高填土地区的桩基设计探讨

文/赖德彬　福建泉州勘测设计院有限公司厦门分公司　福建厦门　361000

高填土地区的桩基设计探讨

文/赖德彬福建泉州勘测设计院有限公司厦门分公司福建厦门361000

本文对某工程高填土地区的多种桩基选型进行分析与比较，重点阐述负摩阻力的不利影响及消除措施，选择承载性能好的扩底嵌岩桩桩基方案，可为类似地基条件的工程提供参考。

高填土；负摩阻力；嵌岩桩

1、 工程概况

本工程为四川省某市社会福利院新建工程，场地毗邻两高速公路，交通便捷，总建筑面积3.3万m2。本工程共由六栋单体组成，最高层层数为6层，房屋高度最高为22.2m。本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为6度，抗震设防分类为乙类，场地类别Ⅲ类。50年重现期基本风压W0=0.40kNm2；地基基础的设计等级为乙级，建筑桩基设计等级为乙级。建筑布置如图1所示。

2、 桩基选型对比及确定

2.1场地地基条件

根据地勘报告，场地原始地貌类型属于宽谷中丘区，现对场地进行了回填，地表覆盖较厚的素填土层，地面标高在322.79～345.50m之间，相对高差约为22.71m。结构松散，系新近堆积，堆积时间约2年，整个场地均有分布，原场地为小山丘，故分布极为不均匀，层厚0.50～23.60m。下覆盖岩层为砂岩和砂质泥岩。砂质泥岩为紫红、红棕色，泥质结构，强风化带岩芯破碎，裂隙发育，层厚0.7～6.2m，属极软岩，中风化层岩石质量指标RQD=45～65％，岩体较完整，为较软岩。砂岩主要由石英、长石、云母组成，细粒结构，薄～中厚层构造，泥质、钙质胶结。强风化岩石裂隙发育，属较软岩；中风化岩石岩体较完整，呈柱状～长柱状，属较硬岩。各土层的力学性质及剖面图如图2、3所示。

同时通过结构建模分析，3、4#楼最大柱跨达8.6m，底层单柱最大反力标准值为6000kN。

通过初步分析，该场地岩层起伏剧烈，坡度大于10％，场地内均有不等厚度的欠固结的素填土，最厚处达20m，上部结构传递荷载大，这些均为本工程桩基设计的难点。

2.2基础选型

第一层素填土成份复杂，结构松散，强度低，属极不均匀的高压缩性土，而框架结构属于对沉降敏感结构，且下覆岩石层离上部结构有较大深度，故不能选用浅基础。中风化的砂质泥岩或砂岩分布稳定连续，工程性质好，力学强度高，可以作为上部结构的桩基持力层。桩侧土层主要为素填土以及强风化砂岩或砂质泥岩，素填土不能提供正向的摩阻力，而强风化岩层厚度分布不均，砂泥互层，局部孔位有缺失，故不能提供稳定的侧摩阻力。桩基设计时应按端承桩考虑。

按桩基施工工艺分，可分为预制桩和灌注桩。灌注桩又分挖沉管灌注桩、挖孔灌注桩和钻（冲）孔灌注桩。预制桩具有制作方便、成桩速度快、桩身质量易于控制且不存在泥浆排放问题等优点，但缺点是：施工有噪音、振动、挤土、桩抗剪强度较差、不能嵌岩、垂直度难以控制。本工程单柱竖向荷载大，如果不能嵌岩则单桩竖向承载力偏小，单柱下需要布置多桩来承担上部荷载，桩基经济性不好，且桩数过多带来布桩困难，加大施工周期。中风化岩层上覆有强风化岩层，预制桩难以穿越到达中风化岩层，施工会产生大量截桩，桩长难以得到保证。灌注桩的优点是省去了预制桩的制作、运输、吊装和打入等工序，桩不承受这些过程中的弯折和锤击应力，从而节省了钢材和造价。同时它更能适应基岩起伏变化剧烈的地质条件。其缺点是成桩过程安全是在地下“隐蔽”完成，施工过程中的许多环节把握不当则会影响成桩质量。人工挖孔桩质量稳定可靠，可彻底清孔，孔底无沉渣，可直观检查持力层，单桩承载力较高，但场地内填方区回填土较厚，回填的砂岩、砂质泥岩碎块杂乱，且回填过程中回填料未经碾压、夯实，在人工挖孔的过程中容易引起孔壁坍塌等，安全隐患大，工期不好保障。钻孔灌注桩成桩不受场地限制，可昼夜施工，施工速度较快；场地离城镇较远，施工中产生较的泥浆容易处理；机械施工，人员不用下到孔底，安全风险小；机械施工，提高劳动效率，施工成本相对较低。

