对处于自重湿陷性黄土场地的各类建筑结构工程的基础设计, 应根据上部主体结构的建筑物分类、场地湿陷类型、地基湿陷等级以及地基处理后下部未处理湿陷性土层的剩余湿陷量, 结合当地基础设计经验和施工条件等综合因素在经济合理的前提下确定合理的基础形式、湿陷性土层的处理深度以及地基处理方法。对于自重湿陷性场地的基础设计, 一般先确定基础形式, 再根据建筑物分类及基础类型对湿陷性土层的处理要求选用合理的地基处理方法, 然后确定地基处理需消除湿陷性土层的深度。本文结合位于深厚自重湿陷性场地的高层建筑旋挖灌注桩基础工程设计实例, 详细说明对于深厚自重湿陷性场地基础设计过程中所遇到的技术问题以及解决办法。

　　 乌鲁木齐市文化中心项目位于乌鲁木齐市水磨沟区红光山片区, 本项目以“雪莲”花为造型, 美术馆、规划馆、音乐厅、大剧院、图书城、博物馆六大场馆仿佛雪莲花的六朵花瓣, 围绕着中心的花蕊文化塔, 犹如一朵盛开的雪莲花。本文重点介绍文化中心场馆之一的美术馆旋挖灌注桩基础设计, 也是所有场馆中自重湿陷性土层最厚的场馆之一。美术馆±0.000相当于绝对标高769.00m, 地下1层底标高761.5m, 建筑物含地下室在内共6层, 建筑总高度45m。水平地震影响系数α_max为0.21, 场地特征周期T_g为0.50s。抗震设防分类为乙类, 建筑物的结构形式采用框架-剪力墙结构 (图2) , 框架柱及剪力墙端柱最大轴力标准值为11 000kN。

　　 根据地质勘察报告 (图3) , 在勘察深度范围内, 各主要地层描述如下:

　　 (1) 素填土:该层在美术馆、规划馆、博物馆场区大范围内分布, 厚度为0.50～19.40m, 以粉土为主, 松散～稍密。根据地下室的设计标高, 美术馆范围内素填土已基本挖除。

　　 (2) 黄土状粉土:场地主要地层, 厚度为7.00～34.00m, 稍密～中密。本次勘察在探井中取得142件原状土样做土常规试验, 有关场地土湿陷性指标统计见表1。

　　 试验结果表明, 142件土样中有97件土样具有湿陷性, 场地土湿陷程度为轻微～强烈。142件土样中有46件土样具有自重湿陷性, 自重湿陷系数为0.015～0.110。

　　 (3) 角砾:厚度为22～34m, 一般粒径为20～30mm, 较大的粒径为80～100mm, 颗粒多呈棱角状, 颗粒骨架间以砂混土充填为主, 中密～密实。在探井中共取9件未扰动样本做土颗粒分析试验, 试验结果显示该层土的级配良好。

　　 场地地层主要以黄土状粉土为主, 湿陷性是黄土状粉土的最重要特性。本次勘察在探井中取得原状土样142件, 取样深度为1.00～20.20m, 进行了室内土样湿陷性试验。为了综合比较、评价试样的湿陷系数、自重湿陷系数与试样埋深的关系, 地勘部门做了试样湿陷系数、自重湿陷系数与试样绝对高程的散点图 (图4) 。

　　 通过散点图可看出:试样中45件土样湿陷系数δ_s小于0.015, 不具湿陷性;97件土样湿陷系数δ_s不小于0.015, 具有明显湿陷性。湿陷性土样中, 25件土样湿陷系数δ_s为0.015～0.030, 属轻微湿陷性, 占25.8%;43件土样湿陷系数δ_s为0.030～0.070, 属中等湿陷性, 占44.3%;29件土样湿陷系数δ_s大于0.070, 属强烈湿陷性, 占29.9%。湿陷程度以中等湿陷性为主, 随着深度的增加, 湿陷系数有逐渐减小的趋势, 在绝对高程737.00m以下土样基本不具湿陷性。

　　 美术馆基底以下黄土状粉土厚度为34m, 其中湿陷性土层厚度为24.0m, 湿陷量Δ_s计算值为665～1 042mm, 自重湿陷量Δ_ZS计算值为119～343mm。

