高含水率淤泥土层基础设计及施工技术探讨

陈 耀

(福建地矿建设集团公司 福建福州 350002)

0 引言

随着社会经济的高速发展，可供建设的用地越来越少，为了城市建设需要，大部分城市采取围海(江、河、湖等)造地，以满足城市建设用地需求。特别在沿海城市地区，这些新开拓的建设用地地质土层中淤泥土层均较厚，且土层中的含水率比较高，甚至可能含有可液化土层。为保证建设施工质量和安全，必须选择合适且又经济的设计方案，采取切实可行、安全稳妥的施工方案及技术措施。

基于此，本文拟通过某项目施工实践，总结在高含水率、高孔隙比、高压缩性且有可液化的较复杂土层中基础设计方案选择及施工应用技术，以供借鉴。

1 项目概况

1.1 项目介绍

该项目位于福建省闽江口，由会展中心、公寓、旅社、活动中心和文化街等5个单位工程组成，其中会展中心和活动中心为钢框架结构，总用钢量约为1.2万t，其他单体建筑为钢筋混凝土框架结构，总建筑面积为116 727.97m2，其中：地上建筑面积为87 080.04m2，地下建筑面积为29 647.93m2，建筑物最高檐口高度为34.35m。该项目为省重点建设项目，工期紧、任务重，要求在6个月内完成会展中心的大部分施工任务，并提交大型会议使用。

项目施工前场地原为农田、苗圃耕地及鱼塘，属闽江冲积、海积淤积的一级阶地，地貌单元属于河口区沉积三角洲地貌。

1.2 工程地质情况

项目施工场地隶属七度地震区，根据钻孔揭示范围内土层主要为人工堆积，第四系淤积、海积、冲洪积成因的淤泥、淤泥夹砂、砂夹淤泥、碎卵石，覆盖层厚度约53.2m～62.8m，基底为燕山期侵入的花岗岩。场地岩土层自上而下依次为：(1)填土、(2)粉质粘土、(3)淤泥、(4)中砂夹淤泥、(5)淤泥夹砂、(6)粉(中)砂夹淤泥、(7)淤泥质土夹砂、(8-1)粉(中)砂(夹淤泥)、(8)淤泥质土(夹砂)、(9)粉质粘土、(9-1)淤泥质土夹砂、(10)中细砂、(11)碎卵石、(12)砂土状强风化花岗岩等。其中，(3)～(8)土层为淤泥质土，而且场地内分布范围大，为淤积成因的高含水量(最大天然含水量达81.7%，主要土层物理力学指标如表1所示)、高孔隙比、高压缩性的饱和软土，且厚度变化较大，均匀性较差，稳定性差，工程地质性能差；场地埋深20m范围内的(4)中砂夹淤泥为可液化砂层，经钻孔综合判定，场地液化指数为17.20，综合液化等级为中等。代表断面地质剖面图如图1所示。

表1 主要土层物理力学指标统计表

2 基础设计方案选择

2.1 桩基础设计方案

考虑该项目的特殊性，以及工期紧、施工场地空旷，经对设计方案比选，确定建筑物的桩基础采用预制高强混凝土薄壁钢管桩(TSC桩，如图2所示)与预应力高强混凝土管桩(PHC桩)的组合桩，桩顶15m～20m采用TSC桩(桩型为TSC-Ⅰ-600-110-6)，以下各节均采用PHC桩(桩型为PHC-AB600(130)-55)。桩端持力层为(11)碎卵石，桩端全截面进入持力层≥1m。沉桩采用锤击法，桩尖采用十字型钢制桩尖；接桩方式：抗压桩采用焊接法，焊缝厚度≥12mm，并将接头的U型口焊满；抗拔桩采用抱箍式机械连接+焊接法。

此方案优点是，预制桩的桩身质量可靠、稳定，施工速度快、周期短，承载力高，地下水对桩基质量影响较小。由于该项目施工场地空旷，所以，管桩施工对邻近的建筑物、道路、管道产生的附加沉降、开裂或倾斜等不良影响可以不考虑；同时，通过合理安排沉桩施工顺序，严格控制沉桩速率，以避免沉桩过程中“挤土效应”。

