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    复杂溶岩地质条件下超长地下室基础设计探讨.pdf

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    复杂溶岩地质条件下超长地下室基础设计探讨.pdf

    2010年12月第7卷第4期 架圳土木与建筑 复杂溶岩地质条件下超长地下室基础设计探讨 张伟严力军刘俊 香港华艺设计顾问深圳有限公司 【摘要l基于实际工程背景,对处于复杂溶岩地质条件下超长地下室基础设计问题进行探讨,针对不同地 质情况给予不同的桩型选择。为查明溶洞和土洞分布,要求对塔楼以外地下车库部分进行一柱一桩的超 前钻勘查,塔楼内为一桩3~4孔,以便给基础设计提供可靠依据。及时吸取一期工程的施工经验,对溶 洞处理效果和方法予以总结,为后续工程提供改进措施。综合考虑造价、施工便利和安全可靠等各项因 素,分别对桩身纵筋长度取值、承台和底板设计、超长地下室抗裂的构造措施和桩基检测等各方面问题 予以阐述,供同类工程参考。 【关键词l溶岩预应力管桩钻孔灌注桩竖向承载力特征值 0前言 由于地壳活动和地下水侵蚀作用而形成的溶 岩地质广泛分布于我国部分沿海地区广东、广 西等,其地质溶洞分布和走向非常复杂,且无规 律可循,一般在此类场地条件下应尽量避免建造 高层建筑。但由于国内近年房地产业的迅速发展 和建设用地日趋紧张,目前,在溶岩发育地区建 造房屋成为不可避免的趋势。文献 ]对在此类地 质条件下地基基础的处理提出部分指导性意见; 文献【2J结合广东地区的工程经验和具体情况,制 定了在溶岩与土洞地区基础处理的相关条文。但 由于该地质情况复杂多变,每个具体工程的情况 有较大差异,另尚需考虑工程所在地施工单位相 关工程经验和机械设备的条件,致使对溶岩地质 条件下进行合理设计提出更高要求。本文拟结合 某一有代表性的工程,就该工程的地质特点和基 础设计情况进行归纳和总结,供以后同类工程借 鉴。 1工程概况 某工程位于广东省佛山市南海区,距珠江 200m,分为西区、中区和东区。其中,中区总建 张伟,香港华艺设计顾问深圳有限公司,硕士,高级工程师 地址深圳市福田区中航苑航都大厦14楼 电话83778659。E-mailzw_huayi126.corn 筑面积41万m ,地面以上由21栋高层住宅组成, 总高度在lOOm左右,塔楼结构体系为剪力墙结构, 层1为架空层,层高5.4m部分塔楼有局部夹层, 标准层共计33层,层高2.9m。均设一层地下室, 地下室平面总尺寸233.5m382m,基本柱网尺 寸7.8m8.2m,各栋塔楼通过地下车库连为一 体,不设缝。工程抗震设防烈度七度,设计地 震分组第一组,塔楼抗震等级II级,地下车库 框架抗震等级III级,地基基础设计等级甲级f图 1、。 HHHHH_一_一H.一HHH H _一_一 .一H .一 H H H .一_一.一HHH H HH HH 5结论 参考文献 ①加筋土墙的设计必须考虑墙面板的滑脱和 稳定。 ②采用大厚度组合模块墙面和席垫式满铺土 工合成材料加筋是解决加筋土挡墙墙面变形的有 力措施。 ③工程实践表明,本文所介绍的大厚度组合 模块墙面稳定计算方法可供设计者参考。 [1】交通部 公路加筋土工程设计规范]1]015--91北京人民交通出版社 1991 [2】深圳市标准地基基础勘察设计规范报批稿SlG012009 【3】赵刚,欧阳仲春桩承加筋土垫层复合地基的原理与计算城市道桥与防洪 2004年第5期. 