扶西项目场地地质条件及长螺旋施工支护桩受力分析

曾维楚 戴小岳

通过对融创佛山扶西项目场地详细地勘，对基础支护方案的进行了分析与评价。在对拟采用的2种支护桩类型的优缺点、可行性、设计施工难易度做了较为详细的评估之后，最终拟定长螺旋施工支护桩为基坑支护设计方案。为了证明该方案的安全性，对采用长螺旋支护桩的该基坑进行了有限元的计算与分析，结果表明该设计方案具有较高的安全储备，在变形与强度方面均满足设计要求。最后，提供了几点对该工程具有一定实用价值的建议与结论。

地质条件; 支护桩; 基础类型; 有限元分析

TU94+2 A

［定稿日期］2022-04-21

［作者简介］曾维楚（1986—），男，本科，工程师，从事岩土工程施工与技术管理工作。

1 工程概况

融创佛山扶西项目位于南海区扶西工业区，海五路以北、货站路以东，项目被滨河路分割为2个地块，总用地面积为72 963.73 m2。全场区设置2层地下室。

2 基础方案分析与评价

2.1 基础方案

（1）场地内以素填土、淤泥质土、粉质黏土、中砂等为主，软土厚度较大，易液化土层相对发育，本项目拟采用桩基础。根据地质条件情况，主楼采用钻孔灌注桩，以中、微风化岩作为桩端持力层［1］。

（2）对于商铺及其他裙楼部分，拟采用预应力管桩，以强风化岩层为桩端持力层。

2.2 桩基础成桩可行性分析

2.2.1 钻孔灌注桩基础

该地块拟建高层建造，建议根据建筑上部结构、荷载及建筑沉降变形要求，采用钻孔灌注桩，选择连续中、微风化基岩作为桩端持力层，桩长、桩径根据地质情况和上部荷载综合确定。采用桩径1.2～1.6 m，预估桩长40～50 m，嵌入中、微风化岩深度应不少于1d或按设计要求嵌岩［2］，需防止噪音及泥浆对周边环境造成污染。

单桩竖向承载力估算对于钻（冲）孔灌注桩，设计时，单桩竖向承载力特征值按下式进行评估：

Ra=u∑qsiali+upC2frshr+C1frpAp

（DBJ15-31-2003《建筑地基基础设计规范》）

最终单桩竖向承载力特征值由成桩后的荷载试验确定，桩基设计参数须结合佛山禅城区设计经验取值［3］。

场地中风化碎屑岩为软化岩石，因此在本工程中，中风化碎屑岩的frs和frp取5.00 MPa， C1取0.24，C2取0.032；中风化灰岩的frs和frp取10.00 MPa，C1取0.3，C2取0.04；微风化灰岩的frs和frp取25.0 MPa，C1取0.40，C2取0.045。

另外，对高层塔楼端承桩桩位应做超前钻，进一步探明桩端基岩的完整性及强度，超前钻的深度应加深一些。

2.2.2 预应力管桩基础

对于商铺及其他裙楼部分，经分析可以采用预应力管桩基础，桩径首选500 mm～600 mm，预估桩长25.0～35.0 m。采用锤击法（或静压法）沉桩，严格以贯入度作为终桩条件，以强风化岩为桩端持力层。桩长因地而异，以柱状图及剖面图为桩长配桩依据。局部地段强风化岩厚度较小或局部缺失，容易造成上软下硬、软硬突变的现象，因此桩端进入持力层时要严格控制桩的贯入速度，因为桩端达到中风化岩面时，冲击能量过于集中容易造成打烂桩头和断桩现象。

对于预应力混凝土管桩及未进入中、微风化岩的灌注桩，单桩竖向承载力特征值按广东省标准DBJ 15-31-2003《建筑地基基础设计规范》第10.2.3条提供的公式进行计算；最终单桩竖向承载力特征值由成桩后的荷载试验确定。桩基设计参数结合地区设计经验取值。计算公式为：

Ra=qpaAp+u∑qsiali

由于施工工艺和方法的原因，桩基础施工往往会对周边环境产生较大的影响，比如在施工时产生的振动、挤土效应等，具体分析：

（1）振动的影响：目前，桩基础的形式多种多样，施工方法也不尽相同。有些桩基础施工对周围环境影响较大，如在锤击桩的施工中，打桩振动容易造成附近建筑物墙体、地面等出现裂缝；钻孔灌注桩虽可以避免上述不良影响，但当桩穿过砂层时，若未能及时用泥浆护孔，则会造成涌砂、塌孔等，对周围已有建筑物构成威胁。因此，在城市建筑密集区，对桩基础施工方法进行选择时，应尽量避免采用振动或捶击式桩基础。

（2）擠土效应是指桩入土时挤开相应体积的土体，在桩周土体中产生较高的超孔隙水压力。经扰动的土体极易蠕动，表现为地表、浅层和深层土体发生竖向和水平位移。大量的土体位移会导致邻近建筑物基础的上抬、结构的变形、地坪和墙面的开裂。

