深厚软土地质条件下超长灌注桩基础设计及施工质量控制

张全林

（广州市建工设计院有限公司 广州 510030）

1 工程概况

某项目位于广州南沙区万顷沙镇十六涌东南侧，总占地面积约为26.9万m2。由17～21层LOFT公寓、24～45层平层公寓及25层酒店、1～2层附属商业组成，高层建筑高度在80～140 m之间，设置1层地下室。项目总平面布置如图1所示。

图1 项目总平面Fig.1 General Arrangement Plan

工程设计使用年限50年，结构安全等级二级，场地的抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组；建筑场地类别为Ⅲ类区域，设计特征周期值建议按0.45 s考虑，设计基本地震加速度值为0.10g。50年一遇基本风压0.60 kN/m2，基础设计等级甲级，桩基设计等级甲级。

1.1 地质条件

南沙区位于广州南部，处于北江、西江下游滨海河网区，广泛分布深厚海陆交互相淤泥、淤泥质土，属典型的冲积软土地质。本工程所在地万顷沙镇紧临大海，多为20世纪80年代填海而成，淤泥、淤泥质土平均厚度约35 m，最大厚度超过40 m，具体土层分布及描述如下：

〈1〉人工填土层（Qml）

①素填土：灰黄、褐黄色，松散，湿～很湿，填料由粘性土、砂土为主，夹有少量或较多碎石块，新近填成。

〈2〉第四系海陆交互沉积层（Q4mc）

②-1淤泥质土：深灰色，流塑，味腥，局部夹薄层粉细砂，含有机质，局部为淤泥。

②-2粉质黏土：灰黄色，可塑状态，局部软塑，黏性较好，含有粉细砂，局部夹薄层粉土。

②-3中砂：灰白色、灰色，中密，局部密实，饱和，石英质，粒径不均匀，含有粉黏粒，级配不良。

〈4〉奥陶世基岩（O）

为花岗岩，钻孔控制深度内根据其风化程度的不同可分为强风化、中风化3个风化带。

④-1强风化带：青灰色、黄褐色，强风化状态，裂隙较发育，散体状结构，岩芯多呈碎岩块状，手难扳断，敲击声哑，局部呈半岩半土状，受水易软化、崩解。岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

④-2中风化带：青灰色、红褐色，裂隙较发育，花岗结构，块状构造，岩芯呈短柱状、柱状，局部块状，敲击声响。岩石坚硬程度为较硬岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

典型地质柱状图如图2所示。

图2 典型地质柱状图Fig.2 Typical Geological Column Diagram

不良地质：淤泥、淤泥质土具含水率大、孔隙比大、压缩性高的特性，在触变扰动、地面堆载、失水固结等作用下容易产生竖向、水平位移，对基坑开挖、桩基施工、桩基受力产生非常不利的影响［1］。

2 地基处理和基础设计

2.1 地基处理

对于深厚软土地区，桩基施工完成后，基坑开挖不当导致桩基倾斜、断桩、偏移的工程事故经常发生，因此需在桩顶标高上下一定范围内的土进行固化处理。固化处理可以采用深层搅拌桩和高压旋喷桩。本项目所在地原为藕塘，表面积水0.2～0.5 m，其下为流塑状淤泥。为验证2种处理方案的效果，分别选择2块进行预处理，桩间距为1.2 m，梅花布桩，桩长2.0 m，桩顶标高以上0.5 m，桩顶标高以下1.5 m，28 d后开挖验证。通过现场开挖后发现：搅拌桩处理后的土层未见成形桩体，土质颜色加深，说明水泥浆溶于空隙水中未能与土充分结合成形；高压旋喷桩处理后的土层肉眼可见成形桩体，挖掘机挖难以挖动，具有较高强度。因此，决定采用高压旋喷桩的地基处理方案。后基坑开挖施工过程中，机械行走通顺，未发现偏桩、断桩现象。

2.2 基础设计

本项目塔楼80～140 m高，墙柱底内力最大高达25 000 kN，地基土有30～40 m深厚软土，因此塔楼决定采用旋挖成孔灌注桩方案，以中风化花岗岩为桩端持力层，入岩深度取1.0倍桩径，桩径采用1 000～1 200 mm。地下室基础因荷载较小，且对基础沉降要求可以适当放松，为减小造价决定采用600 mm直径高强混凝土预应力管桩基础。为减小不均匀沉降引起的附加应力，在塔楼和地下室交接处设置沉降后浇带，要求后浇带需在结构荷载完成且沉降稳定后方可封闭。