【4]王晓红软弱地基上的新型加筋土墙城市道桥与防洪2007年第9期_ 25 2010年12月第7卷第4期 采圳土木与建鳙 2地质情况 根据地质勘察报告p儿剞,场地处于珠江三角 洲海陆交互相冲积平原,是区域性断裂江夏断 层1通过的地段,在局部钻孔中见有构造角砾岩, 受断裂构造影响,其岩芯呈碎裂状,胶结较差, 风化强烈,沿断裂带附近,地下水活动导致溶 岩发育强烈。据分析,场地内断裂应属区域性 断裂的次级断裂构造,其活动性应与主干断裂 一致,故场地属构造较稳定区。其中,不良地 质情况为不规则发育的溶洞及上部局部地层中 存在较厚淤泥质土层,推荐基础形式采用桩基, 桩型选用预应力管桩和钻冲孔灌注桩,推荐持 力层为中f微风化层。场地土层分布详见表1。 经勘察,在中区所在场地发现分布有广泛 溶洞和土洞,具体特点总结如下①溶岩在部 分地区分布密集,其发育程度属中等~强烈发 育,溶洞连续深度最大值达到10m;②在揭露溶 洞的钻孔,其上覆土层为强风化泥岩及页岩, 岩质较软,强度较低,顶板硬质岩层较薄,在 施工过程中极易引起孔壁及地面坍塌等工程地 质问题;③基岩面起伏变化大,下伏灰岩隐伏 溶沟、溶槽和溶洞较发育,且空间分布不均匀, 性质变化大,岩层不连续,属典型的断层特征; ④溶洞数量多,但体积较小,分布没有明显规 律,连通性差,约213为填充和半填充。 表1土层分布及设计参数 钻、冲孔桩承载力 地层 /KPa 土层 代号 桩端 桩侧q qpa 第四系人工填 Qm 素填土 土层 第四系全新统 淤泥质土 Q;m 海陆交互相冲 粉质粘土 15 积层 中粗砂 30 Q。 第四系残积层 粉质粘土 20 全风化泥质粉砂 30 岩泥岩、砂岩 强风化泥质粉砂 60 800 岩泥岩、砂岩 中风化泥质粉砂 K 白垩系基岩 1600 岩泥岩、砂岩 微风化泥质粉砂 3000 岩泥岩、砂岩 中风化灰岩 3000 微风化灰岩 5000 26 注表中仅列出钻、冲孔灌注桩承载力参数,共他桩型未列出。 3勘察要求 基于前期的地质勘察资料和施工经验,认识 到若按照常规的勘察要求,是很难全面了解该工 程所在场地的地质分布情况,且作为施工图阶段 基础设计依据深度不够。经过两次溶洞处理检测 专项会议[5】商定,认为有必要对该场地进行更为 详细了解,故对勘察单位具体要求如下以基础 设计图纸为依据,要求对每个桩下所在位置须进 行超前钻。对塔楼外区域均要求一桩一孔,塔楼 内考虑到重要性和采用较大直径的桩,并结合一 期工程的经验,建议冲孔桩施工前加密超前钻, 采用一桩3~4孔,且钻孔深度加长,以便更有利 于探明桩侧和桩底溶洞分布,为设计提供完善的 地质依据。 具体钻孔终孔标准如下①钻LN达连续的 中风化层不小于6.5m,且无溶洞;②连续的中微 风化层不小于3m,且该层下为强风化层不小于 3.5m,无溶洞;③连续的强风化层不小于16.5m, 无溶洞;④深度35m范围内无溶洞;⑤若遇到全 风化夹层,换算原则为2m深度全风化层相当于 lm深度强风化层。确定钻孔终孔的依据主要是对 拟采用基桩桩侧摩阻力和桩端承载力在不同土层 反算出相应所需的最小桩长确定,并将桩下若存 在软弱夹层或溶洞时,满足最低承载力厚度所对 应的最小厚度,以及以往相关工程经验综合确定。 通过以上要求,基本可保证探明场地地质分 布情况。 4基础设计 该项工程的施工图设计是配合开发商总体进 度要求进行,设计和施工按照一~三期的顺序展 开。