1 工程概况
深圳 / 水晶之城 0 住宅区占地面积十多万 m2, 地处丘陵山地。 其中 ,46 号 楼为连体带人防地下室 , 框架―剪力墙结构 , 主体 11 层 , 部分仅地下室 1 层 ( 图 1), 建筑面积 1 万多平方米 , 周围各幢桩基已完成 , 施工场地受限制。 根据原地质勘探资料 , 桩基持力层是强风化细砂岩 , 岩 层埋深 12~ 30m 不等 , 基础设计采用锤击管桩 , 承台埋深为 - 6.10m, 为减少送桩深度 , 场地先挖至 - 3.90m 。 但工程锤击试桩 7 根 , 出现断桩 4 根 , 情况异常 ; 后经补充钻探发现与原地质报告不符 , 桩基持力层主要是微风化灰岩 , 于是将部分锤击管桩改为静压管桩基础。
2 地质情况
补充钻探资料结果显示 : 基础区域内存在灰岩 , 埋深 10~ 21m, 深浅变差大 ; 灰岩中局部有溶洞 ( 土洞 ) 发育存在 , 洞高在 0.2~ 0.7m 之间不等。 持力层为灰岩的区域土层划分及性质如下 : ①杂填土 : 层厚 0.5~ 3.0m, 黄褐色 , 以砂质粘土为主 , 稍湿 , 松散。 ② 有机质粘土 : 层厚10~ 5.1m, 土灰褐色、 灰黑色 , 稍湿 - 湿 , 可塑 , 不均匀含有机质。 桩侧摩阻力特征值 q sa = 10kPa 。 ③ 粉质粘土 : 层厚 2.7~15 1 3m, 土黄色、 灰白色、 褐黄色 , 稍湿 - 湿 , 可塑 - 硬塑 , 底部有岩石碎块。 q sa = 40kPa, 桩端阻力特征值 q pa = 2000kPa( 桩入土深 9~ 16m) 。 ④ 微风化灰岩 : 层厚 2.5~ 4.5m( 未穿透 ), 埋深 10~ 21m, 浅灰色、灰色 , 隐晶质结构 , 岩质坚硬。 局部有溶洞或土洞 , 洞高 0.2~ 0.7m 。 q pa = 9000kPa( 桩入土深 9~ 16m) 。 图 2 、 3 为较有代表性的 ZK3 、 ZK27 钻孔地质柱状图 ( 部分 ) 。
3 设计变更
灰岩主要分布于本建筑物中间区域 ( 图 1), 中间 部位埋深最浅 为 10m, 周边埋深为 17~ 21m, 东、 南、 北端部为强风化细砂岩地质。 根据补充地质资料和场地的 实际情况 , 工程桩基设计作如下变更 :
(1) 主要以静压法施工代替原设计的锤击法 , 但在强风化细砂岩地质区域及因受场地限制静压桩机无法施工 的周边柱位桩 , 仍用锤击法施工。
(2) 降低单桩承载力 要求 , 桩径 < 400 单桩竖向承载力特征值降为 720kN, 桩径 < 500 降为 1120kN 。
(3) 为了消除灰岩溶洞及 岩面陡坡对桩基长期稳定性的影响 , 要求静压桩施工时 , 压桩压力 为桩承载力特征值的3.1~ 3.7 倍。
工程按上述措施与要求施工 后发现 < 400 管桩断桩率仍非常大 , 达到 28.7%; 经施工、 设计、建设、 监理等单位协商后决定用桩径 < 500 替换 < 400 管桩 , 此时 , 断桩率降至 5.9% 。
4 施工质量及验收情况
完成管桩施工 446 根。 其中 , 灰岩区域静压法施工管桩249 根 , 坏桩 42 根 , 平均坏桩率 16.9% ( 表 1) 。
工程对 6 根管桩进行单桩竖向承载力静载试验 , 全部达到设计要求。 试验最大沉降量 6.83mm, 最小 2.46mm, 均未达到极限。 其中 ,177#桩 < 500, 桩底断烂 , 该桩施工终止压力 2720kN 。
5 实例分析
上述工程管桩断桩量较大 , 基础设计和施工经历了一个多次的修正过程 : 从单纯的锤击法施工到改为锤击法和静压法并用 , 为了防止断桩将管桩桩径 < 400 改为 < 500; 合理利用断桩 , 减少经济损失 ; 采用合理的基础形式等一系列措施 , 解决了管桩基础应用于灰岩地质中碰到的一些问题。 而造成这一过程发生的原因是多方面的。
(1) 工程地质资料原因 : 原钻探资料中有一个孔位发现灰岩 , 埋深 15m, 按规范[1]要求 , 该孔周围应加密布置钻孔 , 以摸清灰岩的分布、埋深 , 存在溶洞的 , 应查明其大小、 位置、分布规律等 , 对荷载较大的单独柱基位置需布置钻孔。 钻探报告未能提供准确的地质情况 , 致使原设计使用了不合理的施工技术要求。