2.2.1 负摩阻力计算

软土地区桩基设计的一项重要内容就是合理确定负摩阻力。当桩周土体向下的相对位移大于桩身下沉位移进，土体将对桩身产生下拉力，即负摩阻力，导致软土地区负摩阻力产生的主要原因如下［2］：①欠固结土自重作用下的重新固结；②地表面新填土或新地堆载；③桩周土层由于基坑开挖、抽水致使地下水位下降，土中有效应力增大，桩周土下沉。

⑴中性点深度确定

根据上文所述软土负摩阻力产生的原因，再结合本项目自身特点及地质资料，梳理后发现：本场地虽为软土为淤泥或淤泥质土，但经多年沉积后，地勘资料判定为自重固结基本完成，从而排除第①条因素；由于地下室需开挖少量厚度表面土层，属于卸载过程，排除第②条堆载因素；因此，导致负摩阻力产生的可能原因仅有第③条，即后期项目周边基坑开挖、抽水引起地下水位下降或地基土受扰动。为了充分评估地基土可能受到的扰动程度，从而确定中性点的位置，项目组会同甲方、相关政府部门对周边地块项目规划进行了全面调查，调查结果为：本地块西侧、南侧为河涌或河道，北侧1 000 m、东侧500 m范围为本项目后期开发的商业用地，无大面积地下室，东侧500 m以外为发展用地，规划为普通住宅。周边没有超高层公建、地铁或其它深挖地基的市政设施。再结合南沙地区为软土地质，深挖基坑成本高、工期长且桩基施工风险高等不利因素，一般建筑会采取抬高室外高，地下室尽量浅埋的做法以节约成本和工期，且地下室一般不会超过2层，因此，可以基本确定：项目周边开挖深度最大不超过12 m，再加上降水深度会比基坑标高多1～2 m，也即本场地地基土受降水、扰动的影响深度在15 m以内，为安全起见，计算负摩阻力的中性点深度按20 m计算，也即中性点深度比约0.6。

⑵单桩负摩阻力计算

根据《建筑地基基础设计规范：广东省标准DBJ 15-31—2016》［3］第10.2.10-3式：

式中：up为桩周长；qnsi为第i层土的竖向有效应力，本项目取土的侧阻力特征值；lin为第i层土的厚度，本项目取20 m。

从而算得桩径1.0 m的单桩负摩阻力Qn=628 kN，设计时取值700 kN。

2.2.2 单桩承载力特征值计算

本项目桩端持力层为中风化花岗岩，按嵌岩桩计算，根据文献［3］-⑴～⑷式：

式中：Rsa为桩侧土侧摩阻力特征值；Rra为桩侧岩侧摩阻力特征值；Rpa为持力岩层端阻力特征值；frs、frp分别为桩侧岩层、桩端岩层岩样天然湿度单轴抗压强度；C1、C2分别为折减系数，本项目分别取0.320、0.032。

分别选取典型勘孔剖面计算单桩承载力特征值，如表1所示。

表1 单桩承载力特征值计算Tab.1 The Characteristic Value of Pile Bearing Capacity by Different Exploratory Holes

桩身承载力验算文献［3］10.2-8式：

式中：ψc为工作条件系数，泥浆护壁钻孔灌注桩取0.7～0.8；fc为桩身混凝土抗压强度设计值；Q为相应于荷载基本组合时的单桩承载力设计值。

将式⑹算出的对应荷载基本组合的单桩承载力设计除以1.35，得出对应荷载标准组合的单桩承载力特征值，即：

Ra=Q/1.35

从而得到直径1.0 m，桩身混凝土C35的单桩承载力特征值为6 800 kN。可以看出，单桩承载力特征值由桩身混凝土控制，可取6 800 kN以内，实际设计取值6 500 kN。布桩时需考虑负摩阻力引起的下拉荷载，即：

