某大型游乐项目位于广州市花都区,其平面尺寸为(119～130)m×85m(图1),其中室内功能服务区两层,局部设置有一层地下室,层高自下而上依次为5.7,6.4,5.2m,结构屋面高度为10.8m,采用钢筋混凝土框架结构形式。由于所在地区为岩溶地质灾害高发区,本文将主要讨论该室内功能服务区及部分室外游乐包装设施的基础选型设计。

　　 如图1所示,局部设置的一层地下室的底板相对标高为-5.750m,抗浮水位相对标高为±0.000m;地下室投影范围内上部荷载不满足整体抗浮稳定要求,因此地下室范围的基础主要由抗浮控制,水浮力作用下的柱底拉力为350～1 600kN;非地下室范围无抗浮要求,基础主要由抗压控制,竖向荷载作用下的柱底压力为500～1 700kN;基础的抗浮和抗压控制区域面积比例约为3∶2。

　　 根据钻探揭露(图2),本场地岩层风化作用剧烈,灰岩岩面起伏大,相邻两钻孔之间岩面埋深相差悬殊,岩面坡度变化很大,规律性弱,溶洞顶板薄(局部仅为0.1～0.6m);土洞、溶洞见洞率约43.2%(土洞见洞率4.3%,溶洞见洞率为38.9%),以单层溶洞为主,局部为多层溶洞,岩溶发育,部分溶洞连通性较好,溶洞多全充填,充填物为流-软塑黏土,局部无充填,洞高为0.40～28.8m;场地属于岩溶强发育地区。物探显示溶洞分布见图3,钻探孔中溶洞统计见表1。

　　 该项目一期基础施工已完成,地质情况与目前区域地质情况接近。一期采用的是钻孔灌注桩基础,对所有桩都进行了超前钻,并对发现的溶洞进行了处理。但由于超前钻未能全面地反映出桩位处土洞、溶洞的实际情况,造成部分土洞、溶洞在处理过程中出现了注浆量过大或难以注满的情况,土洞、溶洞处理就费用巨大,工期也一再延误。

　　 设计中首先探讨了采用预应力管桩基础方案的可行性。本项目近80%的桩都是抗拔桩,而根据地勘资料,由于岩面太浅,大部分桩长都无法达到设计最小桩长8m,难已满足抗拔承载力的设计及布桩要求。同时,超前钻揭示溶洞处理后的位置,由于灌入了大量水泥浆,管桩无法施工必须改为灌注桩,根据一期经验这意味着60%以上的管桩都要改为灌注桩(图4)。因此本项目基础采用预应力管桩是不可行的。

　　 根据地勘资料,如果采用钻孔灌注桩,抗压桩直径D=800mm,单桩竖向承载力特征值^[1]为3 800kN(表2),抗拔桩成桩直径D=1 000mm,单桩抗拔承载力特征值为1 200kN(表3)。

　　 按照上述单桩承载力,本项目共需布置抗压钻孔灌注桩129根,抗拔钻孔灌注桩233根,总桩数362根。钻孔灌注桩布置方案见图5,造价估算见表4,仅桩基及超前钻的费用已达725万元,加上土溶、溶洞处理及后期检测费用,预计桩基础造价将超过1 500万元,经济代价巨大。

　　 除了造价高,根据一期的经验,在岩溶强发育区,由于溶洞群连通漏水,钻孔施工中突然跑浆的可能性较大,施工安全性较差。要做到每根桩桩端都确实落到坚实的基岩上,探查、监测和后期检测工作繁复艰巨。此外,本项目还存在大量的游乐设备和大型包装造型基础,其确定时间都较晚,如果等这些设备和包装位置完全确定后再进行超前钻和溶洞处理,工期上业主完全无法接受。

　　 根据项目特点、现场条件的要求,设计中提出了刚性桩复合地基的新方案。刚性桩复合地基是一种考虑桩土共同作用的地基处理方式,基础的典型构成如图6所示。

　　 刚性桩复合地基桩端可施工到强风化面层,特别适合在岩溶地区应用,具有如下的特点及应用优势:

　　 (1)采用桩土共同工作的刚性桩复合地基将桩基强大的集中力变为随深度而减小的附加应力,单桩承载力取值远小于管桩,基底平均压应力小于600kPa均可采用。其桩端附加应力大幅度降低,无需对岩面以下闭口溶洞进行处理。

　　 (2)抗压承载力高于传统CFG复合地基,而抗拔原理与锚杆类似,单位面积抗拔承载力高于管桩。

　　 (3)对已存土洞进行随时填堵混凝土(不采用灌浆方法),对岩层表面的浅层开口溶洞采用间隙灌注进行封口,以避免形成新的土洞。

　　 (4)无需进行超前钻,桩施工与土洞、溶洞处理同步进行,其施工监测的工期完全可控。

　　 (5)由于刚性桩复合地基施工时,可以边施工刚性桩边处理土洞、溶洞,桩费用和土洞、溶洞处理费用可并一起,投资完全可控。

　　 (6)在岩溶地区已有大量成熟的施工实例及设计施工经验。

　　 (7)本工程采用刚性桩复合地基基础后,实测沉降比钻孔灌注桩沉降有较大减小,噪声及水污染也大大降低。

　　 根据地勘报告,本项目无地下室区域的刚性桩顶主要处于杂填土层,取f_ak^[2]=80kPa(f_ak为地基承载力特征值);地下室区域的刚性桩顶主要处于粉质黏土层,取f_ak=150kPa。

　　 A型承台刚性桩单桩承载力为600kN;B型承台刚性桩单桩承载力为800kN;C型承台刚性桩单桩承载力为500kN,单桩抗拔承载力为135kN;D型承台刚性桩单桩承载力为550kN,单桩抗拔承载力为215kN;E型承台刚性桩单桩承载力为650kN,单桩抗拔承载力为280kN。

　　 经计算分析,将该场区处理后独立基础下复合地基换算承载力特征值^[3]分三种:1)A型承台下复合地基换算承载力特征值为350kPa;2)B型承台下复合地基换算承载力特征值为450kPa;3)C,D和E型承台下复合地基换算承载力特征值为300kPa。

　　 根据上述承载力分析,本项目共布置抗压刚性桩317根,抗拔刚性桩1 056根,总桩数1 373根。刚性桩复合地基基础方案布置见图7,刚性桩与基础连接大样见图8。

　　 由于刚性桩施工与溶洞处理同步进行,正常情况刚性桩施工速度为700～1 000m/d。以开挖至桩顶标高以上1.0m施工刚性桩考虑,按一台设备计算,本项目有效工期约为30d,与钻孔灌注桩方案相比工期大幅缩短。

　　 刚性桩复合地基方案造价估算如表5所示,包含土洞、溶洞处理的总费用为569万元,仅为钻孔灌注桩方案造价的1/3。

　　 本项目的刚性桩复合地基施工已完成。在只用一台设备的前提下,该刚性桩复合地基基础的完工周期用了不到一个月时间,且后期检测无论是桩或复合地基的承载力都全部满足设计及规范要求。由于实施效果非常理想,在施工单位的建议下,业主将邻近地块商业项目的基础也改为了刚性桩复合地基基础。

　　 本项目的特点是岩溶强发育,岩层埋深起伏大,上部结构重量不大导致基础抗压需求低而抗拔需求大。在这种情况下采用钻孔灌注桩、管桩等方案,对溶洞处理的要求高,工期不可控,且严重扰动原有持力层结构,安全隐患也较大。该场地即使采用土层作为天然基础,其承载力已接近满足要求,只是沉降和下部的土洞地质隐患无法控制。刚性桩复合地基具有可边施工边处理土洞和表面开口溶洞的特点,且可施工到岩层面,考虑了桩土共同工作,解决了天然基础的承载力和沉降问题,克服了上述其他基础类型的缺点,造价低且工期可控,值得在类似项目中推广。