曹皓

（廣東南雅建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

巖溶地貌屬喀斯特地貌，最為典型的是石灰?guī)r地區(qū)，由于長(zhǎng)期的地下水侵蝕，形成了發(fā)達(dá)的地下巖溶洞穴系統(tǒng)，石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣，在有水和二氧化碳時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可以溶于水的碳酸氫鈣，由于其水溶性，形成的空洞會(huì)逐步擴(kuò)大。廣東省巖溶地質(zhì)表現(xiàn)為溶蝕、溶溝、溶槽、中小型串球狀或單個(gè)小型洞穴，裂隙較為發(fā)育且規(guī)律性不強(qiáng)。這種特殊的地質(zhì)條件使得巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，地基承載力較差。當(dāng)有條件時(shí)，工程建設(shè)宜避讓巖溶地質(zhì)區(qū)域，但許多工程在立項(xiàng)時(shí)已敲定用地地塊，后續(xù)進(jìn)行變更地塊的難度不小，因此在巖溶地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)已然成為業(yè)界的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。尤其是巖溶地區(qū)的基礎(chǔ)選型，一旦基礎(chǔ)方案選擇不當(dāng)，會(huì)造嚴(yán)重工程事故或資金的浪費(fèi)。近年來，工程界圍繞巖溶地區(qū)樁基工程開展了很多科學(xué)研究和工程實(shí)踐。本文通過實(shí)際工程實(shí)例，對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁在巖溶地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行綜合分析，并說明相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1 工程概況

廣東肇慶中學(xué)初中部遷建項(xiàng)目位于肇慶市端州區(qū)，規(guī)劃總用地面積為83856m2，總建筑面積約93000m2，地上建筑面積約83000m2，地下建筑面積約10000m2，項(xiàng)目從東至西分別為教學(xué)區(qū)、綜合區(qū)及生活區(qū)。東部教學(xué)區(qū)為4 棟6 層的教學(xué)樓，框架結(jié)構(gòu)，建筑高度23.8m，中部綜合區(qū)含兩棟綜合樓、一棟行政樓、一棟體育館，其中綜合樓B 建筑高27.15m，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其余均為多層框架結(jié)構(gòu)。西部生活區(qū)的四棟宿舍樓均為超40m 的高層，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下一層，地上12~15 層。

2 場(chǎng)地地質(zhì)

該項(xiàng)目由建材廣州工程勘測(cè)院有限公司勘察，根據(jù)詳勘報(bào)告揭露，場(chǎng)地分布有較大厚度的填土及流塑狀淤泥質(zhì)土，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地自上而下的地層如表1 所示。

表1 場(chǎng)地內(nèi)土（巖）層分布

2.1 場(chǎng)地溶（土）洞分布情況

鉆探資料揭露場(chǎng)地地下有溶洞，見洞率為15.9%，主要分布在教學(xué)區(qū)及綜合區(qū)，體育館溶洞分布密集，僅西側(cè)球場(chǎng)區(qū)域有揭露土洞，土洞見洞率為1.6%，土洞位于中風(fēng)化上層，土洞為空洞。場(chǎng)地溶（土）洞分布如圖1所示。

圖1 場(chǎng)地溶（土）洞分布

2.2 場(chǎng)地溶（土）洞特征

巖溶中等發(fā)育，同一水平方向埋深具一定變化，溶洞位置位于中風(fēng)化帶，溶洞多為串珠溶洞，部分為空溶洞或填充溶洞。充填溶洞為少量黏土。土洞見洞率為1.6%，土洞位于中風(fēng)化上層且均為空洞。溶洞特征如表2 所示。

表2 溶洞特征

3 基礎(chǔ)方案

該場(chǎng)地內(nèi)地表土層連續(xù)分布有較厚的填土層，填土屬場(chǎng)地特殊性巖土，結(jié)構(gòu)松散，尚未完成自重固結(jié)，力學(xué)性質(zhì)差，下臥層又存在淤泥質(zhì)土軟弱層；考慮學(xué)校為人口密集場(chǎng)所，荷載及跨度較大，對(duì)變形較為敏感，天然地基難以滿足其荷載及變形要求，故本項(xiàng)目不考慮采用天然基礎(chǔ)。