该工程南北方向总长达380m,场地土层分布 具有较强的区域性,其大致规律为东侧基岩位 于地表以下5侣m,分布较浅;B6、B7栋南侧区 域分布有较为广泛的淤泥质土层,厚度26m; B3、B10B13栋范围溶洞分布密集,其中,尤 以B10、Bll栋溶岩最为发育,几乎每个桩的钻孔 均发现洞高大于1.5m的溶洞,且局部地区有高度 大于8m的溶洞,小溶洞的分布无规律,特别是在 灰岩层与粉砂岩交界处,由于强烈的溶蚀作用而 产生很多小溶洞;一期北侧区域地下室底板下分 布有连续的粉质粘土层,而二、三期区域底板下 均分布有较厚的淤泥质土层。由于场地靠近珠江 流域,地下水位较高,抗浮设计水位与室外地坪 齐平。 4.1桩型选择 根据地质分布情况,一期的BI、B2栋以及位 于场地西北侧区域的塔楼外地下室,基于成本和 工程施工进度的考虑,桩型采用高强预应力管桩, 2010年12月第7眷第4期 采圳土木与律笳 桩径0.5m,壁厚125mm,AB型,闭口型桩尖, 桩身混凝土强度等级C80,桩端持力层为强f中 风化泥质粉砂岩,单桩竖向抗压抗拔承载力特 征值为2000 Ⅳ300 』\『。打桩的收锤标准以控制 最后三阵,每阵10击的贯入度不大于25mm为依 据。一期其余塔楼、塔楼外约20%柱下桩基,以 及后续二、三期全部桩基,根据地质条件,以及 施工的可操作性和可行性,桩型选择钻冲孔灌 注桩。 4.2溶洞处理要求和工艺流程 所有在超前钻和物探阶段发现的溶洞和土洞, 按照设计要求规定的均须予以填充处理,其处理 原则为①桩侧溶洞应进行预灌浆处理,处理后 土体岩体强度不应小于0.5MPa,并应满足正常 桩护壁的要求;②桩端下部3.5DD为桩身直径, 若桩端有扩大头,则为扩大头直径 和6.5m较大值 范围内的溶洞应进行预压灌浆处理,处理后土体 岩体强度不应小于2MPa,平面处理范围为桩中 心以外1.5D;③桩端下部3.5D~10m范围内的溶 洞也应进行预压灌浆处理,处理后土体岩体强 度不应小于1MPa,平面处理范围为桩中心以外 1.OD;④若桩端以下10m范围内岩层分布连续、 紧密稳定,则超出该范围的溶洞,可不予处理。 处理溶洞工艺流程具体为高压空气洗孔一 高压旋喷洗孔一高压灌浆一封孔一养护一抽芯检 测。另外,为防止停电造成溶洞处理事故,须单 独配备发电机。 4-3桩基设计 在详尽分析勘查报告,综合考虑造价、施工 便利和安全等各项因素的前提下,制定桩基设计 原则,根据每个桩位超前钻报告,逐一确定桩型、 持力层、桩长和桩身纵筋长度等参数。其中,塔 楼外地下室桩基设计思路如下①对地质情况较 为简单,分布有一定深度和厚度的强f中风化泥 质粉砂岩作为持力层,无不良地质情况,且该层 有较大面积的连续性,桩基可选用高强预应力管 桩例如一期部分区域。对桩身处于岩层,打 桩确实存在困难的情况,可采用“引孔法”r即在 桩基施工前,在该孔位先钻直径为dlOOmmd 为管桩直径的孔,然后再打桩的施工工艺;② 一期工程约1/4场地,地下室底板以下土层即为较 厚的粉质粘土甚至直接可见全强风化泥质粉 砂岩,持力层较浅。此种情况,仅底板下土层就 能承担上部结构大部分重量,桩基主要作用是抵 抗水浮力的上拔作用,每个柱下设置4根管桩,有 效桩长不小于6.5m,要求单桩抗压、抗拔承载特 征值各为350KN、150KN。由于存在打桩困难等 因素,后期部分改为钻冲孔灌注桩P2型桩; ③对桩侧和桩身存在溶洞的情况,优先选用钻冲 孔灌注桩;对后续工程地质情况有条件设计为管 桩的情况,权衡各项因素,均改为钻冲孔灌注 桩,其理由如下第一,可设计为管桩的桩基, 其四周往往又分布钻冲孔灌注桩,考虑到施工 方法的差异灌注桩为湿作业,管桩为干作业导 致难以同时交叉作业,且管桩桩位距离变化较大, 现场打桩机移位用时较多,施工效率低;第二, 泥质粉砂岩层遇水易软化,粉质粘土层遇水粘聚 