复合地基是现今岩溶区建筑地基应用较为广泛的基础形式, 其中最为重要的是基础选型和计算。以龚晓南^[1]为代表的专家对复合地基进行了大量的理论和工程应用方面的研究, 并提出了复合地基的计算理论^[2,3]。复合地基的整体受力特点^[4]较好地满足了岩溶地区复杂地质环境的要求, 但岩溶地区地质环境差别大, 且同一场地中岩溶发育也不均匀, 因此, 其桩基选型和计算对于每一个工程也不一样, 需要进行仔细分析^[5,6,7]。因此, 本文对岩溶地区某高层住宅塔楼的基础方案进行了比选和分析, 论述静压PHC管桩在岩溶地区复合地基中的适应性。

　　 广州市西郊村住宅项目位于广州市荔湾区大坦沙中部、地铁五号线入江隧道北侧, 总建筑面积约为97 649m²。地块东临珠江, 地上为6栋34层高层住宅塔楼及配套公建, 塔楼主屋面建筑高度为100m, 地下1, 2层为车库, 埋深约为11m。塔楼采用剪力墙结构, 塔楼以外裙房、地下室采用框架结构。

　　 根据岩土工程勘察钻探揭示, 场地由上至下覆盖土层的物理力学参数见表1。部分岩土层岩性差异较大, 有淤泥质土、粉质黏土等, 岩土面较平整。场地局部有溶洞存在, 钻孔见洞率为64.16%, 属强烈发育。岩溶以多层溶洞为主, 少量为单层溶洞, 溶洞多数无充填, 部分半充填或全充填, 充填物以黏性土为主, 局部夹碎块石, 钻孔钻进时有响声, 有漏浆现象。洞高最大为4.90m, 为串珠状溶洞, 最小为0.10m, 大部分溶洞规模不大, 洞高多为0.30~1.00m左右。结合本工程超前钻钻孔溶洞揭示情况, 场地岩溶发育不均匀, 从西往东溶洞发育程度逐渐降低。典型地质剖面如图1所示。

　　 综合考虑本工程周边环境和地质条件的复杂性, 现从岩溶地区基础选型的角度对基础方案进行论证。

　　 结合上部结构形式、土层力学参数、岩溶岩面分布情况, 经试算分析得出天然地基承载力不满足要求, 筏板基础不适用于本工程。塔楼区域有溶 (土) 洞存在, 初步选用桩基础或复合地基基础。下文从成桩质量、持力层、造价及工期等方面, 同时结合岩溶地区地质对基础的不利影响, 对常用的桩基础及CM桩复合地基进行对比分析。

　　 根据本工程情况, 桩基础主要对比钻 (冲) 孔灌注桩和PHC管桩。钻 (冲) 孔灌注桩的优点主要表现在设计持力层可靠、清晰, 但钻 (冲) 孔灌注桩在岩溶区的施工存在风险较高、质量难以保证、造价偏高、进度慢等困难, 具体表现为:当钻 (冲) 透溶洞时易出现塌孔、漏浆等施工风险, 而处理塌孔可能引起的施工时间长, 从而拖延工期;同时难以察觉钻 (冲) 孔土层内的土洞及小塌孔, 难以判断容易出现的断桩等质量问题。且钻 (冲) 孔灌注桩对环境影响较大, 不满足对环境的控制要求。同时由于溶洞软弱夹层的存在, 难以满足钻 (冲) 孔灌注桩嵌岩的条件^[8]。对于采用非复合地基的PHC管桩基础, 通过试算, 此桩基础需要满堂布置, 单桩承载力特征值较大, 达到1 500k N;大承载力的PHC管桩对于承载地层的要求较高, 常需要穿过夹层或孤石, 施工较为困难, 并且由于承载力过大, 施工时遇到溶洞易产生滑桩、断桩等质量问题, 不满足基础设计的要求。

　　 CM桩复合地基 (刚-柔性桩复合地基) 由刚性桩 (C桩) 、亚刚性桩 (M桩) 、桩间地基土和褥垫层四部分共同组成。CM桩复合地基是在对国内外复合地基的工作机理、褥垫层效应、传力特性、应力分析、变形及承载力深入研究基础上提出的一种新型复合地基, 具有以下技术特点:1) C桩与M桩的平面交叉布置和空间长短布置使平面及空间形成刚度梯度, 从而获得了高强度的复合地基;2) CM复合地基中形成的三维应力, 不仅调动了深层土参与复合地基工作, 也使桩间土的强度得到提高, 从而使土的参与工作系数大于1.0;3) CM复合地基竖向长短桩布置的优化使之形成三层地基, 从而减小了复合地基的沉降;4) CM复合地基在广东地区高层建筑中已取得广泛应用, 基础的沉降可控制在6.1~11.3mm^[9]范围内。另外根据测算, CM桩复合地基的造价相对钻 (冲) 孔灌注桩较低, 两种方案在本场地适应性进对比如表2所示。

