| □高秋振／富國技術工程股份有限公司 經理 □何樹根／富國技術工程股份有限公司 總工程師 |
一、前言 近年來隨著連續壁施工機具與技術不斷改進，加上超高大樓基礎高承載力需求，採用連續壁單元作為承載上部結構垂直載重之基礎，以替代大口徑場鑄基樁之狀況已日漸廣泛。本文彙整高雄都會區內數個超高大樓之壁樁靜力載重試驗案例，根據樁體內外所安裝各項儀器於載重試驗期間量測之數據，配合詳細之地層資料，評估壁樁之樁身摩擦阻抗及樁底承載力。此外，樁底土壤因施工而受擾動與其沉泥問題，一直是場鑄基樁在承受荷重後無法充分發揮底部承載力之主要原因，為克服此問題以提高樁底承載力或減少沉陷量，約廿多年前『後灌漿工法』(Post Grouting) 被發展出來，此工法主要分為樁周灌漿與樁底灌漿(王劍虹，1990)，而樁底灌漿系統裝置早期較常見者分為U型管與灌漿鈑(Flat Jack)兩種，此兩種樁底灌漿工法因施工品質控制不易，設計時多半將其視為一輔助措施(張培義等，2000)。近年來於數個基樁工程補強案例中發展出的樁底高壓沖洗灌漿工法(徐明志等，2002)，經樁底鑽心顯示效果良好，由試樁結果證實採用此工法除了可清除樁底沉泥外，尚可加強地層之承載力。 高雄地區絕大部份是「現代沖積層」，除了壽山、半屏山和鳳山丘陵(圖1)外，以前都是海、河流所堆積之泥沙。根據蕭達鴻研究成果(圖2)，高雄地區南北側土壤下方岩盤深度有很大差異，在北側左營區地表下方30m就有泥岩層出現，但在前鎮、小港區則直至深度120~140m仍未見有岩盤，岩盤由北往南逐漸下降。 由於樁底灌漿工法，大部份使用於特定之堅實承載層，與高雄地區之地層條件並不完全相同，因此高雄地區採用樁底灌漿之效益，值得工程界探討。本文特針對高雄地區數個超高大樓案例使用不同樁底灌漿工法，整理其載重試驗成果，除了介紹連續壁樁之承載力外，並比較各案例樁底灌漿工法之效果。 二、樁底灌漿工法 目前國內樁底灌漿常用之工法有數種型式，以下分別介紹並說明其優缺點。(一)FLAT JACK工法 Flat Jack 為BAUER 所發展之工法，其基本構造如圖3所示，為鋼筋籠底裝置一片鐵鈑下覆橡皮膜，鐵鈑上連接預埋管至樁頂，當混凝土澆置完成後約24~36小時進行水爆破，將樁底鐵鈑與橡皮膜外之混凝土擠裂，提供水泥漿所需之路徑，隨後即可進行水泥漿之灌注，灌漿壓力最大為60bar。灌漿管一般預留二支(或三支)，若壓力不能到達60bar，則灌至一定量之水泥漿後，暫停約24小時後再繼續第二管之灌漿。Flat Jack工法之原理就如同其英文名詞，即將其視為裝置於樁底之一具千斤頂對沉泥進行擠壓，但應特別注意的是，原廠對於灌漿是否成功有一但書，即沉泥厚度必需小於10cm，否則其效應便無把握；樁底端若不能鑽掘成一平面，所形成之孔底高差若大於10cm，亦不能完全適用。另外，因平鈑置於樁底，致鋼筋籠吊放完成後便無法再清洗樁底，對於長度大於50公尺以上之長樁而言，一般鋼筋籠(加上預埋管)之吊放時間均需數小時，此時間內所再累積之沉泥量，因平版之阻礙，欲於混凝土澆灌前要再次清理相當困難。 (二)U型管工法 U型管灌漿工法為於鋼筋籠底裝設有開孔之預埋管，管上之開孔外覆橡皮作逆止閥，一般之預埋管配置為交叉橫跨樁底(如圖4之交叉型)，兩端再連接預埋管至地面，因其橫跨樁底會影響樁底沉泥之處理，為因應樁底沉泥之清理需要，曾有案例將其改為半圓形順著鋼筋籠底安置(如圖4之半圓型)；對反循環基樁而言其樁底為高角度之錐形，因此亦有案例配合反循環鑽頭角度將其配置修改如圖4之樁底形狀。 