力降低,本场地靠近珠江流域,地下水丰富且水 位高,管桩施工完成后,经过地下室的侵蚀,其 承载能力后期会有所下降,难以满足设计要求f静 载试验已经验证;第三,部分区域持力层存在灰 岩,该岩层硬度较强,岩面起伏较大,前期工程 造成的断桩率较高;④对基岩分布较浅,且基岩 厚度较厚的区域,选择带扩大头的钻孔桩P2型, 并规定最小桩长不小于5m,以满足塔楼外桩基兼 做抗拔桩的需求;⑤结合持力层的分布情况,对 钻f冲1孔灌注桩设计加以细化,结合超前钻报告, 持力层分别为强风化、中风化和微风化层三种情 况均有实际应用表2。原则上该桩型选择以选择 不扩底为优先考虑PP1型,理由如下第一, 扩孔需等钻孔机械旋挖钻施工完毕后,更换专 门设备冲扩桩机扩孔,施工工艺较为复杂。例 如若中风化层较薄,且其下分布有稳定的微风 化层时,桩身宜穿过中风化层,以微风化层作为 持力层,桩型选P1;第二,若持力层为中风化层, 扩底难度较大,且耗时较长;若为微风化灰岩, 岩层硬度较高,现有设备无法扩孔;第三,部分 桩基位于施工主干道上,处于施工组织考虑,须 先施工桩基后铺设临时施工道路,若选择扩孔, 则工期较长,对工程的总体施工进度有较大影响; ⑥若溶洞深度较浅,优先考虑钻冲孔灌注桩穿 过溶洞,使得溶洞位于桩身,其处理难度较易, 且费用较少r经测算,以桩长30m计,当溶洞位于 桩底以下,以每个桩用于预压灌浆的钻孔个数为 3个考虑,且不计相关行政收费,其单桩处理费 用约7.8万元,且处理后效果有时不稳定1。 塔楼范围内,根据勘察单位补充的一桩3~ 4孔的超前钻资料,特别对溶洞分布复杂的桩基 设计尤其慎重,例如B10栋ZH46桩的3个超前 钻的钻孔柱状图表明连续的溶洞分布呈明显的 无规律性,3个相距在2m以内的钻孔,其岩层分 布有很大差异,其中编号为1、2的钻孔分别有 27 2010年12月第7券第4期 采圳土木与建筑 VOL.7 NO.4 DEC2010 4.5m11 10m高的大溶洞,而3号钻孔在相同深度 范围内无溶洞。故应兼顾每个钻孔的具体情况, 计算单桩承载力和选择持力层位置时应同时保 证持力层在各个孔位内有一定连续稳定的重合 厚度。还须兼顾施工的可行性,持力层深度选择 也不宜过深,避免给施工带来较大不便。对无法 避免桩下存在溶洞的情况,应严格要求此类溶洞 的填充处理后的密实度和强度符合设计要求。对 部分由于上部结构墙体布置较密集,而导致相邻 桩基间距过小的情况,应组织合理的施工工序, 通过跳挖等措施予以解决。 表2钻冲孔灌注桩参数表 桩 单桩竖向 基 桩身直 扩底直 桩身 抗压抗拔 持力层 编 径/m 径/m 纵筋 承载力特 号 征值/KN 微风化泥岩、 P1 1lO 16 18 4700800 粉砂岩 强风化泥岩、 P2 1.0 1.6 16牛18 2000800 粉砂岩 中风化泥岩、 P3 1.0 2.0 16孛18 47000oo 粉砂岩 强风化泥岩、 P4 1.2 2.4 16 20 4700800 粉砂岩 注①表中所列持力层为最低要求,若遇到持力层桩端阻特征值高于 设计给出持力层岩层,则可考虑更换桩型 ②P2桩选用的前提条件是 底板下须有连续均匀分布的粉质粘土层或全强风化泥质粉砂岩, 地基承载力特征值不小于120KPa。 4.4桩身纵筋长度的取值 大多数钻冲孔灌注桩桩长2030m居多, 对位于塔楼内的桩基以承压为主,纵筋长度取 0.5LL为桩身总长度即可;塔楼外桩基起到承 压兼抗拔作用,桩身纵筋长度的取值应综合考虑 两方面的综合因素。逐一核对各桩超前钻资料, 经计算,对淤泥质土和粉质粘土层厚度较小的情 况,处于桩身上半部分长度桩侧摩阻力即可满足 抗浮要求,故基桩纵筋取0.5L即可。