袁劍亮

(廣州市花都建筑設(shè)計院有限公司)

巖溶地區(qū)在我國分布非常廣泛，占國土面積30%以上[1]，其中以貴州為中心的西南地區(qū)是我國面積最大的巖溶地區(qū)，表現(xiàn)為溶洞、土洞、溝槽、地下河、石柱等，千奇百怪，無規(guī)律性。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來越多的項目建設(shè)于巖溶地區(qū)，在這些地區(qū)進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工容易發(fā)生塌孔、卡鉆、漏漿、鉆孔偏斜甚至樁基失效等情況，輕則影響工期和質(zhì)量，重則發(fā)生嚴(yán)重工程事故。因此，需特別重視巖溶地區(qū)樁基礎(chǔ)的設(shè)計和施工。很多設(shè)計人對溶洞沒有足夠的認(rèn)識，對溶洞和土洞有一定恐懼心理，從安全角度出發(fā)首選灌注樁基礎(chǔ)，盡管其費用高，對場地環(huán)境污染較大，但多數(shù)勘察報告都建議采用這種樁型。

本文以巖溶地區(qū)某項目樁基礎(chǔ)選型為例，以灌注樁、管樁、MC 勁性復(fù)合樁三種方案進(jìn)行對比分析，認(rèn)為除鉆孔灌注樁外，其它樁型有不同的處理方案和適用性，應(yīng)根據(jù)項目土層、荷載等實際情況進(jìn)行選擇。

1 工程概況

本項目位于貴州省某市，含5 棟多層鋼結(jié)構(gòu)框架展覽中心，1棟高層宿舍以及1棟會展中心，總建筑面積約18 萬m2。以其中的2 號樓鋼框架工業(yè)展覽館為例，含地上3 層，無地下室，屋面為坡屋面結(jié)構(gòu)找坡。建筑長172m，寬116m，典型柱網(wǎng)為6m×30m。首層設(shè)計荷載為10kN/m2，二層及三層為5kN/m2。

2 地質(zhì)情況及勘察評價

擬建場地地貌單元屬于侵蝕溶蝕地貌區(qū)孤峰平原亞區(qū)，原狀場地最大相對高差0.96m，場地地勢起伏不大，在鉆探深度范圍內(nèi)地上覆土層主要為第四系植物層成因的耕土、第四系人工堆填的素填土，第四系殘積成因的黏土、第四系湖積成因的淤泥，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階，炭質(zhì)灰?guī)r、泥盆系上統(tǒng)融縣組灰?guī)r。

場地內(nèi)巖溶主要表現(xiàn)為溶洞和土洞。溶洞高度在0.6～3.5m，主要為全充填軟塑狀黏土，遇洞率62.2%，線巖溶率33.6%。評價場地屬巖溶強(qiáng)發(fā)育覆蓋型地區(qū)。為防止淺巖溶發(fā)展成土洞、塌陷等，需對揭露的溶洞采取有效治理措施，樁基施工前需超前鉆，以保證基礎(chǔ)持力層的穩(wěn)定。項目的典型孔點和參數(shù)取值詳表1、表2。

表1 典型孔點各土層分布表

表2 巖土主要技術(shù)參數(shù)/kPa

3 基礎(chǔ)方案比選

本項目無地下室，一層荷載由地基土承擔(dān)，不設(shè)筋混凝土樓板。在基礎(chǔ)間設(shè)地梁進(jìn)行拉結(jié)作用。基礎(chǔ)的荷載主要為2、3 層及屋面層荷載。按YJK 計算結(jié)果，中間標(biāo)準(zhǔn)柱跨在標(biāo)準(zhǔn)組合下柱底內(nèi)力約6200kN，共80 個基礎(chǔ)；邊跨柱底內(nèi)力約4500kN，共46個基礎(chǔ)。

3.1 鉆孔灌注樁方案

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，以旋挖樁及沖孔樁為代表的鉆孔灌注樁施工技術(shù)已經(jīng)非常成熟，該技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，效率高，質(zhì)量有保證等優(yōu)點使其廣泛適用于不同地層項目中。巖溶地區(qū)灌注樁有其獨特的適用性，但需根據(jù)溶洞和土洞不同情況做不同處理，常見的有拋填法、注漿法、灌素砼以及下鋼套筒等。溶洞高度小且無充填物或注滿水時可用拋土、石等以形成護(hù)壁再成孔施工。當(dāng)探得溶洞高度3m 內(nèi)且洞內(nèi)填充或半填充時可填砂石和注漿，再沖擊片石擠壓到洞邊形成水泥漿碎石護(hù)壁，待達(dá)到強(qiáng)度后繼續(xù)沖擊穿越溶洞；若洞內(nèi)無填充或少填充時可向洞內(nèi)填混凝土干料，待固結(jié)后即可沖孔施工。而對于高度達(dá)5m 的多層溶洞且間距較小時需鋼護(hù)筒穿越處理。高度大于5m 的多層溶洞且間距較大時，需采用鋼護(hù)筒法施工，這對成本影響較大。

