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上覆中厚土层泥岩持力层高层建筑基础选型与优化

2024-07-19 84 上传者：管理员

摘要：设计过程中需要充分考虑其上覆中厚土层泥岩特性，本文通过以百色地区某工程实例，探讨上覆中厚土层泥岩持力层高层建筑基础选型，结合本工程地质和工程特点，针对原有设计思路，提出优化方案。对本工程部分楼栋优化采用天然基础；以及对其它楼栋原设计的桩基础，根据静荷载试验桩的结果，优化桩的直径与入岩深度，提高单桩承载力，从而进一步降低工程桩的数量。并在施工组织难度、工期、成本等控制上取得了较好的效果，对后续类似工程有一定的借鉴意义。

关键词：
优化
基础选型
泥岩
高层建筑
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高层建筑基础选型在结构设计中占有重要地位，合理选型可以提高结构可靠性、降低工程造价[1]，不当选型则会引起不良后果[1,2,3]。

泥岩广泛分布在我国西南地区，新近系、古近系泥岩在广西地区多地分布，如南宁盆地、百色右江盆地及明江盆地。中厚土层泥岩持力层是该地区高层建筑中常见的地质条件，其基础类型主要有预应力管桩、旋挖灌注桩、人工挖孔桩、复合地基。预应力管桩具有承载力高、施工环保、运输安装方便等优点，同时也存在挤土效应[4,5]、补强困难易出现等不足[6]、引入地下水使泥岩崩解等问题[7]。旋挖灌注桩具有适用性广、承载能力大、工艺成熟等优点[8]。但当遇到特殊地层时，为确保桩的承载力，需制定针对相应土层钻孔灌注桩的施工工艺[9]。人工挖孔桩具有不会影响周围建筑物的基础、周围的地质环境等优点[10]。但存在施工安全风险相对高的问题[11]。复合地基作为一种新型的基础类型，其中CFG桩复合地基是由CFG桩、桩间土和褥垫层共同构成的半刚性桩复合地基[12,13]。鉴于软岩地基上CFG桩复合地基工作性状的独特性，需通过静载荷试验验证采用该方案的可行性，使得CFG桩复合地基的承载力和沉降符合设计要求，具有节约施工工期、工程造价的优点[14]。同时存在泥浆浓度过大引起孔底沉渣过厚、钢筋保护层不足、环境污染严重等问题[13]。

中风化泥岩的承载力较高，可作为桩基理想的持力层[15]。出于承载力和变形控制的需要，大多高层建筑采用桩基或地基处理后的复合地基，少有将天然地基作为高层建筑基础的案例[16,17]。本文介绍广西百色地区某高层建筑上覆中厚土层泥岩持力层基础选型，通过静载荷试验结果，调整桩的入岩深度提高单桩承载力，降低旋挖灌注桩数量；以及采用天然地基，降低工程桩数量。避免造成施工周期不必要的浪费，以及利于施工成本管控，对同类地区高层建筑基础选型提供参考价值。

1、研究背景

1.1工程概况

广西百色百东·馨园项目（一期）属于房建工程，由5栋高层住宅和1栋幼儿园（1#、13#、15#、16#、17#、18#及对应地下室）组成，占地面积8247.55m2，总建筑面积约为124347.82m2。13#楼总建筑面积为14730.22m2,15#楼总建筑面积为19291.56m2,16#楼总建筑面积为23668.42m2,17#楼总建筑面积为14728.54m2,18#楼总建筑面积为28625.21m2。主楼采用框架剪力墙结构。

1.2地层构造

素填土(1)(Q4ml）：黄褐色、灰褐色，由场地附近黏性土、泥岩风化碎块回填，含少量建筑垃圾，局部为耕植土，土体结构松散，填筑时间小于3年，属高压缩性土。该层场地范围内大部分区域有分布，层厚0.30～6.90m，平均厚度1.56m。

黏土(2)(Q3al+pl）：黄褐色，硬塑状，含少量风化残余碎块，韧性及干强度中等，无摇振反应，质硬，指压土芯变形较小。层厚0.40～6.80m，平均3.45m，层顶埋深0～6.90m（高程124.58～142.57m）。