相反,若桩 身范围内淤泥质土和粉质粘土层较厚,其抗拔所 需的摩阻力在该层中所占比例很小,主要靠下部 土层承担。经核对,二期共计有37根桩属于此类 情况。此类桩纵筋长度上半段全部通长,下半段 一半钢筋通到桩底,隔一断一,即可满足要求。 5底板和承台设计 由于地下室底板不仅受顶板、底板的自重及 其上部荷载,而且受到场地地下水的托浮作用, 底板承担正反两方面的荷载作用,受力工况复杂。 28 底板采用“柱帽防水板”的无梁楼盖模式,板厚 0.4m。其中柱帽的作用是双重的,同时起到桩基 承台的作用,柱帽边长取2.6~2.8m,厚度0.8~ 1.3m。柱下若采用管桩,持力层较深区域均由受 压控制桩数,一般桩数为2~3桩。相反,则由抗 拔控制桩数。承台厚度由框架柱、桩基和水浮力 抗冲切、抗弯等因素确定。其中桩型为钻冲孔 灌注桩的承台,一般桩身直径大于柱截面尺寸, 为一柱一桩,承台对桩基而言仅起构造作用。2~ 4桩承台桩型均为管桩,其中2桩承台较为特殊, 考虑承台的作用,设计为条形承台梁即可;而考 虑兼做柱帽的作用,其外形仍与无梁楼盖柱帽的 形式相同图2。3~4桩承台的厚度由桩基抗冲 切控制,均取1.3m。 坚亘 注图中斜向钢筋未全部画出 图2 2~3桩承台兼柱帽详图 底板配筋由水浮力起控制作用,按照文献[ 】 规定对板底、板顶面的裂缝限值分别按照0.2ram、 0.3ram控制。同样,柱帽底部的配筋也由裂缝控 制,需要特别指出的是往往在柱帽变截面处受弯 起控制作用,须增加附加钢筋。对一期部分底板 位于粉质粘土层上的区域,由于底板下土层须承 担底板自重和上部结构一部分荷载,故底板的荷 载工况尚需考虑地基土反力的影响,计算结果表 明位于柱帽变截面处的配筋由地基反力起控制 作用。 6超长地下室的构造措施 本工程地下室超长,根据建筑功能的需要, 地下室将各栋塔楼全部连通,塔楼在地下室顶板 以上通过设缝成为各自单独的结构单元,即将地 下室顶板作用塔楼的嵌固端,避免了上部结构形 成多塔的复杂情况。地下室除按照整体施工进度 要求通过预留后浇带划分为三块分别对应一~ 三期外,一般每隔30m左右设置一道后浇带, 以满足超长地下室混凝土浇筑带来的水化热问题。 另外,在地下室外墙,每隔20m设置一道后浇加 2010年12月第7器第4期 榘llii与建筑 VOL.7 NO.4 DEC2010 强带,通过在混凝土内掺加少量外加剂,再配合 精心地施工组织,基本可避免常见的混凝土外墙、 底板开裂问题。 7桩基检测 严格的桩基检测措施是保证施工后桩基合格 的重要依据,按照文献[7]【8]的相关规定,对一柱一 桩应采用低应变法100%检测桩身完整性,单桩 静载荷试验是确定桩基竖向承载力特征值的最可 靠依据,但考虑到检测费用和较大桩径检测困难 的问题,可增加部分钻芯法和超声波法作为辅助 的检测手段。对管桩,若发现单桩承载力特征值 不满足设计要求的桩,须予以补桩,补桩原则两 桩承台补桩两根,三桩承台补桩一根图3,塔楼 范围内的补桩视具体情况予以处理。 图3 2~3桩补桩示j蕞图 8施工经验总结 中区一期进行溶洞填充处理和桩基施工后, 有以下经验值得总结。