图2 预制高强混凝土薄壁钢管桩(TSC桩)实样

桩顶15m～20m采用TSC桩，TSC桩具有承受较大竖向荷载(该项目使用桩型的桩身竖向承载力设计值为6953kN)和水平荷载(桩身极限弯矩为680kN·m)的特点，解决了建筑物基础承台底下有可液化砂土段对桩基的影响，提高桩身的水平抗剪承载力，满足桩基的水平承载力要求；下部采用PHC 管桩，节省了项目的桩基工程造价。

此方案有效解决了若采用水泥土复合管桩(在直径Φ1000mm搅拌桩中心同芯植入高强预应力管桩形成复合管桩基础)桩基础施工周期长的缺点；同时解决了桩基采用冲(钻)孔灌注桩施工周期长，施工产生泥浆污染环境、不利于文明施工，灌注桩桩身质量不稳定，孔底清渣对单桩承载力的影响，以及工程造价高等缺点。

2.2 基坑支护设计方案

采用台阶式放坡+槽钢+HN700×300型钢桩支护形式，H型钢桩外侧利用Ⅳ型拉森桩挡土止水，H型钢桩顶部的内侧设置一圈闭合的H350钢围檩，H型钢桩和Ⅳ型拉森桩的桩长为15m，均穿透(3)淤泥进入(4)中砂夹淤泥7m～8m。基坑支护代表断面图如图3所示。

图3 基坑支护代表断面图

由于该项目施工场地空旷，周边无建筑物和地下管线影响，可充分利用该施工场地优势，采用台阶式放坡施工方案，放坡范围为围护桩以外约20m，每级台阶高度2.0m，有效改变了边坡土体滑移面，同时也减少了围护桩的有效桩长。

相较于SMW工法桩和钢筋混凝土灌注排桩，该方案具有施工速度快，围护钢板桩可回收利用，工程造价低等优点；但要求施工场地大，且要有足够的台阶放坡场地，土方开挖量大等缺点。此方案利用拉森桩连续性特点，起到了止水、挡住淤泥流动滑移作用，但拉森桩刚度不足，要在其基坑内侧加设H型钢，以有效防止拉森桩因基坑开挖后产生的高低差，以及坑外土方产生的侧压力造成拉森桩向坑内倾倒。

3 施工技术措施

3.1 桩基施工技术措施

3.1.1薄壁钢管桩堆放及吊装[1]

(1)预制高强混凝土薄壁钢管桩堆放场地应坚实平整，按规格、长度分别堆放，堆放层数不宜超过7层，堆放时最下层按图4所示的两支点位置放在垫木上，垫木应均匀放置且在同一水平面上，并采取防滑、防滚措施。

(2)预制高强混凝土薄壁钢管桩采用两点吊(图4)或两头钩吊法，两吊点位置同堆放时两支点位置；除两端钩吊外，吊索应与预制高强混凝土薄壁钢管桩纵轴线垂直。装卸应轻起轻放，严禁抛掷、碰撞、滚落。

图4 管桩两支点堆放位置示意图

3.1.2薄壁钢管桩施工

(1)薄壁钢管桩施打工艺同普通预应力管桩(PHC桩)，采用静压法或锤击法施工。

(2)薄壁钢管桩和PHC桩的接桩，采用端头板焊接连接+抱箍机械接头。

①接桩时，入土部分的桩身桩头宜高出地面0.5m～1.0m；两管桩对接前，上下端板表面应用钢丝刷清刷干净，坡口处应刷至露出金属光泽；将连接定位销旋入上节桩段端头板连接槽内，使连接销一半外露，高度一致；吊起上节桩段，让上节桩段的各个连接定位销对准下部桩段连接盒后再插入，要尽量使上下节桩段的端头贴紧吻合，若发现未贴合，应插入镀锌铁垫片锲紧[2]。