若采用鉆（沖）孔樁，由于上覆軟弱土層疏松，特別是鉆至砂層時(shí)水力梯度驟變易引起流砂而導(dǎo)致孔壁坍塌，樁身澆灌時(shí)容易產(chǎn)生縮徑、斷樁、夾泥等質(zhì)量問題，且?guī)r層上方存在溶（土）洞，鉆進(jìn)過程很大概率會(huì)卡鉆、掉鉆，成樁質(zhì)量難以得到保證[1]。

該場(chǎng)地溶洞區(qū)域基本無過渡性風(fēng)化巖層（無全、強(qiáng)風(fēng)化層），場(chǎng)地地層由粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土或粉細(xì)砂直接接觸中風(fēng)化灰?guī)r，局部溶洞上覆的硬夾層較薄，不能考慮做樁端持力層。地層上軟下硬、軟硬突變。選用預(yù)應(yīng)力管樁時(shí)，施工工藝不宜采用錘擊，因軟硬突變易導(dǎo)致樁頭破碎，并很難控制最后貫入度等收錘標(biāo)準(zhǔn)。且場(chǎng)地位于市區(qū)，東臨端州區(qū)稅務(wù)局，西側(cè)為居民區(qū)，沉樁的噪聲、振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響較大，不具備采用錘擊樁的條件。

靜力壓樁是借助于壓樁機(jī)的自重和配重，通過卷?yè)P(yáng)機(jī)滑輪組或液壓油缸的作用，對(duì)預(yù)制樁施加持續(xù)靜壓力，將其壓入地基土層的一種施工方法。靜壓樁具有無噪聲、無振動(dòng)、施工速度快、樁身質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn)，該項(xiàng)目最終選用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁。

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《靜壓預(yù)制混凝土樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》，基巖起伏面較大且其上沒有合適持力層的巖溶地層，是不適宜采用靜壓樁的，因?yàn)樵谑規(guī)r等巖溶地區(qū)，基巖表面就是新鮮巖石，預(yù)制樁是難以進(jìn)入石灰?guī)r層的。石灰?guī)r地區(qū)的壓樁，特別是巖面起伏較大的地區(qū)，破損率可高達(dá)20%~50%[2]。必須采取有效的措施后方可采用，本項(xiàng)目選取了特殊的鋼樁尖，以改善樁端入巖難的問題，并本著“低承載多樁”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 單樁豎向承載力確定

根據(jù)詳勘報(bào)告數(shù)據(jù)，單樁豎向承載力特征值的計(jì)算如下[3]：

式中：qsia——第i 土層樁側(cè)的摩阻力特征值；frs——樁側(cè)巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度；frp——樁端巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度。

該項(xiàng)目采用AB 型、壁厚125mm 的D500PHC 靜壓管樁，以中風(fēng)化灰?guī)r層作為持力層，有效樁長(zhǎng)約18~30m，經(jīng)計(jì)算，單樁側(cè)阻約500~800kN，按規(guī)范公式計(jì)算的端阻較大，單樁承載力特征值可達(dá)到1600kN 以上。根據(jù)各單體柱底力及肇慶巖溶地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，單樁承載力特征值初步按1100kN 取值，并按1000kN、1100kN、1300kN 進(jìn)行試樁。試樁位置結(jié)合詳勘報(bào)告確定，壓樁力分別取為2200kN、2420kN、2860kN，壓樁力取值原則參照廣東地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，靜壓樁豎向抗壓極限承載力與終壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式如下[2]：當(dāng)16m

從經(jīng)驗(yàn)公式可知，樁越短時(shí)，終壓值應(yīng)適當(dāng)增加。該項(xiàng)目樁長(zhǎng)在16~18m，終壓值按2.2 倍單樁豎向抗壓承載力特征值取。試樁過程中發(fā)現(xiàn)單樁承載力特征值取值越大時(shí)破損率越高，而初定1100kN 的破損率在6%左右，經(jīng)比較研究，最終敲定單樁承載力特征值取1100kN。該項(xiàng)目已竣工并交付使用，經(jīng)統(tǒng)計(jì)最終破損率在5%以內(nèi)。其中溶洞揭露密集區(qū)的體育館破損率為3%，巖面起伏較大的教學(xué)區(qū)為9%，其余單體破損率均在2%~4%。