　　 地下水位较低, 场区稳定水位在自然地面62.0～68.0m以下, 绝对高程为711.44～713.83m, 距设计基底标高最小约47.0m。地下水类型为潜水, 其补给来源主要为大气降水和地下水径流;水位受环境影响变化大, 水位年变化幅度为2.0～2.5m。

　　 根据原位测试、室内土工试验结果, 黄土状粉土含水量较低, 孔隙较为发育, 土呈稍密状态, 天然状态下土力学性质较好, 但浸水后将产生严重湿陷性。

　　 从工程地质剖面图可以看出, 基础底板坐落在黄土状粉土层上, 黄土状粉土最大厚度为34m, 该层的上部24m深度范围内具有中等～严重湿陷性, 且天然状态下的承载力较低, 地基承载力特征值为130kPa。黄土状粉土以下为角砾层, 最小厚度为22m, 角砾层以下的软弱下卧层为粉质黏土。从地层深度分布情况可以看出, 假如角砾层能满足桩基承载力设计要求, 是理想的桩端持力层, 地勘部门提供该层钻孔灌注桩的极限端阻力标准值为2 200kPa, 极限侧阻力标准值为140kPa。

　　 美术馆为公共建筑, 根据工程本身的重要性、地基受水浸湿可能性的大小以及在使用期间对不均匀性沉降限值的严格程度, 根据《湿陷性黄土地区建筑规范》 (GB 50025—2004) ^[1] (简称黄土地区建筑规范) , 美术馆应属于乙类建筑。对于本工程的基础设计, 按照黄土地区建筑规范以及《地基基础设计规范 (GB 50007—2011) ^[2]的要求, 基础设计应满足如下规定:

　　 (1) 可以按照甲类建筑的要求, 采用桩基穿透黄土状粉土层, 桩端持力层可以选择角砾层。

　　 (2) 当采用天然基础时, 对乙类建筑的基础设计应满足下列规定:1) 乙类建筑应消除地基的部分湿陷量。2) 在自重湿陷性黄土场地, 乙类建筑消除地基湿陷量的最小处理厚度, 应该不小于湿陷性土层深度的2/3, 且下部未处理湿陷性黄土的剩余湿陷量不应大于150mm。3) 如基础宽大或湿陷性黄土层厚度大, 处理全部湿陷性黄土层深度的2/3确有困难时, 在建筑物范围内应采用整片处理。处理厚度在自重湿陷性黄土场地不应小于6m, 且下部未处理湿陷性黄土的剩余湿陷量不应大于150mm。

　　 根据黄土地区建筑规范对乙类建筑的地基处理要求以及本工程基础设计的技术要求, 在先确定基础形式的前提下结合基础设计要求确定地基处理方法。美术馆可以采用两种可能的基础形式:筏板基础、桩基础。

　　 首先探讨采用筏板基础的可能性:先对上部黄土状粉土进行强夯处理, 消除一定深度范围土层的湿陷性后设计成筏板基础。通过技术分析, 采用筏板基础存在以下4个不利条件:1) 由于湿陷性土层较厚, 即使采用整片强夯处理消除基底以下6～9m湿陷性土层的湿陷性, 未处理的湿陷性土层的剩余湿陷量按理论计算远大于150mm, 达不到黄土地区建筑规范对于乙类建筑剩余湿陷量的要求;2) 上部结构采用框架-剪力墙结构, 一般柱网尺寸为8～10m, 柱网最大尺寸为27m, 相邻柱荷载很不均匀, 如采用筏板基础, 筏板内力按弹性地基板进行分析计算的结果表明, 局部柱底筏板的基底反力高达450kPa, 这对地基处理的要求太高, 一般的地基处理方法达不到这么高的承载力, 如采用刚性桩对局部柱底范围进行加固后的复合地基, 刚性桩的桩端持力层选择角砾层, 刚性桩的桩长达到33m, 且数量较多, 造价不一定低;3) 本工程处于地震高烈度区, 水平地震力很大, 在水平地震作用下, 部分剪力墙端柱出现较大的拉力, 筏板受力分析较为复杂;4) 由于地下室结构超长, 美术馆地下室与地下车库裙楼设有伸缩缝, 导致地下室的一侧不具备嵌固条件, 因此结构嵌固端只能取在地下室底板, 采用筏板基础对地震作用下的抗倾覆不利。通过以上分析, 美术馆最终放弃采用筏板基础而选择采用旋挖灌注桩基础。

