岩溶区建筑桩与筏板方案分析比较

本文作者：苏金凌 黄文福 单位：广西华蓝设计

1工程概况

本工程位于广西柳州市，为地上35层、地下2层的商住楼，建筑高度为132m，属于超高层建筑，建筑占地面积为1113.7m2，总建筑面积为37052.06m2。本工程的抗震设防烈度为6度，设防类别为丙类，结构型式为剪力墙结构，抗震等级为三级。场地类别为二类。

2地质概况

2.1地形地貌根据场地附近工程的地质资料，拟建场地位于柳江正断层下盘，上覆第四系河流冲积的粘性土和碎石土，下伏地层为石炭系中统黄龙组白云岩。第四系和石炭系呈角度不整合接触。地貌上属于柳江右岸Ⅱ级冲积阶地。

2.2场地岩土层分布特征场地各岩土层分布及特征自上而下分述如下(土层剖面图见图1):(1)粘土①(Qal):黄色，可塑—硬塑，切口光滑，无摇震反应，高干强度，高韧性。分布于整个场地。层厚11.5～21.7m，平均15.83m。属中等压缩性土;(2)粘土②1(Qal):棕黄色，夹有灰白色，可塑，摇震反应中等，低干强度，低韧性。层厚约4.4m。属高压缩性土;(3)粉土②(Qal):黄色、棕黄，稍湿。摇震反应中等，中等干强度，中等韧性。层厚0.9～5.0m，平均2.81m。属密实性粉土;(4)卵石③(Qal):黄色，松散，饱和，有粘性土及粉土填充。层厚1.8～9.4m，平均5.5m;(5)白云岩④(C2h):灰白色，隐晶质结构，强风化，裂隙十分发育，岩体极破碎，属硬岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级，钻机跳动，岩芯钻干钻可钻进。层厚2.0～5.6m，平均3.5m;(6)溶洞充填物⑤1:以软塑状粘性土、粉土及砂类土充填，夹有碎石块;(7)白云岩⑤(C2h):灰白色，胶结好，隐晶质结构，中风化，裂隙发育，部分裂隙方解石充填，岩石较完整，属于硬岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，钻机钻进较平稳，局部跳动，漏水。钻探未揭露该层。

2.3场地水文地质条件在钻探深度内共揭露两层地下水，第一层属上层滞水，主要受大气降水补给;第二层属孔隙承压水，透水性强，水量大，与柳江水互补联系。但基底为弱透水层，厚度大。地下水对混凝土及混凝土中的钢筋无腐蚀性。抗浮设计水位为85.0m(基础面标高为79.10m)。

2.4岩土参数岩土主要参数取值见表1、表2。

3基础方案比较

3.1方案可行性基底持力层为粘土①，其承载力特征值fak=270kPa，按《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)中5.2.4式计算，修正后粘土①的承载力特征值fa=300kPa。Pk＞fa，不满足承载力要求，须对其进行地基处理以提高地基承载力或采用承载力较高的白云岩⑤作持力层。

3.1.1桩基础该场地的地下水水位较高，岩溶裂隙水含水层厚度大，而且水量丰富，对人工挖孔桩成孔影响很大，在成桩过程中须穿过位于地下水位以下的土层，以白云岩⑤为持力层，在地下水没有排干的情况下很难成孔;地下水对钻(冲)孔灌注桩成桩影响不大。本工程适合采用钻(冲)孔灌注桩。但是建筑层数多，结构荷载大，剪力墙间距相对小，按桩基础布置后，承台已经碰撞在一起，故须按桩筏基础设计。

3.1.2桩筏基础采用钻(冲)孔灌注桩，以白云岩⑤为桩端持力层，桩侧土层为粘土①、粉土②、卵石③和白云岩④，承载力特征值Ra=9000kN，桩径1.1m，共94根。筏板外挑2.5m，面积为1456㎡，筏板厚度为2.2m，筏板底持力层为粘土①，承载力特征值fak=270kPa。输入PKPM-JCCAD基础模块，验算桩顶冲切满足要求;采用“桩筏、筏板有限元计算”模块验算桩基承载力，桩顶压力为7000～8200kPa，满足设计要求;地基反力为130～160kPa，满足设计要求。沉降计算结果表明最大沉降在核心筒部位，为13mm;最小沉降在部位，为10.5mm，满足规范要求。综上所述，采用桩筏基础是可行的。但是该场地属于岩溶地区，基岩中溶洞发育，很多桩均遇到溶洞，桩长较长，因此采用桩基成本较高，工期较长，无法完成业主对施工进度的要求。