采用灌注樁方案時，多采用單柱單樁方案，承臺小，對土層擾動少，成樁可靠。對土層穩(wěn)定性及溶洞、土洞處理要求也較低，只需處理樁位處土洞即可。按地勘參數(shù)及荷載情況，本項目采用0.8m及0.9m的灌注樁方案，單樁豎向承載力特征值分別取5100kN 和6200kN，灌注樁穿透溶洞過中風(fēng)化巖1m 以微風(fēng)化灰?guī)r為持力層，樁身混凝土為C45。灌注樁均為單柱單樁方案以使基樁及承臺成本最合理。根據(jù)平面布置，邊跨統(tǒng)一取0.8m的灌注樁，共46 根，中間跨取0.9m 的灌注樁，共80 根。其中0.8m 和0.9m 灌注樁綜合單價分別按1850 元/m 及1950 元/m 估算。按地勘報告數(shù)值，入微風(fēng)化巖1m 為持力層，樁長平均值約21m，樁基總造價共506萬元。

3.2 PHC樁方案

PHC 樁的抗壓強(qiáng)度高，在工廠高溫高壓程序化生產(chǎn)使其質(zhì)量可靠，施工速度快，成本低，成樁完成即可進(jìn)行檢測，大大縮短了工期，深受業(yè)主和工程師的青睞。PHC樁能直接穿越土洞、溶洞而支撐在溶洞頂板上。因此，在巖溶地區(qū)使用PHC 樁應(yīng)考慮持力層深度、厚度及溶洞分布和發(fā)育等因素，從設(shè)計和施工方面盡量減少擠土效應(yīng)的不利影響。靜壓樁施工時承載力把握大，但巖溶發(fā)育嚴(yán)重地區(qū)擠土效應(yīng)明顯，對土層穩(wěn)定性要求高，因此全場大范圍的土洞及首層較大薄殼的溶洞均需處理后方可進(jìn)行管樁的成樁，以確保土層穩(wěn)定性。為防止持力層遇水軟化，首節(jié)樁完成后需進(jìn)行管內(nèi)填混凝土封底。

本項目PHC樁取500外徑，壁厚125的AB型樁，混凝土強(qiáng)度C80，按超前鉆判斷持力層及位置。溶洞較淺持力層到溶洞距離過小時需穿透溶洞以中/微風(fēng)化灰?guī)r為持力層。當(dāng)樁底無溶洞或持力層滿足時可以粉質(zhì)粘土層為持力層。本項目平均樁長19m，承載力特征值取1550kN。中跨和邊跨分別為單柱4 樁和3 樁承臺方案，樁數(shù)共458根。按綜合單價380元/m，總造價330萬元。

3.3 MC勁性復(fù)合樁方案

作為半擠土樁的一種，MC勁性復(fù)合樁是集PHC樁及旋噴樁優(yōu)點于一身的新型工藝技術(shù)。利用成本低的水泥土外芯提供摩擦力和PHC 樁高強(qiáng)抗壓作用來承擔(dān)豎向荷載，對周邊土層影響較小，成樁可靠，高效，能明顯地縮短工期。它是由柔性的水泥土M 樁及混凝土剛性樁C 樁組合而成，一般選用經(jīng)濟(jì)性較高的PHC 樁作為剛性樁。外芯水泥土根據(jù)土層狀況選用高壓旋噴樁或攪拌樁施工，成樁后壓入芯樁形成樁土共同受荷的復(fù)合樁型。當(dāng)C 樁長于M 樁時屬于長芯柔剛復(fù)合樁，適于上軟下硬的地質(zhì)區(qū)域。反之屬于短芯柔剛復(fù)合樁，適于上硬下軟的地質(zhì)區(qū)域。長度相等的為等芯柔剛復(fù)合樁[2]。本項目土層分布不均，砂層厚且無規(guī)律性，選用直徑800mm 雙管高壓旋噴樁為M 樁，水泥摻量18%。C 樁采用直徑400mm壁厚95mm的AB型PHC樁，內(nèi)芯與外芯長度取13m。對滿足要求的孔點樁底可不穿透溶洞層，以粉質(zhì)粘土為持力層。按JGJT327-2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》4.3.2 及地勘參數(shù)，單樁堅向抗壓承載力特征值取1250kN，最終以試驗為準(zhǔn)。中間跨柱下按5 樁承臺方案，邊跨按4 樁方案，總樁數(shù)584 根，按綜合單價400 元/m，總造價284萬元。