　　 从地质情况可以看出, 地基基岩在基底标高以下73m处, 由于造价太高, 不宜作为桩端持力层, 黄土状粉土层下的角砾层是桩端持力层的惟一选择, 确定单桩承载力成为桩基础设计过程中重要环节。

　　 本场馆角砾层最薄厚度为22m, 根据竖向承载力需要以及旋挖桩的设备、施工工艺要求, 假如本工程可能用到的最大桩径为2m, 考虑到角砾层以下存在粉质黏土的软弱夹层, 桩端以下预留的持力层厚度取5倍桩径, 即10m, 那么桩端进入角砾层的最大深度可以取到12m, 总桩长为45m。尽管已经采用桩基, 但作为基础底板持力层的黄土状粉土在遇水湿陷后会与底板脱开, 这对抗震十分不利, 因此仍然考虑采用大面积强夯的整片处理措施消除基础底板以下6m深度范围内湿陷性黄土的湿陷性, 减少土层的渗透性, 增强整片土层的防水效果, 防止大气降水、生产及生活用水从上面或侧向渗入下部未处理的湿陷性黄土层引起湿陷。单桩承载力按以下原则进行计算:1) 计入桩端承载力以及12m深度范围内角砾层的桩侧摩阻力;2) 考虑角砾层以上10m深度不具有湿陷性的黄土状粉土的侧摩阻力;3) 根据《建筑桩基础技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[3], 考虑桩基的侧阻力、端阻力的尺寸效应系数;4) 由于未消除湿陷性土层遇水湿陷下沉会带动基础底板以下6m强夯处理层的下沉, 因此计入负摩阻力的黄土状粉土层总厚度为24m。根据以上原则计算得到的单桩承载力特征值见表3。

　　 由于计算得到的单桩承载力较低, 按照以上单桩承载力特征值进行桩基础布置时遇到了以下技术困难:1) 如采用柱下单桩, 则选用最大桩径都不能满足大部分框架柱的承载力要求;2) 如采用群桩, 桩中心间距取3倍桩径, 则不论采用哪种桩径布置都造成布桩困难且桩的数量太多。

　　 因为本工程为公共建筑群, 桩基数量众多, 如采用不科学的单桩承载力参数会对工程的基础造价产生巨大影响。针对以上基础设计中存在的技术困难, 设计院经与建设方协商以后要求建设方安排原地勘部门进行了以下技术试验:

　　 (1) 渗透性试验

　　 对湿陷性黄土状粉土层进行渗透性试验, 确定在天然状态下黄土状粉土在一般情况下水能渗透的最大深度, 从而采取强夯方法对该深度范围内的土层进行挤密, 并消除该深度范围内土层的湿陷性, 在采取特殊防水措施的前提下希望将这一深度范围内的负摩阻力变为对桩基承载力有利的正摩阻力。

　　 根据现场浸水试验结果, 黄土状粉土在天然状态下, 浸水的最大深度为6m, 6m以下不采取特别措施水难以下浸。

　　 (2) 桩基础荷载箱自平衡试验

　　 将桩端持力层进入角砾层深度定为6m, 采用荷载箱自平衡法进行单桩竖向承载力静载试验, 以试验结果确定角砾层的实际桩端承载力以及桩侧摩阻力。为进一步提高桩端角砾层的端阻力, 减少桩基下沉, 试验桩采用桩端复式后注浆工艺, 注浆压力在8MPa以上, 单桩注浆量按下式估算:

　　 $G{}_{\text{c}}=a{}_{\text{p}}d+a{}_{\text{s}}nd$

　　 式中:a_p, a_s分别为桩端、桩侧注浆量经验系数, a_p=1.5～1.8, a_s=0.5～0.7, 对于卵、砾石、中粗砂取较高值;n为桩侧注浆断面数;d为基桩设计直径, m;G_c为注浆量, 以水泥质量计, t。