3.1.3CFG桩+筏板基础CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑和砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。CFG桩的适用范围很广，主要适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基，对淤泥质土亦有应用。CFG桩对独立基础、条形基础、筏基都适用。(1)根据土层分布情况，CFG桩桩端置于白云岩④上，以处理后的粘土①作为基础持力层。采用PKPM-JCCAD基础模块，筏板厚度2.2m，经计算，基底反力Pk=700～750kPa，核心筒位置最大，较小。(2)CFG桩复合地基承载力特征值fspk计算。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79－2002)，采用经验公式fspk=mRaAp+β(1－m)fsk进行计算，其中:β为桩间土承载力折减系数，因地基承载力较高，β可取0.90;fsk为处理后承载力特征值(kPa)，CFG桩采用长螺旋钻成孔泵送混凝土成桩施工工艺，属于非挤土成桩工艺，fsk取天然地基承载力特征值，fsk=300kPa。以正方形布桩，桩径d=0.5m，桩间距s=1.15m，面积置换率为14.80%，平均有效桩长13.5m，单桩竖向承载力特征值Ra=798.5kN。则复合地基承载力特征值fspk=832.2kPa＞750kPa。承载力计算满足要求。(3)CFG桩复合地基变形计算。地基处理后的变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2002)的规定执行，复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，加固区土层采用各向同性均质线性变形体理论。经计算，复合地基的沉降如下:1#(东南角)的沉降量s=39.1mm，压缩模量的当量值为34.4MPa。11#(西北角)的沉降量s=32.6mm，压缩模量的当量值为37.6MPa。4#(东北角)的沉降量s=35.8mm，压缩模量的当量值为39.2MPa。6#(核心筒)的沉降量s=32.0mm，压缩模量的当量值为44.9MPa。8#(西南角)的沉降量s=62.1mm，压缩模量的当量值为32.4MPa。最大倾斜率为0.00114(6#和8#钻孔)，平均沉降量为40.1mm，建筑物平均沉降量和整体倾斜率满足规范要求。(4)采用此基础方案须解决如下问题:1)按地基处理规范，桩距宜取3～5d(桩径)。本例因桩长受到限制，按正方形布置，置换率m≤8.7%，处理后地基承载力fspk=600.5kPa＜Pk=750kPa。经分析研究:处理范围的土层土质较好;可采用非挤土成桩工艺(长螺旋钻成孔泵送混凝土成桩)，对桩间土不产生扰动或挤密;在CFG桩施工结束后，采用注浆对桩间土进行加固，孔深至基岩面。具备以上条件，桩间距可取为1.15m(2.3d)，置换率m=14.8%，承载力fspk=750kPa，提高了2.7倍。2)场地抗浮设计水位较高，水头达到8.1m，对成桩效果影响很大，为确保CFG桩桩身质量，采取在场地布置降水井的办法，将地下水降至施工标高以下。在筏板施工完成后注浆封井。综上所述，采用CFG桩+筏板基础是可行的。

3.2优缺点比较

3.2.1桩筏基础(1)优点1)单桩承载力较高，传力较直接。可布设于墙柱下，上部结构竖向荷载的80%以上可由桩承担，桩间土只需承担小部分竖向荷载。2)桩与筏板共同作用，基础刚度大，调节不均匀沉降能力强。(2)缺点1)成桩速度慢，溶洞、溶沟等不良地质地基的成桩困难，施工工期难以控制。2)施工产生大量泥浆，须妥善处理以免污染环境;冲孔桩产生振动，可能会对原有相邻建筑产生不利影响。3)冲(钻)孔灌注桩容易产生卡钻、漏浆甚至引起地面塌陷等，桩底沉渣清理困难。