基于对于环境的不良影响，应合理设计打桩的顺序，减少挤土效应。在场地一侧有邻近建筑物时，应背离建筑物由近向远处打桩；在场地空旷的条件下，应按先中央后周围，由里及外的顺序打桩；区域大时，采用跳打可使邻近建筑物变形趋于均衡，减少差异变形，防止或减少建筑物的倾斜；区域小时，采用间隔打桩，可减少土体侧向挤压力；设置垂直排水通道，可加快超孔隙水压力的消散，减少挤土现象；开挖防挤沟，进一步隔断打桩引起的挤土压力及超孔隙水压的传递途径和减少浅层土的积压，从而起到减少对邻近浅埋管线和基础的影响［4-5］。

3 长螺旋施工支护桩有限元分析

本文采用大型有限元程序ABAQUS分析，ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，ABAQUS是功能最强的非线性分析软件，可应用在建筑、勘查、地质、水利、交通、电力、测绘、国土、环境、林业等领域［6］。

3.1 有限元模型的建立

扶西项目基坑支护工程设计平面见图1，从图1中可知，基坑两侧设置了水平支撑，中间狭长部分未设置水平支撑，通过支护桩进行支护，有限元计算以这部分为分析对象。

由于基坑范围较大，计算中，取中间狭长无横撑部分作为有限元模型建模范围，取土范围为60 m×80 m×30 m，基坑开挖范围为40 m×60 m×5.2 m，支护桩径为0.85 m，长度为20 m。土体本构模型采用摩尔库伦模型，根据地勘报告取土体参数如表1所示。

模型中，桩土相互作用采用界面单元处理。模型底部施加完全固定约束，在两侧施加竖直滑动约束，模型表面则取为自由边界。模型共计19 096单元，节点数17 810个，单元全部为实体单元。有限元模型如图2、图3所示。

3.2 分析结果

图4为整体总变形云图，可以看到基坑底部隆起，在基坑周围有一定的变形，由于支护桩的作用，变形量只有5 mm左右，说明支护桩的支护作用明显，证明证明设计采用长螺旋施工支护桩非常合理。

图5～图8这4幅云图分别代表总变形、X方向变形、Y方向变形及竖向变形，桩顶的变形量最大，变形规律符合实际情况，变形量控制在10 mm以内。

图9、图10这2幅云图分别代表支护桩轴向应力及X方向水平应力，最大轴向应力为0.6 MPa，证明安全储备较高，满足设计要求。

4 结论

（1）本场地位于佛山沉降区，基岩的岩性为白垩系百足山组（K1b））褐红色、灰红色粉砂质泥岩、泥岩及石炭系测水组（C1c）灰岩等组成，风化程度差异大，中、微风化岩埋藏较深，施工中未发现明显的破碎带或断裂构造，基岩稳定性良

好。适宜兴建各类建筑物。

（2）场地内第四系土层主要为素填土、淤泥质土、粉质黏土、中砂等，根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》划分，本工程的建筑场地土类型为中软土，场地类别主要划分为Ⅱ类。场地内发育易中等液化砂土，建筑场地处于对建筑抗震不利地段。

（3）钻孔灌注桩（或旋挖桩）成桩难度不大，但该桩型在饱和砂土发育中易产生塌孔，在软弱土及黏性土中易产生缩径，要特别注意成桩质量，同时注意泥浆对周围环境和水体的污染。

（4）建议进行试桩以确定施工参数，并进行单桩静载荷试验（或抗拔试验），以确定单桩竖向承载力设计值或特征值。

（5）通过有限元计算分析可知，设计中采用的长螺旋施工支护桩变形和强度均能满足结构安全要求，证明了设计是合理的。

（6）场地地基岩土工程地质条件复杂，灰岩岩面起伏变化较大，且存在溶洞、溶沟。溶、土洞的规模较大，对于单个溶洞、土洞一一查明，难度及工作量都比较大，溶洞、土洞的形成和发展，是有规律，但也是比较复杂的，即使是一柱一孔，有时也难以完全控制，因此建议在楼房基础施工时，进行超前钻，以指导施工。

（7）基坑开挖后，坑底会出现一定面积的软弱土层，以淤泥质土为主，为高缩性软弱土层，土体工程性质较差，坑底应进行软基处理，处理方法可采用素混凝土桩、水泥土搅拌桩形成复合地基基础，在出现面积较小的地段则建议采用碎砖渣进行回填。

参考文献

［1］ 陈浩文，殷国乐，王艳丽，等.旋挖钴机用气动潜孔锤反循环硬岩钻进技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程）.

［2］ 贾学强，张继光，罗延严，等.旋挖钻机碎岩计算方式的分析探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（6）：23-27，32.

［3］ 罗晓伟，车国喜，刘斯全.复杂环境工况下大型深基坑工程施工技术［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（2）：86-91.

［4］ 刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］. 2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［5］ 范崢，钟久安，何非凡，等.高聚物复合堵水浆材在岩溶地区深孔帷幕灌浆中的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（1）：86-90.

［6］ 冯涛，蒋良文，张广泽，等.川藏铁路雅康段隧道水热害评估方法探讨［J］.铁道工程学报，2016，33（5）：11-17.