　　 本工程桩基仅采用桩端注浆, 因此注浆量的估算取1.8d。桩基荷载箱自平衡试验结果见表4。

　　 三种不同直径的桩基静载试验表明, 采用桩端复式后注浆工艺的桩端端阻力相对地勘报告提供的端阻力有了大幅度的提高。地勘部门通过桩基竖向静载试验数据, 将角砾层桩基参数进行了修正, 将角砾层的极限端阻力标准值 (采用桩端后注浆工艺) 提高到8 000kPa, 极限侧摩阻力标准值由140kPa提高到150kPa, 同时指出黄土状粉土的上部土层在通过强夯处理消除湿陷性并采取三七灰土防水措施后可以考虑利用侧摩阻力。

　　 为进一步优化对桩侧摩阻力的科学利用, 提高单桩竖向承载力, 对黄土状粉土的强夯处理方案进行了如下设计优化:

　　 (1) 为增加基底以下黄土状粉土的防渗漏深度以及提高黄土状粉土上部土层的桩侧摩阻力, 将基底以下黄土状粉土消除湿陷性的深度定为9m。根据试夯区的强夯试验检测结果, 当夯击能采用5 000kN·m时 (采用更高的夯击能会对周边居民的日常生活造成一定影响) , 夯击面以下6m深度范围内的黄土状粉土可以消除全部湿陷性, 6m以下则不能完全保证消除湿陷性。因此决定将基底以下9m的处理深度分两种不同的施工工艺完成。1) 基底以下3m深度内的黄土状粉土采取全部开挖后再分层压实回填, 并采用强夯补强, 回填土分层回填碾压厚度不大于0.3m, 压实回填后强夯补强的最大夯击能为3 000kN·m;2) 基底3m以上至9m深度范围则采用大面积强夯处理, 强夯范围每边宽出基底范围6m, 强夯最大夯击能为5 000kN·m。

　　 (2) 经过强夯处理后基底以下9m深度范围内的土层应全部消除湿陷性, 湿陷系数需小于0.015, 同时地基承载力不小于180kPa。

　　 黄土状粉土采取以上处理措施后仍然有15m深度未消除湿陷性, 有必要进一步分析受水浸湿后产生湿陷的可能性。由于本工程地下水的水位较低, 即使水位受环境影响变化的最高水位也远低于黄土状粉土的最低标高, 因此可以排除湿陷性土层受地下水影响的可能性, 唯一可能对湿陷性土层产生不利影响的水的来源为大气降水、生产及生活用水的下渗。为进一步确保基底以下土层的防水效果, 根据黄土地区建筑规范的要求在地下室底板以下增设一层0.3m厚的三七灰土防水层, 三七灰土防水层宽出建筑物基础底板6m。

　　 对黄土状粉土采取以上处理措施及采取三七灰土防水垫层后的单桩承载力按以下原则进行计算:1) 单桩承载力计入桩端承载力以及角砾层深度范围内的侧摩阻力;2) 考虑角砾层以上10m深度不具有湿陷性的黄土状粉土的侧摩阻力及基底以下9m深度范围内已消除湿陷性土层的侧摩阻力;3) 根据《建筑桩基础技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[2], 考虑桩基的侧阻力、端阻力的尺寸效应系数;4) 15m未消除湿陷性黄土层不计入正摩阻力亦不计入负摩阻力。按以上原则计算得到的单桩承载力特征值见表5。

　　 可以看出, 经过以上技术优化后桩的长度由45m减小为39m, 单桩承载力比最初的设计方案提高了1倍以上, 根据以上单桩承载力特征值进行本工程的桩基础设计, 桩基总数量大大减少。桩基施工完成后, 根据黄土地区建筑规范以及《建筑桩基础技术规范》 (JGJ 94—2008) ^[3]的要求, 对桩基进行单桩竖向承载力静载荷浸水试验, 所有桩基均满足承载力设计要求且沉降很小。

　　 对于深厚自重湿陷性场地的基础设计, 应在仔细分析上部结构类型、湿陷性土层的湿陷等级及厚度且进行经济比较的基础上选择合理的基础形式及地基处理方式。当选用桩基础时, 在采取强夯方法使土层被挤密的厚度大于水能下浸的最大深度以及采取三七灰土的防水措施后, 可将端承桩变为端承摩擦桩, 充分发挥桩侧土层的摩阻力, 大幅度提高单桩的竖向承载力, 节约大量的基础工程费用。