　　 通过以上分析对比, 岩溶强烈发育区的塔楼基础选用CM桩复合地基。

　　 目前, CM桩复合地基C桩主要采用CFG桩和静压PHC管桩。CFG桩主要采用长螺旋泵送混凝土工法施工, 根据地勘资料参数, CFG桩桩端土承载力特征值较低, 桩长较短, 其单桩承载力只能达到700k N^[10], 不满足复合地基承载力设计要求;虽然CFG桩可同时对开口溶 (土) 洞进行处理, 但其桩身质量难以保证, 且溶 (土) 洞需要整块进行处理。因此, 本项目不适宜采用CFG桩作为CM桩复合地基中的C桩。

　　 《刚性桩-亚刚性桩三维高强复合地基技术规范》 (DBJ/T 15-79—2011) ^[9] (简称复合地基规范) 中强调在岩溶地区慎用静压PHC管桩施工C桩, 这主要是由于岩溶地区预应力管桩断桩率偏高, 遇土洞时管桩无法进行及时填堵。考虑到本工程岩层主要是泥质粉砂岩、泥灰岩、灰岩等, 岩面较平整, 桩底持力层稳定, 且厚度大, 适当降低PHC管桩单桩承载力, 可以有效降低出现断桩和偏桩的概率, 保证桩身质量;在持力层稳定且厚度较薄的区域采用桩底溶洞注浆加固, 可降低工程造价, 缩短工期。C桩两种桩型在本工程的适应性比较见表3。

　　 目前, M桩的主要工法有水泥搅拌桩和高压旋喷桩。本工程基坑支护采用“地下连续墙+混凝土内撑”的支护方法, M桩需在基坑开挖完成以后进行施工。而由于水泥土搅拌桩钻机机械体积较大、较高, 会与内撑发生碰撞;同时考虑到本工程有较密的砂层存在, 水泥土搅拌桩很难钻入此砂层。综上, M桩采用高压旋喷桩。

　　 综上所述, 塔楼采用CM桩复合地基的基础方案, CM桩复合地基示意见图2。其中C桩采用直径为500mm、壁厚为125mm的静压PHC管桩, 桩长约为7~20m, 桩间距为1.5m;M桩采用高压旋喷桩, 成桩直径不小于500mm, 桩长约为9m, 桩间距为1.5m, 与C桩梅花间隔布置。塔楼基础平面布置如图3所示。

　　 以5^#, 6^#塔楼的补ZK3钻孔所揭示的地层为例, 进行地基承载力计算, 说明如下:CM桩复合地基的上部结构荷载标准值p_k=480k Pa, 基底位于 (3) ₁淤泥质粉细砂层, 地基承载力特征值f_ak=80k Pa。

　　 C桩单桩承载力特征值R_ac按复合地基规范公式 (4.3.2) 计算:

　　 M桩单桩承载力特征值R_am按复合地基规范公式 (4.3.5-1) 和 (4.3.5-2) 同时计算, 取其中的较小值, 经计算最终取R_am=90k N。

　　 CM复合地基承载力f_spk按复合地基规范公式 (4.3.1) 计算, 取η_c=0.95, η_m=0.95, η_s=1, C桩与M桩纵横间隔布置, 取m_c=m_m=0.087, f_spk=η_cm_cR_ac/A_pc+η_mm_mR_am/A_pm+η_s (1-m_cm_m) f_ak=510k Pa>p_k=480k Pa, 满足承载力要求。

　　 对于地基处理后的沉降, 采用复合地基规范规定的分层组合法, 按《建筑地基基础设计规范》 (GB50007—2011) ^[11] (简称地基基础规范) 公式 (5.3.5) 计算, 计算得出的CM桩复合地基最终沉降量s小于35mm, 满足地基基础规范要求。

　　 本工程总桩数为C桩1 582根、M桩1 319根, 施工时间为70d左右。C桩共断桩15根, 断桩率约为1%, 这进一步验证了岩溶地区静压PHC管桩施工C桩的安全可靠性。