圆砾(3)(Q3al+pl）：杂色，稍密，成分复杂，含约60%砾石成分，母岩以砂岩为主，粒间充填黏性土及砂质成分，钻进较困难，属低压缩性土。层厚0.20～3.90m，层顶埋深3.50～10.10m（高程121.85～129.76m）。

强风化泥岩(4)(E2n）：灰色，泥岩为主，间夹煤岩。给水回转钻进较快，返水正常，返水呈灰色，多表现为黏性土状，近全风化，手指可刻划，手感较滑腻，切面较光滑；遇水易膨胀，暴晒易开裂。岩体基本质量等级为Ⅴ级，采取率65%～80%。层厚1.90～11.30m，平均6.26m；层顶埋深0～12.20m，高程120.55～140.67m，随原地貌起伏。

中风化泥岩(5)(E2n）：灰色，主要为泥岩；给水钻进平稳，返水正常，返水呈灰色，岩石较完整，岩心多呈长柱状，多表现为黏性土状，手指很难刻划，手感滑腻，切面光滑；遇水易软化崩解，暴晒易开裂成短柱状。岩体基本质量等级为Ⅴ级，采取率80%～90%。层顶埋深4.70～15.60m，高程111.56～134.77m，随原地地貌起伏。

2、研究内容及研究目标

2.1研究内容

2.1.1设计方面

根据本工程的地质勘察报告发现，泥岩的覆盖区域在本工程所在地存在一定差异。勘察单位给出了2种地基处理方案：一种是采用复合地基、另外一种是采用桩基础，分别如下：

复合地基处理方案：根据拟建物的结构及荷载条件和拟建场地的岩土工程条件，大部分区域素填土厚度较大，可采用强夯处理，或采用增强体加固处理。根据本地实际经验，建议采用CFG桩为增强体进行加固，形成复合地基，上部再采用相应的基础形式。

桩基础方案：拟建建筑场地经钻探揭露，中风化泥岩(5)层厚度大，承载力高。是桩基础的理想持力层，拟建筑物均可采用桩基础，施工工艺根据地区经验可采用泥浆护壁旋挖成孔。

2.1.2施工方面

此种情况下整个项目采用桩基施工周期长，且增大质量控制要点，需对如何在此种情况下保证成桩质量进行研究。

2.2研究目标

设计方面：针对基础形式进行优化，争取将工程桩数量、工程量减少25%。

施工方面：针对现场地质情况，优化施工工艺，确保不同地层区域成孔、成桩作业的施工质量，控制建设成本。

3、基础选型方案分析

3.1天然地基

根据工程勘察报告发现：本工程13#、17#住宅楼属均匀地基，基底位于强风化泥岩(4)层，其它各楼栋建筑地基均属不均匀地基。施工单位组织各参建单位技术负责人召开内部专家会议，同时根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中5.2.4条公式计算修正后的地基承载力特征值：fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5），对13#楼、17#楼的天然基础进行承载力和沉降验算，发现其承载力和沉降均满足相关要求。本工程地基形式进行优化，主要是将13#、17#楼的桩基础优化为筏板基础。

筏板基础方案如下：筏板厚度1400mm，基础混凝土C35，抗渗等级P6，垫层采用100mm厚C15素混凝土。同时在基础施工到主体结构封顶过程对13#、17#楼进行沉降观测，主体结构封顶时的沉降结构如图1所示。

由图1分析可得，13#楼、17#楼在施工期间都产生了沉降，累计沉降量最大值分别为17.74mm、17.38mm，两栋楼的沉降基本不存在明显的差异，各主楼沉降值都在控制范围内。

