复杂地质条件下大吨位桩与土复合地基施工技术研究

刘长军LIU Chang-jun

（中铁一局集团建筑安装工程有限公司，西安 710000）

0 引言

随着我国经济的高速发展，高层建筑、大型桥梁以及各种大型构筑物如雨后春笋般地兴建，但因我国幅员广大，地质条件差异极大，南方与北方、内地与沿海、山区与平原、高原与丘陵有截然不同的地质条件，在大多数情况下，为了控制上部建、构筑物的沉降、倾斜，设计人员会采用较为稳妥的桩基方案——大吨位端承桩或摩擦桩[1]，并没有利用基础承台或筏板下可能存在的承载能力较好的岩土，使基础设计形成巨大的浪费。在岩溶地质条件下存在石芽、孤石、岩面起伏或基岩崩塌时单面岩层缺失等复杂情况，即使采用大吨位桩基也难以克服不均匀沉降的问题。

传统的桩-土复合地基，采用的是预估法[2]：预估桩、土分别承担荷载的比例。预估法无法量化，有很大的偏差，使底板、桩承台出现较大的次应力，甚至出现由桩或土单一负荷，复合地基失效的情况。

近年来，在一些高层建筑的大口径桩顶上设置可调节沉降器、承台之间土上铺设褥垫层等措施，可以实现桩-土共同承担上部荷载的新型复合地基，也能大幅度降低基础工程造价。在岩溶地质区，通过在灌注桩顶设置可调节沉降器可以解决岩土软硬不均，沉降差异较大的问题。

1 工程概况

工程位于厦门海沧区，二栋30 层的住宅由三层群房连成整体，地下室二层，总建筑面积32500m2。场地中地层自上而下有：杂填土、粉质粘土、砂土、花岗岩残积土、花岗岩等，场地中分布有大量的孤石，孤石竖向厚度从0.4～17m 不等，有的呈串状分布。试打桩采用φ800m 的冲孔桩，3 根桩均碰到大直径孤石，无法穿越，以失败告终。经分析，采用天然地基存在巨大风险，最终确定采用大口径人工挖孔桩顶加设可调节沉降器+天然地基的复合地基作为基础，如图1。

图1 新型复合地基原理图

通过在大吨位桩顶设置可调节沉降器[3]使承台（或筏板）在上部荷载作用下有一定数量（一般50～150mm）沉降空间，此阶段基础底板压在桩间土上，由桩间土持荷，可调节沉降器受到压缩；当桩间土被压缩至一定量时，在可调节沉降器四周注入水泥浆，使承台与大吨位桩基刚性连接，此时上部荷载转由桩基才承担，桩间土发挥了最大的持荷作用而且不至于失稳；承台之间土上铺褥垫层使不均匀的土体更为合理分配荷载，从而形成可量化的桩-土分担荷载复合地基。

2 施工技术及操作要点

2.1 大吨位桩基承载力确定

大吨位桩基一般采用冲钻孔工艺或人工挖孔桩，其极限承载力标准值，按下式确定：

式中：Qsk——总极限侧阻力标准值；

Qpk——总极限端阻力标准值；

μ—— 桩身周长；

ψsi——大直径桩侧阻力尺寸效应系数；

qsik——桩侧第i 层土极限侧阻力标准值；

li—— 桩侧第i 层土的厚度；

ψp——大直径桩端阻力尺寸效应系数；

qpk——极限端阻力标准值；

AP——桩端面积。

2.2 桩基数量优化计算

采用大吨位桩-土复合地基时，可把地基承载力充分利用，因此桩基数量可按下式计算：

式中：Fk——荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力；

Gk——桩基承台和承台上土体自重标准值，对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力；

fa——经修正后地基土承载力特征值；

Ac——承台底扣除桩基截面积的净面积；

Ra——单桩竖向承载力特征值；

n——桩基中基桩的数量。

2.3 可调节沉降器的选择

可调节沉降器应根据承载能力和变形能力二个因素确定[4]；其承载能力应大于设计要求的单桩极限承载力，一般可选择承载能力5000kN～10000kN 的沉降器；其变形能力应大于设计要求的桩间土体沉降量的1.5 倍。一般可选择变形量大于150mm 的沉降器。