3.2.2CFG桩+筏板基础(1)优点1)经济性。由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰以及充分发挥桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3～1/2，经济效益和社会效益非常显著。2)适用性广，承载力提高幅度大。处理后，复合地基的承载力与原地基承载力相比，可提高2～5倍。3)施工简便，工期短。CFG桩施工方法一般为长螺旋钻成孔泵送混凝土法，成孔成桩一次完成减少了成桩时间，加快了施工速度。(2)缺点1)CFG桩单桩承载力低，对于超高层等上部荷载较大的建筑，CFG桩数量较多。2)长螺旋钻孔灌注桩施工时，如果混凝土输送的速度和螺旋钻杆的提升速度控制不当，则桩容易出现扩径或者缩径现象。

3.3经济性比较

3.3.1桩筏基础桩径1.1m，平均桩长20m，一共94根桩，筏板厚2.2m，混凝土及钢筋用量见表3。

3.3.2CFG桩+筏板基础CFG桩的桩径0.5m，平均桩长13.5m，一共1057根桩，筏板厚2.2m，混凝土及钢筋用量见表3。各技术指标表3基础桩混凝土量(m3)筏板混凝土量(m3)总混凝土量(m3)桩含钢量(t)筏板含钢量(t)总含钢量(t)桩筏基础1785.73203.24836.989.3289.4378.7CFG桩+筏板2800.43203.26003.615.6249.9265.5

3.3.3经济性比较混凝土单价按400元/m3，钢筋的单价(考虑加工)按6500元/t计算，桩筏基础总造价为439.7万元，CFG桩+筏板基础总造价为370.7万元，后者的造价为前者的84%3.4超前钻比较本工程位于岩溶发育地区，采用桩筏基础时，必须对每桩均进行超前钻，溶洞发育复杂处还须增加超前钻数量，而采用CFG桩+筏板基础则需进行详细勘察，钻孔间距可控制在20m左右。采用桩筏基础，钻孔数至少在100个以上，而采用CFG桩+筏板基础的钻孔数仅为11个，前者的超前钻数量至少为后者的9.1倍，换言之，采用桩筏基础时，超前钻的成本和钻探的工期至少分别为CFG桩+筏板基础的9.1倍。同时桩的施工难度亦较CFG桩增加许多。

3.5溶洞影响比较本工程位于岩溶发育地区，根据现场钻探情况，场地土层内未发现土洞;钻探揭露的覆盖层较薄，溶洞埋藏较深，顶板岩石破碎，均有填充物，地下水位高，为承压水，基本不受地下水活动的影响，因此可不考虑溶洞对天然地基稳定性的影响。采用桩筏基础，桩端应穿越溶洞，置于白云岩⑤中，由于桩的荷载大而且集中，溶洞的存在相对风险大，仅凭有限的超前钻资料难以准确判断桩端持力层范围有无溶洞，存在一定的安全隐患。而CFG桩的单桩荷载小、桩数多、荷载分散，溶洞存在的风险小，可将桩端置于强风化岩顶面，既可靠又经济。3.6施工工期比较本例中两种基础型式的筏板施工工期相当，可比较钻(冲)孔桩与CFG桩的工期。桩长15m左右的CFG桩，一天可施工40～50根桩，本例CFG桩工期可控制在20～25d，检测时间为30d。桩筏基础中的桩遇溶洞率高，施工桩的时间不少于60d，检测时间不少于40d。采用CFG桩可节省一半左右工期。通过以上分析，采用CFG桩+筏板基础的经济效益及工期均优于桩筏基础。

4结语

在岩溶发育地区，由于溶洞、裂隙的平面和竖向分布极不规则，岩溶发育，超前钻勘探点不可能摸清整个场地的具体情况，采用桩基时，桩底高程很难确定，同时桩基的成桩速度慢，因而工期长且难以控制。此时可采用CFG桩进行地基处理，将地基承载力提高到基底压力后再采用筏板基础，采用这种基础型式可以获得更优的经济效益、缩短施工工期且能保证施工进度的要求。