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某高层建筑地基基础问题方案的研究

发表时间：2020/8/7 来源：《基层建设》2020年第10期作者：汪奇备

[导读] 摘要：地基基础作为建筑物至关重要的结构部分，基础本身的特点使其具有极高的隐蔽性和不确定性，设计阶段很难对基础进行精确的分析计算，无论是勘察、设计、施工，管理、监督等过程都涉及不确定性的地质构造，本文以某商业综合体的实际案例作为研究对象，对桩基工程实际施工期间遇到的设计问题进行探讨研究，提出了从纯桩基基础到复合桩基的技术指导，有效的解决了桩基检测不合格等问题，最大化地平衡了质量、成本、工期之间的矛盾

        深圳机场航空城发展有限公司广东省深圳市 518000
        摘要：地基基础作为建筑物至关重要的结构部分，基础本身的特点使其具有极高的隐蔽性和不确定性，设计阶段很难对基础进行精确的分析计算，无论是勘察、设计、施工，管理、监督等过程都涉及不确定性的地质构造，本文以某商业综合体的实际案例作为研究对象，对桩基工程实际施工期间遇到的设计问题进行探讨研究，提出了从纯桩基基础到复合桩基的技术指导，有效的解决了桩基检测不合格等问题，最大化地平衡了质量、成本、工期之间的矛盾，具有较强的现实指导意义。
        关键词：桩基基础；复合桩基；检测；研究
        本文以实际项目案例为基础，阐述了在项目地基基础在设计及施工过程中遇到了的相关问题及处理方法，工程项目的一次性和永久性的特殊属性决定了地基基础是一个非常严谨的技术板块，而实际项目上的问题基于工期压力，成本压力等因素的多重叠加，要求在遇到地基基础问题时应快速有效的去解决，务必在保证安全的基础上尽量优化更多的成本投入，任何一个地基的问题都不是小问题，而任何一个问题都必须在最后得到解决。
        1. 项目概况
        本项目占地约2.2万平方米，建筑面积9.8万平方米，建筑用途为商业综合体，建筑主体由1栋10层办公楼（A座）、1栋18层公寓楼（B座）及3~4层商业裙房组成。附设两层地下室，平时为车库及设备用房，战时地下二层局部设核6级常6级、核5级常5级人防。高层塔楼采用框架-抗震墙结构，商业裙房及地下室采用框架结构，建筑物抗震设防类别为标准设防，建筑安全等级二级。塔楼外依据土层变化采用筏板基础及预应力管桩基础。地基基础设计等级为甲级。建筑结构安全等级为二级，耐火等级为一级。地震及风荷载参数详见表1。
        表1 地震及风荷载参数

        2. 场地地形与地貌、地层岩性
        场地原始地貌为冲积-海积平原，后经人工填土填高整平成为建设用地。北部场地临时建筑物已拆除，现为荒地，杂草丛生，多见建筑拆除残余基础及垃圾。现状地形较为平整，东、南稍高，西、北稍低。场地内钻孔孔口地面标高介于6.38～7.64m之间，最大相对高差1.26m。
        根据钻探揭露，场地内分布的地层有第四系人工填土层（Qml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）、第四系残积层（Qel），场地下伏基岩为加里东期混合花岗岩（Mγ3）
        3. 桩基选型与布置
        根据工程地质勘察资料，，勘察工程重要性等级为二级，场地复杂程度等级为二级，地基复杂程度等级为一级，岩土工程勘察等级为甲级。经过PKPM软件JCCAD计算提取的内力值，本工程拟采用预应力混凝土管桩(PHC1，十字型钢桩尖)，桩径D500，摩擦端承型桩，桩端支承于强风化花岗岩层，桩端阻力，特征值Qpa=4000KPa。要求桩端进入持力层1m(对照地质资料)，使贯入度达到控制标准，桩长不小于10m，桩基平面布置图详见图1。
        沉桩采用静力压桩进行施工，并以终压力峰值（单桩竖向承载力特征值的2倍）为终压控制条件，而且压桩在峰值下复压3~5次，复压时每次稳压时间不超过10秒，桩的总沉降量（贯入度）少于25mm。
        4. 问题描述
        1）在实际施工过程中，由于详细勘察报告的勘探点位间距为25m，在详勘报告中各勘探孔之间的土层变化为线性的变化过程，而实际现场的25m各勘探孔之间，在施工区域的实际土层为曲线的非线性变化，土层起伏较大，导致局部的实际进桩桩长不足10米，或远大于10米而未能达到终桩条件，个别桩接桩过长，不利于桩基质量控制。
        2）桩基检测过程中，采用2倍的特征值，分10级按不同时间段逐步加载，当加载到第7级时出现了跳跃式的变化，明显偏离正常值。
        3）考虑到二次复压后再检测会对原土体破坏更大，故在原检测不合格的基础上停止了检测，将检测设备及时撤离，待对检测不合格点位进行二次钻孔取样进行岩层分析后再做进一步作业。
        5. 原因分析
        1）详细勘察报告的局限性，详勘报告的布点间距一般是18~25米左右，地基基础设计方往往是根据过往设计经验及报告的岩层分布曲线图，按照线性变化去取其具体点位的最不利值，有一定的依据，但对于在地质起伏较大的区域，地质呈非曲线变化时就不是很适用，因本项目不是超高层，没有明确要求做超前钻，不能一桩一点或一个承台一个钻探点，故在实际施工过程中遇到了大多数沉管桩遇到的通用问题，在与原钻孔点距离较远区域，桩长要不过长要不过短。
        2）未探明的地质构造层中强风化岩层分布与已探明的勘探点位不一致，有效桩长的桩端未达到设计深度时就已经到达了持力层，或达到设计长度后仍未见稳定的持力层。
        2）个别区域存在0.2~0.5m长的强风化夹层，可能是孤石或软弱夹层。在送桩施工过程中，当桩端遇到孤石或软弱夹层时，较难突破夹层进桩，在施工过程中形成复压之后贯入度满足设计要求的假象，而后在检测过程中经持续加载，桩端突破了孤石或软弱夹层，贯入度明显增加。
        3）静压管桩本身是一种挤土桩，所以在施工的过程中产生挤土效应是不可避免的，具体的表现主要分为以下两个方面：一个是在挤土的过程中，桩周土体发生变形，从而对其周围的建筑物产生了一些影响；另外一个是在压桩后土体的应力状况会发生很大的改变，对承载力也有一定的影响，会造成近邻已压入的桩产生上浮，桩端被 “悬空”。
        4）压桩过程中孔隙水压力升高，造成土体破坏，未破坏的土体也会因孔隙水压力的不断传播和消散而蠕变，从而导致土体产生垂直隆起和水平位移。
        6. 解决措施
        结合现场情况，根据管桩的相关施工经验并通过已有的监测点位分析：在沉桩前后，即使监测点处的水平位移和沉降值均在规范值以内，未发生明显偏移，也需要尽量减少挤土效应的影响。
        1）减少挤土效应的影响，施工上，在压桩过程中，局部桩采用了引孔技术，相当于采取了预钻孔取土进行了土体置换，有效的减少挤土效应影响，对于施工未完成的桩基部分合理调整进桩速度及时间，合理设置应力释放孔，并加强水平位移及沉降监测。设计上，对沉桩的压力和桩长进行控制，主要以沉桩压力为主，根据实际合理调整桩长。
        2）地质勘察进行补勘，对检测不合格的桩附近进行原位补勘，并对每个群桩承台均进行2个点位以上的补勘。通过对补勘数据进行分析，检测不合格区域确实存在强风化夹层，厚度约0.5~1.0m左右。
        3）设计调整计算
        考虑到管桩已基本沉桩完成，全面二次复压会对土体及桩头造成破坏，加大基础安全风险。因此，原则上保留已有管桩，个别管桩作废桩处理，适当新增管桩数量来提高承台承载力，同时改变基础计算方式，将桩基础的计算方式调整为按照复合地基基础来计算。筏板按复合桩基础计算如下：
          （满足）
        其中，各土体相关的计算参数均按照现场的实际检测值，根据桩基检测出来的最不利单桩承载力值，并提取最大的柱底轴力作为计算依据：柱底轴力为22765KN；单桩承载力按1400KN计算；承台底面标高均为粉质粘土层，地基承载力特征值为210KPa；筏板下桩面积2.74m*m，柱下筏板7.5*7.2m。