一般采用冲（钻）孔施工工艺；地下水位较深且桩较短的情况下也可采用人工挖孔工艺。当采用冲（钻）孔工艺时，冲（钻）进时采用正循环排浆，清渣时采用反循环，并且在下放钢筋笼后浇灌混凝土前应进行二次清渣，确保沉渣厚度不超过30mm。桩端进入持力层不应小于1d。

岩溶地质条件下施打大吨位桩，常常会发生桩孔中浆液面标高下降或浆体突然消失现象，此时应提起冲锤向桩孔中填入粘土、石块等，填充高度应超过塌孔面2m 以上，然后再冲击成孔；当溶洞较大或岩层裂隙水流较急时，可在桩孔中填入C20 等级的混凝土，48h 后再冲孔；当遇到石芽岩面时，可填入块石与粘土的混合料，比例为块石：粘土=1:2，若还是无法阻止偏孔，则应在旁边一定范围内重新开孔。

桩定超过设计标高的混凝土应凿除，若标高以下混凝土强度或密度不够也应凿除，露出新鲜混凝土面，并用钢丝刷和压力水把桩顶混凝土面清除干净；若桩顶标高不足，可用比桩身混凝土等级高一级的混凝土补浇至设计标高面；桩顶钢筋长度保留500mm 长。

可调节沉降器的底座为一组带有锚固钢筋的钢板，钢板之间由L50×50×5 的角钢连接，焊接时必须保持钢板在一个平面内。底座与桩顶间预留的500mm 高度空间应安放五层钢筋网片，网片用φ8@100 钢筋焊接而成，网片层间距离为100mm，用架立钢筋定位。

可调节沉降器的底座安放于钢筋网片上方，并使底座中心的定位螺母与桩中心重合，平面位置误差不大于10mm；调整底座的标高和平整度，标高误差不大于5mm，平整度误差不大于2mm；然后用电焊方法把底座下的预留锚固筋与桩顶锚固筋焊接固定，确保底座牢固不会移动和变形。

底座安装固定牢固后，桩周支设模板；再次复核底座的平面位置、标高、平整度等，符合要求后可浇筑混凝土，底座混凝土应比桩身混凝土高一等级，混凝土塌落度控制在50～80mm，用振捣棒振捣密实，混凝土表面用铁棒子抹平压光，其标高应比底座钢板高出2mm；清除底座钢板上的残余浆体，24 小时候拆模，并用土工布覆盖，浇水养护7d，如图2。

图2 底座外观图

拆除可调节沉降器的临时固定螺栓，逐个轻轻放置于底座钢板上，可调节沉降器钢板薄的一面朝上，其中心应与底座钢板中心重合，位置确定后，把可调节沉降器的下缘钢板与底座钢板点焊固定，电焊宜采用二氧化碳保护焊，焊点间距为50mm，如图3。

图3 可调节沉降器安放后的外观

变形标识杆是用来测量可调节沉降器的绝对压缩变形量的标尺，根据变形量可推算出桩所承担的荷载，其公式为：

式中：R——基桩承担的荷载；

K——可调节沉降器的弹性系数；

s——可调节沉降器的压缩变形量。

因此，保持变形标识杆的完好性非常重要。

变形标识杆是一根带有数字刻度的钢条，位于可调节沉降器群的形心位置，一般也是基桩的中心。通过标识杆下端的水平筋与底座钢板焊在一起，保持竖直状态。

侧护板和上盖板的功能是将可调节沉降器群封闭在一个独立的空腔中[5]，保证可调节沉降器和变形标识杆不受到外部损坏，并使可调节沉降器能自主变形。因此，应检查桩顶除可调节沉降器和变形标识杆外不得有其他异物，再把上盖板穿过变形标识杆上端放在可调节沉降器上，保持变形标识杆处在上盖板设的导管中心，相互之间设有摩擦作用；位置确定后把侧护板与桩顶之间的空隙用木楔顶紧，如图4。

图4 上盖板安装后的外观

在上盖板靠近边缘处预留2～3 个φ30mm 的注浆孔，注浆管可选用φ48 无缝钢管，钢管中心与注浆孔中心对齐，再与上盖板电焊，焊缝厚度δ=5mm，周边应满焊无缝隙，注浆管的长度应比承台厚度大200～300mm，便于后期注浆，注浆管上口应用纺织布临时封堵，防止异物掉入空腔中。

