法降低水位。

③若級配砂石較為干燥，采用噴淋裝置均勻?yàn)⑺?，使填料含水率?0%～15%之間，再行夯壓。

2.3.3 土工合作材料加筋體施工

①土方挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，可進(jìn)行土工格柵的鋪設(shè)施工。

②土工格柵要鋪設(shè)完整，搭接寬度為30cm。

③鋪設(shè)土工格柵應(yīng)連續(xù)作業(yè)，拉平繃緊，不得出現(xiàn)扭曲、褶皺，端頭要固定；土工格柵鋪好后盡快填砂、石料。

④砂、石料夯實(shí)后表面應(yīng)平整，然后再鋪設(shè)面層土工格柵。

⑤面層土工格柵鋪好后澆筑100mm 厚C15 素砼墊層。

基礎(chǔ)承臺、底板施工過程中應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)可調(diào)節(jié)沉降器、變形標(biāo)識桿，注漿管等設(shè)施不被破壞。

在上部建筑物的荷載作用下，樁間土達(dá)到承載力特征值時(shí)，或可調(diào)節(jié)沉降器的壓縮量達(dá)到額定值時(shí)，應(yīng)對可調(diào)節(jié)沉降器的空腔進(jìn)行注漿。

注漿材料宜選用商品灌漿料，若采用現(xiàn)場配置，可采用水灰比不大于0.5 的純水泥漿。

注漿可通過預(yù)留的三根注漿管中的一根灌注即可，注漿壓力應(yīng)不小于0.5MPa，注漿應(yīng)連續(xù)一次完成，注滿后保持壓力3min 以上，注漿完成后應(yīng)將注漿管口封緊嚴(yán)密。

沉降觀測包括建筑物的沉降觀測和可調(diào)節(jié)沉降器的沉降觀測，通過變形標(biāo)識桿直接讀取下沉數(shù)值；主體結(jié)構(gòu)施工期間每上一結(jié)構(gòu)層應(yīng)讀取一次，裝修期間按每十天讀取一次數(shù)值或每增加建筑物總荷載的5%讀取一次數(shù)值，直至建筑物穩(wěn)定時(shí)為止。

樁頂超灌混凝土應(yīng)鑿除干凈，露出新鮮密實(shí)的混凝土平面，二次澆搗的樁頂混凝土厚度不應(yīng)少于500mm。下墊板應(yīng)有足夠剛度的支承桿，支承桿支頂在鑿除干凈的樁頂面，并與鋼筋網(wǎng)片焊接固定；下墊板的傾斜度不應(yīng)大于1%。可調(diào)節(jié)沉降器的平面位置誤差不應(yīng)大于10mm，標(biāo)高誤差不應(yīng)大于5mm。可調(diào)節(jié)沉降器與下墊板之間應(yīng)有可靠的聯(lián)結(jié)；變形標(biāo)識桿與下墊板應(yīng)焊接牢固，垂直度偏差不應(yīng)大于1%。

3 結(jié)束語

工程完工后工程沉降已穩(wěn)定，最大沉降51mm，最小沉降27mm。工程結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)下沉導(dǎo)致的裂縫，節(jié)約工程基礎(chǔ)造價(jià)45%，約550 萬元，效果良好。

該施工技術(shù)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)復(fù)合地基的型式，不僅可充分發(fā)揮樁間土承載作用，而且使樁與土承擔(dān)荷載量化，樁間土變形得到完全控制，讓樁與土變形協(xié)調(diào)，共同持荷。它適用于基礎(chǔ)底部為為粘土、砂質(zhì)土、粉土、殘積土的多層、高層建筑物或其他大噸位樁基的構(gòu)筑物；在巖溶地質(zhì)區(qū)采用此復(fù)合地基有獨(dú)特的優(yōu)勢。由于充分發(fā)揮了樁間土的承載能力，減少了用樁量；不均勻地質(zhì)區(qū)可合理調(diào)整樁長和樁數(shù)量，使基礎(chǔ)工程造價(jià)大大降低，降低造價(jià)40%～70%。