(2) 灰岩地质本身的原因 : 补充钻探资料显示 : 灰岩矿物主要成分为方解石、 次为石英 , 隐晶质结构 , 致密块状构造。由于灰岩体新鲜坚硬 ( 微风化 ) 的特性 , 造成工程打桩困难 : 且灰岩埋深主要在 10~ 16m 区域 , 容易造成所谓 / 上软下硬 , 软硬突变 0地质条件下的断桩 , 其特征是管桩在底部破损断裂 , 与强风化岩地质容易于桩顶位置爆桩有明显的不同。
灰岩体复杂多变 : 存在溶洞的发育、灰岩断裂带及分界面、岩面起伏、 坡度大等 , 造成持力层灰岩面落差大 , 深浅不一 , 加大了施工难度。
(3) 设计选择原因 : 除了考虑溶洞、 岩面不平坦、管桩无法嵌入基岩等对桩基长期稳定性的影响 , 造成单桩竖向承载力偏低外 , 还应充分认识到灰岩地质本身复杂多变 , 施工容易造成断桩的危险 , 不可采用传统的、正常条件下的做法进行设计 , 静压桩最大施工压力 ( 终止压力 ) 应有别于普通地质条件下取值并作限制。 上述工程为了消除溶洞的影响 , 把终止压力加大到桩承载力特征值的 3.1~ 3.7 倍 , 相当于桩身竖向极限承载力的 80% , 该终止压力要求在一般地质条件下是可行的 , 但在灰岩地质下却是施工压力要求偏高 , 造成了断桩量大。
另外 , 桩径不宜过小 , 小桩径刚度不足 , 容易断桩 , 相当多桩径 < 400 管桩断桩时施工压力不足800kN 。 后来将桩径 < 400 管桩改为 < 500 后 , 才将断桩率降下来。
(4) 施工配合的原因 : 需要配合设计 , 根据地质的具体情况 , 做好管桩的桩长、 施工压力等的控制 , 在施工过程及时修正、完善各项技术参数。
6 质量控制措施
综合考虑灰岩地质的特征 , 采用下列若干措施 , 确保基础质量。
(1) 应有充分的地质资料保证 : 必须提供灰岩面的分布、 埋深、 走势及溶 ( 土 ) 洞大小、 分布规律等 , 加大钻孔布置密度 , 尽可能每柱位布置钻孔 , 必要时结合物探方法 , 给设计和施工提供依据。
(2) 选择适当的施工方法 : 锤击法和静压法施工各有优缺点 , 但对一般的灰岩地质 , 由于极易断桩 , 预防及控制断桩便成为设计和施工关键。 而静压法施工可根据桩机压力表读数初步确定桩承载力及据此直观判断桩的完整性 , 可以减轻岩面冲击反力、 减少断桩 , 有利于桩身质量控制 , 以上优点使得它成为灰岩地质管桩施工的首选 ; 一般不宜采用锤击法施工。
(3) 控制断桩率 : 在一般的地质条件下 , 不管是锤击法或静压法施工 , 施工损 耗率均小 于 1% ~2% 。 但灰岩地质复杂多变 , 断桩很难避免 , 且数量较大 , 一般可以通过加大桩径等措施予以控制 ; 针对断桩多发生于灰岩面埋深较浅 (10~ 16m 内 ) 区域的实际 , 认为断桩率控制在 4% ~ 8% 内为合适 , 它对工程总造价影响较小 , 且施工质量较好控制。
(4) 管 桩直径不宜小 于 < 500 及 B 型 桩的选用 : 实际施工发现 , < 400 管桩在很小压力下很容易断桩 , 质量控制难度大 ; 而加大桩径、 增强桩刚度 , 则能大大减少断桩量。 如表 1 统计 , 用 桩径 < 500 管桩代替 < 400, 断桩率相应也从 28.7% 降至 5.9% , 不管从经济还是安全方面考虑都是较合理的。 另外 , 目 前普遍存在一个问题 , 就是不管 地质条件如何 , 只考虑抗压而忽视抗弯设计 , 一律选用 A 型管桩 , 这对于抗弯折能力要求较高的灰岩地基来说是欠妥的 , 建议灰岩地基选用抗弯性能相对较高的 B 型管桩。
(5) 确定静压桩的施工终止压力及承载力 : 利用加大静压压力的办法 , 可以一定程度消除溶洞、岩面不平坦、管桩无法嵌入基岩等对桩基长期稳定性的影响 ; 但为了减少断桩 , 其值控制在桩身竖向极限承载力 60% 范围内为宜。 施工中发现 , 入土 10~16m 的管桩 , 当终止压力控制在 60% 桩身竖向极限承载力时 , 断桩率较小 , 该压力较为合适 ; 当加大到80% 桩身竖向极限承载力时 , 断桩率增大至 15% ~30%, 参见表 1 。 如 PHC 管桩 < 500( 砼 C80, 壁厚100), 按规范[2]计算 , 桩身 额定承载力设计值为2826kN, 其桩身 竖 向 极 限 承载力 标准值推算为4660kN, 那么 , 终止压力按 60% 桩身竖向极限承载力计算取值为 2760kN 。 