②采用二氧化碳气体保护焊将上下节桩的端头板焊接，焊接时先在坡口圆周上对称点焊4～6点再分层施焊；施焊由两个持证上岗的焊工对称进行，以减少变形；拼接处坡口槽电焊应分3层对称进行，内层焊必须清理干净焊渣后方能施焊外一层，焊缝应连续饱满，其外观质量应符合二级焊缝的要求，每层焊缝的接头应错开；大雨时不宜施焊，除非有安全可靠的防雨措施。施焊完成的桩接头自然冷却3min后，再继续沉桩，严禁用水冷却[3]。

③上下节管桩端头板接头施焊完成，经质检员和监理工程师检查合格后，将3片弧形机械连接卡套住上下节桩段端头板，使连接卡上的螺栓孔与端头板上的螺栓孔对应，并采用厂家提供的螺栓通过螺栓孔将连接卡和端头板连接一起，完成抱箍式机械接头，如图5～图6所示。

图5 薄壁钢管桩和PHC桩的接桩

图6 抱箍式机械接头

(3)接头防腐

管桩接头经二氧化碳气体保护焊或抱箍式机械连接好，经质检员和监理工程师检查合格后，对管桩接头处所有外露铁件涂刷环氧树脂防腐漆两遍。

3.2 基坑支护及土方开挖施工技术措施

3.2.1基坑支护施工

(1)拉森桩施工

①拉森桩打入前，在桩锁口内涂油脂，以方便打入和拔出，并将桩尖处的凹槽底口封闭，避免泥土挤入。

②拉森桩施打前，设置一定刚度的、坚固的导架。导架采用单层双面围檩形式，围檩桩的间距为2.5m～3.5m，双面围檩导梁间距以比拉森桩厚度大8mm～15mm为宜。导架安装时高度要适宜，以有利于控制拉森桩的施工高度和提高施工工效；导梁不能随着拉森桩的打设而产生下沉和变形，且位置必须垂直，不能与拉森桩碰撞。

③拉森桩采用屏风式打入法施工，该方法不易使板桩发生屈曲、扭转、倾斜和墙面凹凸，打入精度高，易于实现封闭合拢。采用挖掘机振动锤将第一根拉森桩吊放至桩位，开动振动锤利用振动力把桩沉至离地面1m左右停止，以防止施工打第二根桩时因磨擦过剧而把第一根桩带入土中。然后，起吊第二根、第三根逐步插打。为防止拉森桩因磨擦作用而带入土中，在顶部将相邻两桩电焊固定连成一片，待10～20根拉森桩成排插入导架内，形成屏风状后再施打到标高。

④由于施打偏差，易导致拉森桩转角和封闭合拢困难，采用轴线修整法解决。轴线修整法通过对拉森桩闭合轴线设计长度和位置的调整，实现封闭合拢，封闭合拢处设在短边方向从端部算起的第三块板桩的位置处。

(2)H型钢桩施工

在拉森桩施打一段后，跟进施打H型钢桩。采用挖掘机振动锤夹住钢桩，对准拉森桩凹槽，先利用钢桩自重下沉，待无法自沉时开动振动锤，利用振动力把钢桩沉至设计桩顶标高。H型钢桩的翼板尽量靠紧拉森桩凹槽侧壁，防止拉森桩因土侧压力变形而向内倾斜。

3.2.2土方开挖施工技术

(1)鉴于该项目所在地土层中淤泥含水量较大，最大达到80%以上、且强度低，同时工程桩刚施工完成立即进行土方开挖，工程桩施工过程对淤泥的扰动影响尚未得到有效释放，且原施工场地内多为池塘，造成基坑土方开挖易产生滑动，故，该项目基坑土方开挖采用全基坑面分区块台阶式分层开挖。

(2)基坑土方开挖，采用长臂反铲挖掘机接力方式盘运，直接装上自卸汽车拉至指定卸土点。基坑土方开挖示意图如图7所示。

图7 基坑土方开挖示意图

(3)土方开挖时，坑内运输道路及挖掘机停放平台，采用粉煤灰、煤渣类的既透水又吸水的材料铺筑，厚度宜大于50cm，并在面层铺设20mm厚钢板，以满足运输车辆及挖掘机施工的地耐力需要。