　　 基础施工完成28d后, 进行了低应变试验、抽芯试验、单桩载荷试验、复合地基载荷试验, 试验结果均满足复合地基规范、地基基础规范及设计要求, 其中CM桩复合地基承载力试验结果见表4。

　　 根据CM桩复合地基承载力试验结果, 取CM桩复合地基的沉降量s=13mm (不计褥垫层的变形) , 用YJK软件对CM桩复合地基进行整体计算, 忽略褥垫层的变形, 参考文献[12]的试验结果:在CM桩复合地基承载力特征值作用下, CM桩复合地基桩土荷载分担比C桩∶M桩∶土约为6∶3∶1, 则地基土分担荷载比例为0.1。经过计算, 可得基床系数为4 000k N/m³;C桩竖向刚度K_ac=R_ac/s=73 000k N/m, M桩竖向刚度K_am=R_am/s=7 000k N/m。CM桩复合地基的三维有限元模型如图4所示, 筏板上部荷载通过上部剪力墙结构计算导入, 筏板基础根据配筋输入其刚度参数。经过计算, 1.0恒载+1.0活载作用下桩顶压力如图5所示, 由图可知, 基底反力最大值约为56.1k Pa, 与文献[12]试验结果相符。1.0恒载+1.0活载作用下桩顶竖向力如图6所示, 由图可知, C桩桩顶竖向力最大值为1 023k N<1.2 R_ac, M桩桩顶竖向力最大值为96k N<1.2 R_am, 满足地基基础规范要求。1.2恒载+1.4活载作用下底板X向弯矩M_x, Y向的弯矩M_y云图如图7所示。从图7可看出, 底板弯矩最大值发生在Y向, 分布在剪力墙密布的塔楼电梯井边缘, 因此应加强该区域的底板配筋。

　　 PHC管桩持力层一般为强风化岩层, 桩底溶洞或桩身穿过的溶洞复杂多变, 且溶洞填充物性质各异, 溶洞仍存在继续发育及扩大的可能, 不能保证PHC管桩长期稳定。CM桩复合地基可将作用于溶洞顶板上强大的桩端集中力变为均匀的、较小的附加应力, 因而本工程仅对CM桩复合地基范围内第一层溶洞顶板厚度小于1m的12个勘探孔的相关区域进行桩底注浆加固, 注浆孔孔径为110mm, 排布成条带状, 间距为2m×2m, 共104个孔, 桩底溶洞注浆加固既可避免上层土方下榻, 又堵塞了土颗粒的运移通道, 抑制新土洞的发育。注浆主要填充溶 (土) 洞顶层, 以加强第一层溶洞顶板岩层的整体性。注浆优先采用水泥砂浆M7.5, 根据现场土质情况适当调整水灰比;亦可采用纯水泥浆或C15素混凝土。

　　 根据现场条件, 注浆的施工顺序如下:溶洞充填注浆施工应在CM桩复合地基施工之前进行;先处理场地周边溶洞, 后处理中部溶洞;先处理洞高大且无充填的溶洞, 再处理洞高小、有充填的溶洞;先灌注砂浆, 后灌注水泥浆;对相邻较近的注浆孔, 采取间隔成孔注浆施工。

　　 注浆质量的检测采用标贯和钻芯法检测, 每栋塔楼检测数量不少于3个, 检测结果均满足设计要求, 具体检测结果如下:溶 (土) 洞区域标贯击数不少于10;存在无充填、半充填、全充填的溶洞;抽芯检测采芯率达到90%;检测注浆孔泥浆不漏失。

　　 (1) 在岩面较平整的岩溶地区, 静压PHC管桩具有桩身质量好、施工速度快、可进入全风化岩层的特点, 并且施工过程无噪声、无污染, 是一种经济安全的桩基形式。

　　 (2) CM桩复合地基具有强度高、沉降小的优点, 其空间刚度梯度的组合形成了高强应力场, 既可调动浅层土又可以调动深层土参与工作, 同时C桩间静态施工的M桩可以使复合地基强度得以提高;优化配置的C桩与M桩变形模量较高, 从而减小了复合地基的沉降。

　　 (3) 在岩溶地区采用CM桩复合地基, 可将岩面应力大大减小, 可不计算溶洞顶板的承载力, 为桩基不穿透溶洞提供了一个较好的方案。

　　 (4) 在岩溶地区要探明和处理所有溶 (土) 洞是不符合实际的, 因而, 可根据地勘资料并结合基础形式, 选择只对工程安全有影响的溶洞相关区域进行加固处理, 这为岩溶地区的溶洞处理提供了一个新的方向。