溶洞处理方面存在的问题 有①施工过程中根据钻孔和灌浆情况发现现场 溶洞多数为土洞,连通性不好或不连通,绝大多 数有填充物;②由于溶洞内有填充物存在,原来 设想拟通过灌浆将填充物置换的方案很难实现, 实际灌注到洞内的水泥浆很难形成完整的胶结物, 很大程度上是对原填充物起到挤密作用,须改进 施工工艺;③溶洞灌浆处理效果检测中未在溶洞 中发现有可做强度试验的样品,故对强度评判无 可靠的依据,设计提出对位于桩身的溶洞填充物 强度应不小于0.5MP ,仅靠填充时的侧向压力挤 密或很微量浆体填充到洞中,是很难达到设计要 求的;④管桩区域对进行了溶洞处理的区域施工 后未发现漏水现象,而先期未发现溶洞而没有进 行处理就直接施工管桩区域出现漏水现象,说明 溶洞填充基本保证土体稳定,满足施工安全的需 要;⑤施工中同样发现,对未处理桩侧溶洞,直 接进行冲孔桩施工,桩施工完毕后再处理桩底溶 洞会出现漏浆、塌孔、掉钻和陷机等事故,各种 施工事故的出现,会使得现场施工管理混乱,严 重影响工期。故在后期的施工中“先处理溶洞,后 施工桩基”的做法施工工序尤为重要;⑥基于本工 程溶洞孔径小且不连通的特点,采用管波探测技 术检测溶洞分布情况效果并不理想,实际施工桩 基仍能发现有新的溶洞在前期检测没有查到,若 施工遇到事先未检测到的溶洞,常常使得施工陷 入被动局面,故在后续工程中取消管波探测,而 采取如前所述的加密钻孔,并加长钻孔深度的方 案。 在施工过程中,发现本工程采用预应力管桩 存在诸多问题,主要有①塔楼内由于竖向荷载 较大,一般设计须采用桩筏基础,桩基在局部区 域几乎满铺,管桩分布较密,尽管采用跳打工序, 但仍然存在打桩入岩困难和基桩偏位的问题;② 由于塔楼外桩基为承压兼抗拔桩,北侧部分区域 基岩分布较浅,部分桩入土深度无法保证最小桩 长,不得不予以补桩;③ 6、B7栋下侧部分区域, 桩身所在土层以淤泥和粉质粘土为主,经静载试 验,发现部分单桩承载力特征值未达到设计要求。 一般通过“复压”的施工方案可适当提高管桩承 载力,但机械设备须重新进厂,工期和造价是需 要重点考虑的因素。④部分管桩需要采用引孔法, 存在问题是引孔太小,后期打桩到达设计要求深 度难度较大,且易断桩;若引孔孔径太大,桩侧 的摩阻力又很难保证。 8结论 ①基于某一具体工程,对复杂溶岩地质条件 下基础设计提出指导性意见,供同类工程参考; ②对存在溶洞和土洞的场地情况,建议进行 超前钻予以实现详尽了解地质情况,为基础设计 提供可靠依据; ③若溶洞分布复杂,一桩一孔和管波探测的 勘察方案有时不足以反映地质分布,建议加密钻 孔,对较大直径桩进行一桩3~4孔的超前钻措施 是了解溶洞分布的最直接措施; ④桩基持力层的选择应结合每个钻孔具体的 勘察资料,持力层的选择可区别对待,最大可能 做到安全经济。 ⑤开发商、勘察、设计和施工单位及时沟通, 总结前期施工经验和教训,优化设计和施工方案 在处理此类复杂工程基础问题尤显重要,可最大 程度地实现成本和安全可靠的双赢局面。 参考文献 [I]GB500072002建筑地基基础设计规范【s】,中国建筑工业出版社,2002,北京 【2]D 15-31-2003广东省标准建筑地基基础设计规范【s】,中国建筑工业出版社 2003.北京. [3】金沙湾项目中区岩土工程超前钻报告附件九~十四【R],河源市工程勘察院, 2008. 【4]金沙湾项目中区岩土工程超前钻报告 ],广州中煤江南基础工程公司,2008. [5]金沙湾中区一、二期溶洞处理检测专项会议纪要,2008. [6]G850010-2002混凝土结构设计规范【s】,中国建筑工业出版社 2002,北京 [71161106-2003建筑基桩检测技术规范【s】,中国建筑工业出版社,2003,北京 【8]0 15-60-2008广东省标准建筑地基基础检测规范 】J中国建筑工业出版 社 2008,北京■. 29 桩 .

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