4.2 樁尖選擇

在石灰?guī)r地區(qū)，樁尖的選用是影響樁基礎(chǔ)工程成功與否的關(guān)鍵之一，樁尖應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件來選用，本項(xiàng)目選用H 鋼2 型樁尖，該樁尖剛性較強(qiáng)，具有較好的穿透力，施工過程中也驗(yàn)證了對(duì)壓穿溶洞上部第一層頂板具有較好的效果。而且其導(dǎo)向性好，不易發(fā)生樁偏位現(xiàn)象，在石灰?guī)r地區(qū)使用可以大大減少施工過程中的爛樁率。樁尖構(gòu)造[4]如圖2 所示。

圖2 H 鋼2 型樁尖構(gòu)造尺寸

5 預(yù)應(yīng)力管樁施工

巖溶地區(qū)的管樁施工具有一定的難度，需要施工單位在施工前充分了解場(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn)，摸清地層分布情況。施工時(shí)應(yīng)注意以下5 點(diǎn)。

（1）靜力壓樁機(jī)由于自重和配重較大，對(duì)施工場(chǎng)地的要求較嚴(yán)，進(jìn)場(chǎng)前應(yīng)對(duì)地表軟弱土層進(jìn)行加固處理，滿足場(chǎng)地地基承載力特征值不小于120kPa 的要求，否則容易發(fā)生陷機(jī)。

（2）壓樁前，應(yīng)認(rèn)真研究地勘資料，了解施工區(qū)域土層的分布及物理力學(xué)性質(zhì)，按照地層資料配樁。

（3）當(dāng)具備條件時(shí)，建議對(duì)揭露溶洞區(qū)域進(jìn)行施工勘察，進(jìn)一步查明溶洞的分布及特征。

（4）施壓時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制壓樁速度，加強(qiáng)監(jiān)控，特別是接近巖溶面后，宜放慢加載速度，并逐級(jí)加載，避免樁端碰到傾斜巖面、突變巖面時(shí)斷樁。

（5）對(duì)于局部厚砂層區(qū)域，靜壓樁機(jī)在壓進(jìn)過程中可能會(huì)發(fā)生連續(xù)振動(dòng)，壓力顯示值可能會(huì)較大且在小范圍內(nèi)擺動(dòng)[5]，施工單位應(yīng)在壓樁過程中及時(shí)總結(jié)，統(tǒng)計(jì)穿透不同砂層厚度對(duì)應(yīng)的壓樁力，供場(chǎng)地其他區(qū)域作壓樁參考。

6 結(jié)語(yǔ)

巖溶地區(qū)地質(zhì)條件地域特點(diǎn)鮮明，不同地方具有不同的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等，造成千差萬(wàn)別的巖溶情況。其中肇慶地區(qū)的碳酸鹽等可溶性巖石基本無過渡性風(fēng)化層，一般土層直接接觸中、微風(fēng)化層。近年來，各地區(qū)在實(shí)踐中積累了寶貴的巖溶地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，本工程通過靜壓預(yù)應(yīng)力管樁的成功運(yùn)用，為今后巖溶地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)特別關(guān)注以下4 點(diǎn)。

（1）單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試樁、靜載確定，控制合適比例的破損率（建議5%~10%），承載力取值不宜過大。

（2）樁尖的選擇對(duì)巖溶地區(qū)管樁的應(yīng)用也相當(dāng)關(guān)鍵，本項(xiàng)目通過采用H 鋼2 型樁尖取得了較好的效果。

（3）建立良好的樁基礎(chǔ)施工動(dòng)態(tài)反應(yīng)機(jī)制，設(shè)計(jì)對(duì)施工過程中反饋的信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)內(nèi)容，相關(guān)單位在實(shí)施過程中通過動(dòng)態(tài)式循環(huán)反饋、調(diào)整、修改，直至基礎(chǔ)工程結(jié)束。

（4）通過采取合理的施工措施來提升壓樁質(zhì)量，如控制壓樁速度、分級(jí)多次加載等。