(4)土方严格按照分层开挖，淤泥开挖分层厚度不得大于1m；对于开挖深度大于1m的承台、集水井和电梯井等坑中坑，先沿坑中坑边密插16#槽钢支护，再行土方开挖。

(5)开挖工程桩的桩间土方时，采用小型小挖斗的挖掘机，挖出的土方立即用挖掘机接力式盘运至自卸汽车；工程桩两侧土体高差不得大于0.5m，同时严禁挖掘机碰撞工程桩桩身，当开挖至桩顶以上30cm时，工程桩两侧0.5m内土体应对称开挖。

(6)挖土时，对未送桩到位的管桩及时分段截桩，避免桩身自由高度过大，管桩的悬臂高度不超过1.0m。提前考虑截桩安排，开挖前对露出土层面的工程桩先行截除；开挖过程，根据挖土流程分段截除。

3.2.3开挖过程出现问题的预案及对策

(1)流泥。由于该项目淤泥土层含水率高、强度低、流塑性，开挖面高差大，可能产生流泥现象。为防止出现流泥，采取全断面分层开挖，挖掘机接力盘运土方，同时严格控制开挖分层厚度不大于1.0m。对于深坑开挖，先沿坑边密插木桩或槽钢，再开挖深坑土方。

(2)溜坡。由于开挖过程中，放坡平台宽度和坡面坡率未按设计要求施工，或开挖后未及时护面，造成基坑边坡溜坡。为避免此问题，基坑边坡严格按照设计要求开挖，及时支护和护面施工；若基坑周边出现裂缝，及时对裂缝采取水泥灌缝封堵，避免地表水进入裂缝；同时，加强监测，若监测数据异常或超警戒值，立即采取坡顶卸载或坡脚反压。

3.2.4基坑监测

(1)根据设计要求，结合现场实际情况，沿基坑顶边四周设置土体深层变形监测(测斜)点15个，坡顶水平位移和沉降监测点31个，地下水位观测点4点。基坑监测点平面布置示意图如图8所示。

(2)由建设单位委托有资质的专业监测单位，对基坑土方开挖及地下室结构施工全过程进行基坑监测，提供监测数据以及分析成果，指导基坑土方开挖施工。

(3)该基坑监测从基坑土方开挖开始，至地下室侧边回填土完成(即开始拔除H型钢和拉森钢板桩)，共历时97d结束。

图8 基坑监测点平面布置示意图

(4)经对基坑监测数据统计，土体深层变形监测(测斜)点C9为深层变形最大点，累计值为39.5mm；坡顶水平位移和沉降监测点P17为水平位移最大点，累计值为28.9mm；坡顶水平位移和沉降监测点P8为沉降最大点，累计值为27.6mm。施工过程基坑监测未出现监测报警值，土体深层变形、坡顶水平位移和坡顶沉降均在设计允许范围，无出现基坑边坡坍塌或滑移现象。

(5)施工巡视检查。基坑开挖和地下工程施工过程，项目部每天均派专人对基坑的支护结构、施工工况、周边环境以及监测设施进行施工巡视检查。巡视检查频率为一天不少于两次。巡视检查做详细记录、及时整理，并与第三方监测数据综合分析，指导基坑土方开挖施工。

4 施工效果

该项目所有单体建筑物的管桩经过一个多月施工完毕，基础土方严格按照设计图纸、施工规范以及专项方案要求开挖后，所有建筑物的管桩未发生断桩现象。经建设单位委托第三方有资质的检测单位对该项目共2003根管桩进行单桩竖向抗压静载试验、低应变法检测和单桩竖向抗拔静载试验。检测结果如表2所示。

表2 管桩检测结果一览表

5 结语

该项目施工，充分考虑了项目的地质土层情况，并结合项目施工现场的实际情况，经过比选确定合适、经济的设计方案，制定了切实可行、安全稳妥的施工方案；同时，施工过程中，严格按照设计图纸及施工规范要求，严格执行施工方案制定的技术措施，保障了在高含水率、高孔隙比、高压缩性且有可液化的较复杂土层的施工质量和安全，施工效果良好，其成功经验可为同行借鉴，尤其是对高含水率淤泥土层基础设计方案选择及施工技术应用。