综上所述，对上述三种桩基类型，从安全、经济、技术上、场地地层情况及成桩可能性方面考虑，采用钻孔灌注桩为宜，桩端应全断面嵌入岩体中一倍桩径以上。

2.3桩基负摩阻力原理及对策

本工程场地表层有3～20米不等的素填土，为高填方区。桩在穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，应计入桩侧负摩阻力。可见，当桩侧土体产生相对桩身向下的变形时，桩侧就会产生负摩阻力。Fellenius（1971）曾指出，地面的十分小的下沉就能使桩基中产生的负摩阻力达到桩侧摩阻最大理论值的很大部分。需要注意的是，负摩阻力不是桩承载力的一部分，而成为施加在桩上的外荷载。在桩基设计中如未考虑此部分荷载，则会增大沉降，影响建筑物的安全。桩基的负摩阻力如图4所示。

负摩阻力的计算是个较复杂的问题，其大小受桩侧和桩底土层的强度、土的压缩性、桩的类型、时间效应等诸多因素的影响，因此，一般只能采用简化计算。大量试验与工程实测结果表明，以负摩阻力有效应力法计算较接近实际。某层的桩侧负摩阻力等于负摩阻力系数与该层土的平均竖向有效应力的乘积。即（式2）

目前，在工程上采取消减桩侧负摩阻力的措施一般如下几个方面：①端承桩法：使桩端支撑在岩层或坚硬土层上，一般增大桩截面，如扩底；②软弱地基处理：在钻孔灌注桩施工前，先对软弱地基进行预压、夯实或灌浆加固，减少固结引起的沉降；③地基浸水法；④涂层法；⑤分段施工法；⑥套管法。跟本工程的实际情况，可以采用方法①和②结合使用。

2.4嵌岩桩计算与设计

中风化砂岩及砂质泥岩属于完整、较完整的基岩，可以按嵌岩桩设计，充分发挥大直径桩的竖向抗压承载力。嵌岩桩嵌岩部分的嵌固力是嵌岩桩的承载力高于端承桩的主要原因。嵌入基岩部分的桩与基岩的相互作用比较复杂，嵌岩段的侧摩阻力（嵌固力）与底部的端阻力发挥的过程是不同的。实测资料表明，当嵌岩深度为3倍桩径时，桩的嵌固力与端阻力可以得到很好的配合，嵌固力占总承载力的60％以上，可以用最少的工程量获得最佳的承载效果，因此称为最佳嵌岩深度。同时也应注意到，本工程上覆土层为软弱土层，所能提供的摩阻力可以偏小，桩的长径比也较小，故桩的端阻力也发挥的举足轻重的作用。

结语：

通过对本工程深厚填土产生的负摩阻力的分析和扩底嵌岩桩承载力的计算，表明必须考虑负摩阻力对桩基的不利影响，采用承载性能好的扩底嵌岩桩除了可以抵消负摩阻力外，还能有足够余量承担上部结构传来的竖向荷载。综上所述，高填土地区的地基设计复杂程度要高于一般地质条件的基础设计。除设计外，在勘察、施工、检测各个环节中均应把控质量、加强措施、提高要求，以保证基础安全。

［1］JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范［S］.

［2］张雁，刘金波.桩基手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［3］林凡伟，祝红山.桩基负摩阻力的设计探讨［J］.科技资讯，2015，（05）：66.