砂质胶结层作为超高层建筑桩端持力层的应用

马伟召

砂质胶结层作为超高层建筑桩端持力层的应用

马伟召

超高层建筑要求地基和基础提供更高的竖向和水平承载力，同时沉降和倾斜要控制在建筑允许的范围内、保证建筑物在风荷载和地震荷载的作用下有足够的稳定性。其地基基础设计应根据地质条件、上部结构、地下空间的利用、施工技术的可能性等合理选择。

一、工程概况

某公司综合楼为地上34层，地下3层，主体高度162米，框架-核心筒结构体系，基底平均压力760kPa，单柱荷载38000kN。拟建场地地貌单元为黄河冲积一级阶地。深度3.0米左右以上为Q4-3沉积的粉土和人工填土层，以下至33.0米主要为Q3沉积硬塑状态的粉质粘土和密实粉土、砂土层，33.0m～44.3m为基本连续分布且厚度约11.3m厚的砂质胶结层，44.30m以下为Q2沉积的密实状态的砂土、粉土和硬塑的粉质粘土。地下水类型为潜水，水位埋深在地面下21.8～24.0米。对桩基设计、施工存在较大影响的砂质胶结层芯样饱和单轴抗压强度为12.3～33.1MPa，统计后标准值为16.9MPa。

二、基础选型

1.桩型选择

拟建建筑荷载较大，设计对单桩竖向抗压承载力特征值要求高、工程最终沉降量要求严格。因此采用大直径钻孔灌注桩方案比较可靠。若采用普通钻孔灌注桩，估算桩的入土深度50米，有效桩长35米，需要穿过砂质胶结层，但钻孔灌注桩在砂质胶结层施工难度极大，并且胶结层以下土层姜石含量高，局部呈薄层胶结状态，施工难度也很大，往往出现泥皮较厚、孔底沉渣较多、土体应力释放过大等缺陷，从而导致单桩竖向承载力显著下降、建筑物最终沉降较大等问题。

只有采取合适的施工工艺，在桩底桩侧后注浆固化沉渣和泥皮，并对桩底和桩侧一定范围内的土体进行加固，从而达到提高桩的承载力和桩身质量的可靠性，减少桩长，降低钻孔灌注桩的施工难度。在选择合适的桩端持力层后，采用后注浆钻孔灌注桩成为超高层建筑可靠的选择。

2.桩基持力层的选择

场地33米左右以下分布的比较连续且厚度约为11.3米的砂质胶结层，frk标准值达16.9MPa，相当于较软岩，该胶结层上部局部地段胶结程度较差，局部还存在1～3cm直径蜂窝状小孔洞，孔洞中充填有粉质粘土，作为桩端持力层时，强度受到影响；并且在胶结层中分布有坚硬状态的粉质粘土或密实状态中砂的透镜体，也影响到胶结层作为桩端持力层的强度和均匀性。因此，对该砂质胶结层能否作为桩端持力层，在一系列野外全断面岩芯钻探、岩样饱和单轴抗压强度试验、多种原位测试、单桩静载荷试验基础上，作出如下评价：

（1）砂质胶结层厚度大，当桩进入胶结层2d的深度后，桩端下还有10米左右的胶结层，并且其下没有软弱地层；也没有断裂破碎带和洞穴，桩底应力扩散范围内无岩体临空面，完全满足规范要求桩基以下硬持力层厚度不小于4d的要求；

（2）砂质胶结层的frk值达16.9MPa，相当于较软岩，按目前我国涉及嵌岩桩评价的三个现行规范，结合胶结层的工程特性，综合分析认为，在设计参数选用适当，并采取一定的措施后，可以采用砂质胶结层作为桩端持力层；

（3）结合施工工艺采取确保桩端持力层质量的措施

施工时要确保桩端质量。为减少砂质胶结层胶结程度不均匀、小孔洞的影响，可以通过桩端高压注浆措施，对砂质胶结层中被土冲填的小孔洞、未胶结的砂卵石夹层透镜体增加强度并且改善其不均匀性；并对注浆工艺、程序作出规定，要求小压力桩侧注浆，使桩侧周围通道堵塞，然后用较大压力向桩底注浆，改善桩端土质条件，降低桩端持力层的不均匀性，同时改善桩底沉渣和桩的承载能力；

（4）严格控制桩基施工中的桩底沉渣厚度，并且要求沉渣注浆处理后的强度不能小于胶结层的frk值。

为固化桩底沉渣和泥皮，确保砂质胶结层端承力的发挥，提高桩的承载能力，需采用灌注桩后注浆。为了确保注浆后碎渣加碎石形成的固化体强度大于砂质胶结层强度,施工前专门进行了现场配比注浆试验。