式中：Ra1为布桩时单桩承载力特征值；Ra为中性点以下土侧阻力土与桩端土提供或由桩身计算的单桩承载力特征值；Qn为中性点以上土负摩阻力引起的下拉荷载。

根据式⑺计算出布桩时单桩承载力特征值为5 800 kN，即要求桩顶反力应控制在5 800 kN以内。

2.2.3 存在负摩阻力的基桩静载试验最大加载量的确定

众所周知，一般基桩静载试验的最大加载值为单桩承载力特征值的2倍，按常规设计本项目取13 000 kN即可。但是本项目桩周软土存在负摩阻力，在静载试验的极短时间内（一般1～2 d）负摩阻力不可能发挥出来，相反中性点以上的土层不仅不会出现负摩阻力，还会提供正摩阻力，因此试验最大加载量需另计上层软土在静载试验阶段时提供的正摩阻力［4］。如果将单桩承载力分为中性点以上土侧阻力和中性点以下土侧阻力与桩端阻力之和，中性点以上的土侧阻力等于下拉荷载Qn，中性点以下土侧阻力与桩端阻力力之和为单桩承载力特征值Ra，此时，最大加载值为：2（Ra+Qn）。因此，本项目按上式计算的静载试验的最大加载值应为：2×（6 500+700）=14 400 kN。若遗漏了负摩阻力的作用，静载试验最大加载力量盲目采用常规设计2倍单桩承载力特征值的话，试验最大加载量仅为13 000/14 400=90.3%，导致静载试验加载量不足，某些原本承载力不足的桩不会被检测出来，桩基存在安全隐患，桩基静载试验也失去应有的功能。因此，存在负摩阻力的桩基设计图纸中，不仅要注明桩基承载力特征值，还要注明静载试验的最大加载量。

3 深厚软土条件下超长灌注桩的施工质量控制

软土地基上泥浆护壁旋挖成孔灌注桩基础的成孔、成桩质量、桩端沉渣是影响基桩承载力的关键因素，也是工程界的一大弊病［5］。本项目土质条件较差，岩面埋深较大且起伏较大，桩基施工难度较大，主要表现为：

⑴上部存在较厚流塑状淤泥或淤泥质土，成孔时极易出现塌孔、缩颈现象；

⑵中风化岩面埋深较深，大部分在基底下50～60 m，局部楼栋（如1#、3#、5#栋）中风化岩面深度达80～90 m，桩身超长，桩身混凝土浇筑质量难以保证；

⑶为了防止塌孔，护壁所用泥浆含泥量较大，还需增加膨润土等增加稠度，而且桩身越长，桩孔底部泥浆自重作用下沉积，清孔难度越大，桩底沉渣厚度难以控制；

⑷由于护壁含泥量大，孔壁泥皮较厚，桩身与桩周土无法粘结，导致桩侧阻力大大降低。

针对项目地质现状，为保证成桩质量和基桩承载力，经多方研究论证，从设计和施工2个方面采取如下措施［6-11］：

⑴对于预估有效桩长大于60 m的超长桩，采取桩端后注浆施工工艺。该工艺可以劈裂、充填桩端沉渣，同时对桩端上部一定范围的桩周土进行渗透、充填，从而提高桩端、桩侧阻力；

⑵针对软土、砂土成孔易塌孔的问题，先进行试成孔，调整泥浆配方和配比，并选择合适功率的成孔机械，确保成孔顺畅；

⑶要求分成孔后和混凝土浇筑前进行二次清孔，测定的沉渣厚度需满足设计要求；灌注混凝土必须连续进行，导管在混凝土面的埋置深度控制在2.0～6.0 m，严禁把导管底端提出混凝土面，并应控制导管的提拔速度；

⑷确保桩端持力层，钻进到设计要求的持力层后，应记录岩面深度并取样保存，继续钻进至设计要求的入岩深度后，记录岩底标高并取样保存；

⑸加强现场施工管控，对成孔、清孔、持力层岩样判别、钢筋笼放置、沉渣测量、混凝土浇筑等全过程进行监督。

4 结论

⑴对于深厚软土地质，为避免偏桩、断桩事故的发生，桩基施工前需对表层土作硬化处理。对于流塑状淤泥的处理，深层搅拌桩效果不理想，可优先选用高压旋喷桩处理；

⑵布桩时单桩承载力特征值的取值应考虑负摩阻力引起的下拉荷；负摩阻力计算时，结合项目本身特点，判断负摩力产生主要源自于软土扰动，因此，根据最大扰动深度确定中性点深度比值为0.6，而未采用文献［2］的经验值0.9～1.0，从而取得较好的经济性；

⑶对于有负摩阻力的桩基，静载试验最大加载值不宜直接采用特征值的2倍，而还应加上负摩阻力的2倍后的总值，并应在设计图纸上注明；

⑷软土超长混凝土灌注桩施工时容易出现塌孔、断桩事故，清孔难度大，桩底沉渣厚度难以控制，桩端持力层不宜确认，需加强施工过程监管，同时，对于桩长大于60 m的桩建议采用桩端后注浆施工工艺，提高单桩承载力。