3.4 方案比選分析

表3 為以上三種方案的綜合性對比，表中并未考慮溶洞、土洞處理所需的工期和費用，也未考慮承臺的影響。

表3 三種方案的綜合性對比

在探明樁底持力層的情況下采用灌注樁方案能保證成樁質(zhì)量，且以風(fēng)化巖為持力層時有利于結(jié)構(gòu)沉降控制，單樁承載力高，單柱單樁的方案能降低承臺費用，對原狀土層擾動較少。但從上表知，灌注樁的成本遠(yuǎn)高于其它兩種樁型。灌注樁對持力層要求高，溶洞地區(qū)持力層完整性難以保證，且基樁施工后需待混凝土達(dá)到齡期后方可進(jìn)行檢測。因此，灌注樁從成本、工期及施工難度等方面均不太適合。

PHC 樁方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于灌注樁方案。但需保證樁底持力層的完整性。場內(nèi)土洞及溶洞率高，一樁一孔的超前鉆工作不利于工期和成本控制，且不滿足持力層的溶洞和土洞需進(jìn)行處理的量遠(yuǎn)大于灌注樁方案。另外，本項目各孔點土層分布不均，部分孔點中粗砂層較厚，管樁需引孔才能穿透，使工期和成本均無法保證。本樓棟無地下室，管樁方案的擠土效應(yīng)明顯，使承臺底一定深度的土產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。MC 勁性復(fù)合樁可在成樁14～28d進(jìn)行靜載試驗，灌注樁則需達(dá)到28d齡期，管樁一般施打完畢后即可進(jìn)行，這是灌注樁和MC 勁性復(fù)合樁所不具備的。

林本海[3]認(rèn)為，復(fù)合地基中剛性樁長過長會減少對持力層的壓力，若下部有溶洞，則采用復(fù)合地基將會更加經(jīng)濟(jì)和節(jié)約工期，減少施工難度。MC 勁性復(fù)合樁的擠土效應(yīng)介于管樁和灌注樁之間，很適用于軟土地基。以PHC 樁與水泥土共同受荷的復(fù)合樁型，具有明顯的優(yōu)越性，尤其適合本項目的地層和荷載不大的情況[4-6]。由表3 可知，MC 勁性復(fù)合樁方案的成本僅為灌注樁的58%，是PHC樁的86%，經(jīng)濟(jì)效益明顯占優(yōu)。據(jù)此，本項目采用等芯MC 勁性復(fù)合樁方案，以砂層或粉質(zhì)黏土為持力層。施工前按超前鉆對土洞及頂板厚度小于2.5m 厚的溶洞進(jìn)行注漿處理。由于砂層較厚，選用高壓旋噴樁進(jìn)行外芯的成孔和施工。最終，項目經(jīng)過試樁后承載力均達(dá)到了設(shè)計要求，且按極限承載力試驗時，試驗樁平均沉降量13mm，最大沉降量為21mm，沉降量較小，均滿足要求，且樁基礎(chǔ)施工大大縮短了工期。

4 結(jié)語

對土洞和溶洞的技術(shù)處理是本項目的關(guān)鍵，巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)的項目除了合理的設(shè)計方案外，還需有豐富經(jīng)驗的施工隊伍來保證工期及質(zhì)量。設(shè)計需按地勘的意見及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗對施工專項方案提供技術(shù)處理意見，且對于土洞和溶洞的處理方案并不是一成不變的，需按超前鉆結(jié)果、結(jié)合地勘、施工單位等意見進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。本項目只對工程樁方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對比，盡管灌注樁成本遠(yuǎn)高于其它方案，但其超前鉆數(shù)量、溶洞處理費用、承臺的成本及基礎(chǔ)沉降量均是占優(yōu)的。因此，選用何種方案應(yīng)綜合考慮多方面因素。此外，本項目采用13 米等長的復(fù)合樁會導(dǎo)致樁底可能支撐在不同持力層上，對沉降差控制嚴(yán)格或位于強(qiáng)壓縮土層的建筑還需考慮沉降帶來的不利影響。