（5）为确保利用砂质胶结层作为桩端持力层的安全可行性，把胶结层中的粉质粘土作为桩的软弱下卧层按照建筑桩基技术规范进行强度验算，验算结果均满足上部荷载要求。

三、试桩单桩竖向承载力载荷试验结果分析

1.试桩基本参数

本工程钻孔灌注桩试桩共5根，桩径d=900mm，桩尖入土深度33.9m,有效桩长19m，以砂质胶结层为桩端持力层，其中2根为普通灌注桩，3根桩为桩端后注浆灌注桩。通过在桩顶设计标高处、有效桩长范围内不同性质土层界面及注浆位置处、桩端底面等处埋设的应力测量传感器，对桩身内力进行测试，并由此测定试桩的桩侧抗压摩阻力和桩端支撑力情况。

2.单桩承载力评价

（1）单桩承载力

根据试桩的检测结果，Q-s曲线均为缓变型，没有明显的特征点，承载力均未达到极限破坏状态，普通灌注桩有效桩长的单桩承载力为8644、9825kN，桩端阻力占桩总承载力的39.1%、47.6%，平均值为43.3%；桩端后注浆灌注桩有效桩长的单桩承载力为12043～13953kN，平均值为13305.6kN，桩端阻力占桩总承载力的20.3%～30.6%，平均值为26.6%，总体符合大直径桩的荷载传递规律。

桩端阻力占得一定比重，为端承摩擦型桩，对应桩的特征值时的桩身沉降值为：普通桩9.5～13mm、后注浆桩5.3～7.4mm；由于试验荷载没有达到极限值，因此桩端阻力还没有充分发挥，实测到的单桩承载力与极限承载力有一定的差距，不能反映砂质胶结层的实际承载能力。根据实测结果，计算出砂质胶结层桩端极限阻力为2726～5800kPa，远小于勘察报告提交值8400kPa。说明桩还有潜力，试桩给出的承载力安全度较大。

（2）桩端进行后注浆前后侧阻力对比

根据桩身埋设的应力测量传感器测定结果，对普通灌注桩和后注浆灌注桩分级荷载下桩身轴力分布图和桩侧摩阻力随深度分布图进行分析，普通桩侧阻力90.1～122.4kPa，后注浆灌注桩侧阻力160.0～194.1kPa；注浆后粉质黏土侧阻力提高系数为1.31～1.87，砂土层侧阻力提高系数为2.15。

对于该场地附近的老堆积土，当根据土的物理性质指标查桩基规范确定其侧阻力时可取高值或适当提高。采用后注浆技术时，桩的侧阻力还可以提高70%左右。

四、工程桩单桩竖向承载力载荷试验结果分析

工程桩采用直径900mm的后注浆钻孔灌注桩，桩尖入土深度33m，有效桩长为19m，根据工程桩的测试成果表明：单桩极限承载力为15329～15529kN，平均值为15422kN，承载力均达到设计要求15200kN,同试桩结果比较吻合；桩顶沉降量为14.51～14.89mm，残余沉降量为5.51～5.74cm。另外桩端承载力占总承载能力的26.5～30.8%，距砂质胶结层的端承力还有些差距。

五、沉降分析

本工程桩身段主要为硬塑状态的粉质粘土和密实状态的粉土，桩端为连续分布且厚度约为11.3m的砂质胶结层，以下为的密实状态的砂土、粉土和硬塑的粉质粘土，桩端以下土体超固结比大于1，属于超固结土，有利于土体应力的扩散，使得桩受力更为均匀，对减少和控制沉降量十分有利，本工程主体塔楼的基底有效附加压力接近450KPa，当基底有效附加压力小于或接近桩端下地基土结构强度时，其桩基变形处于似弹性阶段，土体变形收敛较快，其沉降达到相对稳定所需时间较短，一般在建筑物竣工后土体固结度可达60%～70%。一般结构封顶后2～3年沉降可趋于稳定。

根据本工程主体结顶约1年时的沉降观测资料，建筑物平均沉降量约为2mm左右，接近嵌岩桩的情况。

六、结语

本工程采用后注浆钻孔灌注桩基础，以砂质胶结层为桩端持力层，解决了基础选型和持力层选择的重大技术难题，符合本工程单桩承载力要求高，变形控制严格，周围环境影响小的要求，比普通钻孔灌注桩节省造价，缩短工期，为该工程的建设提供了可靠保证。

（作者单位：河南省建筑设计研究院有限公司）