        图2 基础节点详图
        初步估算按单桩1400KN（最不利）承载力的复合桩基础验算，基础满足计算要求。其余承台均按此原则复核，承台改筏板平面尺寸依计算结果做修改。
        7. 工程效果
        在大面积施工前，按照设计调整后的基础方案选定最不利承台基础底作为样板进行施工并检测，地基承载力均能满足设计及检测要求。
        8．案例反思
        本项目自遇到地基基础问题直至最终解决共耗时约一个多月，工期上给项目的正常推进造成了较大的影响，虽本问题是工程中较为常见的地质问题的反馈，但实际开发过程中却又是是任何一家参建单位均不愿意遇到的问题，基于此，有以下几点反思：
        1.按照常规的开发流程，从详勘进场至出最终报告，然后指导结构施工图设计，两者不同在一个时间段完成，往往详细勘察的资料对于施工图设计的指导缺乏有效的靶向性，而在设计施工图出图过程中，时间段任务重，大多数设计单位来不及等待勘察单位的二次进场再做设计决定，往往是先出图后解决问题。故在后期的项目中，对于采用管桩-承台的基础形式，可以在施工前再对每个承台多做一次二次补勘，即使花费一些额外的勘察费用，但确能够有效的避免未探明地质对工程的影响，相比花费巨大的成本去后期补做，停工整改等费用支出，勘察费用基本可以忽略不计，故利用二次补勘资料来重新审核设计是后期地基基础设计的重点。
        2.关于管桩的使用，管桩设计在最先使用于具体工程中时，是不不需要通过检测即可完成验收，近些年来引入了强制检测的验收流程后，由管桩暴露出来的问题越来越多，管桩的确有着施工作业快，成本较低的优势，在地质条件满足时是大多数开发商的选择，但近年来呈现如本案例类似的问题也较多，基于安全和风险可控的原则，该类桩型在设计使用时应多加考虑，偏桩，断桩，爆桩头，桩长不够，接桩过长等现象时有发生，给后期施工和验收使用带来了不少麻烦，反而增加了很多无效成本，对于承载力要求不大的基础，可通过灌注桩来实现，目前市场上成熟的冲钻孔施工体系也能保证合理工期和合理成本，但确在基础成型上却比管桩质量更高。
        3.关于基础设计的优化提升，在做结构基础计算设计时，按照不同的工况提取内力然后套用规范公式进行手工计算，不同工况下的组合以及上部内力的提取与设计人员的经验及设计习惯有着较大的关系，参考基坑设计板块引入的专家论证会强制制度，后期在结构地基设计时也可采用此制度，通过多个不同设计院的结构专家审核项目的基础选型和计算模型，计算过程，承载力的选择，桩径的选择等不仅仅是对设计本身的负责，也是设计师终身负责制的制度保证，将结构设计行业往更加规范，更加符合广大人民利益的方向健康发展。