另外 , 单桩竖向承载力特征值[1]可按终止压力 除以 2. 5~ 3.5 取值 , 如上述< 500 管桩承载力特征值取值可在 790kN 至 1100kN之间 ; 当灰岩面较陡坡、 有溶洞发育时取低值 , 当然 , 取值也应考虑地质情况。 静压桩的承载力应有别于普通地质条件下取值 , 其取值模式可归纳为 :1) 终止压力 [ 60% 桩身竖向极限承载力 ;2) 单桩竖向承载力特征值 = 终止压力除以 2.5~ 3.5 。 灰岩面埋深超 16m 或上层土层摩阻力较大时 , 断桩情况有较大改善 , 可根据土层分布情况确定单桩承载力。但上述施工终止压力仍应受限制。
(6) 选择桩尖 : 根据现场试验对比 , 使用 / 尖口型 0 十字桩尖 ( 图 4) 明显 优于 / 平底型 0 桩尖 ( 图5) 。 由于灰岩面往往高差较大 , 起伏不平 , 使用 / 平底型 0 桩尖 , 如 / 十字式 0 、 / 米字式 0 、 / 锯齿式 0 , 容易于桩端处因支承点不平而产生偏心作用 ( 图 6), 桩端受力偏心 , 支撑点滑移而将桩压断。 而 / 尖口型 0 十字桩尖则有利于岩面反力居中 , 避免偏心 ( 图7); 且本做法桩尖刚度相对较小 , 压力作 用下可将尖端压钝 , 抵消部分压桩能量 , 减少断桩。 需要说明的是 , 由于灰岩地质管桩承载力取值较低 , 岩层端承力取值少 , 适当减小桩尖钢板厚度 , 可大大降低桩尖刚度 , 增强其柔性 , 降低岩面反弹反力 , 对减少断桩更为有利。
(7) 控制桩端入持力层 : 为了防止断桩 , 也曾尝试将桩端控制到接近灰岩面处 , 但因灰岩面变差太大 , 如很多同一承台相邻的邻桩长相差 1m 左右等 , 使得很密的钻孔也失去参照依据 ( 除非每桩钻一个钻探孔 ), 由于无法准确预测桩长而不得不将桩端打至灰岩面。 但灰岩岩面新鲜坚硬 , 呈微风化状 , 桩尖无法压入。 一般在桩端触及灰岩面时 , 压桩阻力快速上升 , 瞬间达到甚至超过终止压力 , 如 < 500 桩压力瞬间可高达 4200kN 以上 , 所以 , 施工时桩端一旦触及灰岩面 , 压力达到终压要求 , 即应终止压进 , 防止压力过分增大而发生断桩。
(8) 控制复压 : 通过复压 , 能在一定程度上验核及确保持力层的持续承载力 , 消除灰岩复杂地质的一些不稳定因素 ; 实际施工中 , 一些溶洞的顶板较为薄弱时 , 可以将其压穿消除。 通常在桩机压力达到设计终止压力后 , 卸载再复压 3 次 ; 但应当注意的是复压压力过大会引 起断桩 , 应当控制在终止压力值内。
(9) 利用断桩 : 按通常做法 , 断桩都在补桩后被废弃 , 但现场发现好多断桩在继续压入 2~ 5m, 将底部断裂部分 ( 灰岩地质桩断裂多发生在底端部 ) 压烂压入土中后 , 同样能达到稳定的终止压力 , 且压入的管桩碎块能相对挤密灰岩面土层 , 改善土层结构 , 使周围其他管桩施工更易控制终止压力 , 减少其他断桩。 静载试验中的 177#桩就是这种情况 , 经静压试验仍能满足设计要求 , 该桩降低承载力要求后被利用。
(10) 基础选型 : 在灰岩地质地区 , 一方面 , 只要桩尖所处岩面支撑面比较平稳 , 该桩承载力实际值必然大大提高 , 如部分 < 500 管桩施工最大压力 ( 复压瞬间 ) 达到 4200kN 以上 , 单桩承载力比上述取值可增加很多 ; 另一方面 , 个别桩可能在岩面滑移或反弹厉害 , 造成桩身 / 内伤 0 伤裂 , 却无法觉察 , 其长期承载力将会有所降低。 因此 , 总体上讲 , 桩承载力离散性相对较大 , 为了抵消其造成的不利影响 , 取长补短 , 基础可选用柱下条形桩基型式 , 或较高层时选用片筏式桩基。
7 结 论
在灰岩地质中使用管桩基础 , 应综合考虑灰岩的地质特征 , 采取可靠措施。 要求在桩型选择、桩的承载力取值、终止压力的确定等诸多方面根据经验确定的同时 , 也应结合现场具体情况试验而综合确定 ; 桩基基础选型应充分考虑管桩单桩承载力离散性大这一不利因素 , 利用基础进行综合平衡 ; 以达到安全、经济目的。
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