3.2桩基础

本工程其它楼栋均采用旋挖灌注桩，桩径800mm，以16#楼进行实例说明，取33-33地质剖面进行单桩承载力估算，估算结果如表1。

从计算结果可以看出单桩承载力平均值3448k N，考虑地质原因及地区经验，单桩承载力特征值取3400k N，平均桩长22m，满足设计要求。

为了进一步论证采用旋挖灌注桩单桩竖向抗压极限承载力是否满足设计要求，现场采用静载试桩，试验桩采用直径800mm，桩长14m，入持力层深度9m,1#试验桩，当试验荷载加至8000k N，历时240min观测，桩顶沉降已达到相对稳定，终止加荷，然后分级卸荷至零；2#试检桩，当试验时270min观测，桩顶沉降已达到相对稳定，终止加荷，加载完成后一次卸载至零。将试验数据分别绘制荷载-沉降（Q-s）曲线及沉降-时间对数曲线（s-lgt）结果如图2-图5所示。

图1建筑13#、17#主楼各监测点沉降量散点图

表1承载力特征值计算表

图2 1#试验桩的Q-s曲线

图4 2#试验桩的Q-s曲线

图3 1#试验桩的s-lgt曲线

图5 2#试验桩的s-lgt曲线

1#试验桩的总沉降量为4.73mm,2#试验桩的总沉降量为23.35mm，本次所抽检的1#、2#试验桩，各抽检桩的Q-s曲线均未出现明显陡降起始点（即第二拐点），s-lgt曲线的尾部均未出现明显向下弯曲的现象，1#、2#试验桩均满足沉降控制要求。各抽检桩的曲线属于缓变型曲线。本次抽检1#桩的单桩竖向抗压极限承载力为8000k N,2#桩的单桩竖向抗压极限承载力均为12000k N。根据《建筑基桩检测技术规程》，承载力特征值达到Ra=6000k N，本工程单桩竖向抗压承载力特征值Ra=4000k N，通过试验桩的结果发现：试验桩的承载力特征值达到6000k N，超过原来设计值的50%，说明本工程泥岩具有较高的承载力。

表2各类基础形式综合单价一览表

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008)5.3.9条单桩入岩承载力计算公式：Qrk=ζrfrkAp，可知单桩承载力与入岩深度密切相关，再根据试验桩的结果，对本工程原设计的桩径、入岩深度进行优化。原设计旋挖灌注桩均按直径800mm，桩长约20-23m，桩的数量为126根；优化后旋挖灌注桩直径800mm，有效桩长15m，入岩深度不小于8m，桩的数量为76根；旋挖灌注桩直径1000mm，有效桩长17m，入岩深度不小于11m，桩的数量为30根，工程桩数量降低7.9%。

4、效益分析

4.1工期方面

本次优化13#、17#楼在天然地基上采用筏板基础相对于原来采用的桩基础节省工期接近10d；以及其它楼栋在原来设计旋挖灌注桩的基础上，通过优化降低工程桩数量，有利于工程整体进度的推进。

4.2成本方面

各类基础形式综合单价统计如表2所示。

由于其它楼栋基础土层不均匀，有素填土(1)层、粘土(2)层、泥岩(4)层、泥岩(5)层，其中素填土层和粘土层桩周侧阻力特征值一致，导致相同承载力情况下，进入泥岩(4)和泥岩(5)的长度较小，桩长相差较小。由于本工程所在地泥岩承载力高且作为持力层，适当调整单桩入岩深度，降低工程桩数量，有利于节约施工成本；再加上对13#、17#楼采用天然地基，降低本工程的桩基工程量，两种方案初步总共节约92万元，效益可观。

5、结语

上覆中厚土层泥岩持力层高层建筑的基础选型十分关键。若采用天然地基，首先要论证是否满足地基承载力和沉降量的要求，如果论证满足地基承载力和沉降量要求，达到设计规范要求，从而可优化基础选型采用天然基础，本工程13#楼、17#楼在天然地基上均采用筏板基础。同时本工程其它楼栋充分利用泥岩作为持力层，通过试验桩发现本工程所在地泥岩具有较高的承载力，优化原设计的桩径和入岩深度，提高旋挖灌注桩的单桩承载力。因此，上覆中厚土层泥岩持力层高层建筑基础选型要在充分考虑泥岩特性的基础上，再考虑地基基础形式合理性和适应性，降低工程桩数量，利于节约施工成本和缩短施工工期。本工程主体已完成，沉降观测结果均在允许范围内，表明本工程的基础选型与优化值得借鉴。

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