侧护板外侧应回填中砂，砂应干净无杂质，特别不能有较大颗粒的石块混入，目的是保证侧护板在上部荷载作用下能自由下沉，砂层无密实度要求，但必须填充满整个凹槽。

当地质条件复杂，桩间土非常不均匀特别是有浅层孤石或溶洞时，在承台之间铺设褥垫层能有效均衡天然地基土的承载力，减少基础底板的次应力，提高复合地基的效果。

2.3.1 施工用材料

①褥垫层材料应为级配砂石，石∶砂=3∶7，石子粒径20mm～40mm，含泥量不大于5%。

②褥垫层的加筋体土工合成材料采用钢塑复合土工格栅，格栅强度不小于80kN/m。

2.3.2 褥垫层施工

①采用填筑法施工，分段分层摊铺，用手推车或塔吊吊斗将级配砂石运载至基坑底部，人工摊平，虚铺厚度20～30cm，用打夯机反复打夯，密实度达到93%以上。

②褥垫层不得在浸水条件下施工，当有地表水时应挖排水沟疏干，地下水位较高时应采用深井降水法降低水位。

③若级配砂石较为干燥，采用喷淋装置均匀洒水，使填料含水率在10%～15%之间，再行夯压。

2.3.3 土工合作材料加筋体施工

①土方挖至设计标高后，可进行土工格栅的铺设施工。

②土工格栅要铺设完整，搭接宽度为30cm。

③铺设土工格栅应连续作业，拉平绷紧，不得出现扭曲、褶皱，端头要固定；土工格栅铺好后尽快填砂、石料。

④砂、石料夯实后表面应平整，然后再铺设面层土工格栅。

⑤面层土工格栅铺好后浇筑100mm 厚C15 素砼垫层。

基础承台、底板施工过程中应重点保护可调节沉降器、变形标识杆，注浆管等设施不被破坏。

在上部建筑物的荷载作用下，桩间土达到承载力特征值时，或可调节沉降器的压缩量达到额定值时，应对可调节沉降器的空腔进行注浆。

注浆材料宜选用商品灌浆料，若采用现场配置，可采用水灰比不大于0.5 的纯水泥浆。

注浆可通过预留的三根注浆管中的一根灌注即可，注浆压力应不小于0.5MPa，注浆应连续一次完成，注满后保持压力3min 以上，注浆完成后应将注浆管口封紧严密。

沉降观测包括建筑物的沉降观测和可调节沉降器的沉降观测，通过变形标识杆直接读取下沉数值；主体结构施工期间每上一结构层应读取一次，装修期间按每十天读取一次数值或每增加建筑物总荷载的5%读取一次数值，直至建筑物稳定时为止。

桩顶超灌混凝土应凿除干净，露出新鲜密实的混凝土平面，二次浇捣的桩顶混凝土厚度不应少于500mm。下垫板应有足够刚度的支承杆，支承杆支顶在凿除干净的桩顶面，并与钢筋网片焊接固定；下垫板的倾斜度不应大于1%。可调节沉降器的平面位置误差不应大于10mm，标高误差不应大于5mm。可调节沉降器与下垫板之间应有可靠的联结；变形标识杆与下垫板应焊接牢固，垂直度偏差不应大于1%。

3 结束语

工程完工后工程沉降已稳定，最大沉降51mm，最小沉降27mm。工程结构未发现下沉导致的裂缝，节约工程基础造价45%，约550 万元，效果良好。

该施工技术是一种区别于传统复合地基的型式，不仅可充分发挥桩间土承载作用，而且使桩与土承担荷载量化，桩间土变形得到完全控制，让桩与土变形协调，共同持荷。它适用于基础底部为为粘土、砂质土、粉土、残积土的多层、高层建筑物或其他大吨位桩基的构筑物；在岩溶地质区采用此复合地基有独特的优势。由于充分发挥了桩间土的承载能力，减少了用桩量；不均匀地质区可合理调整桩长和桩数量，使基础工程造价大大降低，降低造价40%～70%。