U型管灌漿之原理為將具壓力之水泥漿擠入或滲入沉泥內而予以改良，但由於水泥漿之流向無法控制，其改良沉泥之效果不易完全掌握，沉泥未固化前受擠壓可能擠入樁周，可能使摩擦阻力大量折減。 台北101施工期間(使用反循環工法)，曾實際採取樁底沉泥，進行一般物理性質試驗，由篩分析曲線觀察其顆粒粒徑大於0.6mm者僅為0~25%，而粒徑小於0.01mm則達30~45%以上；其液限平均大於50，因沉泥為懸浮之細顆粒經由Polymer之作用而加速沉泥沉降，同時Polymer填滿了顆粒間之孔隙進而影響其物理性質。根據HBI(HAYWARD BAKER INC.)之經驗，TYPE I、II之波特蘭水泥僅適合顆粒大於0.6mm之土壤，TYPE III則適合顆粒大於0.42mm之土壤，所以沉泥中之顆粒不但粒徑不適合灌漿，且因孔隙中所填充並不僅是水，而是大量之Polymer，因而灌漿後之水泥漿可能僅是沿著最弱面形成脈狀，此為台灣目前樁底灌漿改良成效不彰之可能原因(何樹根，2000)。若使用超細水泥，除了費用高之外，其在乾燥狀態下，其粒徑幾乎全小於0.01mm，可是當與水拌合後，因水泥顆粒間之凝聚作用，會形成較大之顆粒團塊，其顆粒幾乎全大於0.01mm，因此超細水泥亦無法完全以滲透之方式滲入沉泥中，而仍以脈狀方式切入沉泥中(廖洪鈞，1987)。 (三)高壓沖洗灌漿工法 高壓沖洗灌漿工法係發展自早期數個基樁工程之樁底改良補強案例，補強案例中有基樁施工後發現樁底未達承載層，亦有因設計變更需較高之承載力者，最大部份為樁底沉泥造成承載力不足。其作法為於已施工完成之基樁，在樁體內鑽心至樁底處進行樁底沉泥之清理(採用高壓水刀之原理)再進行灌漿改良。由於樁底沉泥問題長期以來應用不同之清洗方法，均無法保證樁底沒有沉泥。因此台北101施工時應用前述高壓清洗及後灌漿工法之概念，在鋼筋籠製作時即預埋兩支口徑4”~5”以上之預埋管，在基樁施工後作為樁底沉泥沖洗與灌漿使用。本工法與上述U型管與灌漿鈑(Flat jack)兩種工法比較，其最大差異在於並非直接改良沉泥而係利用高壓沖洗並清除沉泥，清洗之後的空間再置換為水泥漿。   三、高雄85大樓案例 
高雄85大樓基地之工址調查進行了十七孔之鑽孔(深度45公尺至100公尺)及取樣，調查結果顯示基地主要之土壤組成為粉土質砂，夾 砂質至黏土質粉土或粉土質黏土之互層，厚度在100公尺以上，在地表下60公尺以內之砂質土層，N值在25以下，屬中度密實，黏土質粉土或黏土層則為稠密至極稠密，代表性土層分佈如圖6所示。由於超高大樓之柱位荷重極高，倘使用樁基礎勢必使用密度甚高之群樁，經分析數種當時台灣常用場鑄樁之配置，仍不足以安全承載上述各柱位之設計載重，因此經仔細評估後採用連續壁施作〝版狀摩擦樁〞(即目前通稱之壁樁)，且為增加底部之承載力，及改進其荷重傳遞時之應力—應變行為，壁樁底部安裝灌漿鈑(Flat Jack，當時稱為平版膜)於樁成型後施作〝後高壓灌漿〞，用以擠除樁底沉澱物使樁底與承載土層緊密接觸，並對承載土層加以預壓。 為求得實際之承載力，進行了二組實體載重試驗，壁樁厚100cm，寬250cm，深度42.5m，其中一組安裝德國Bauer公司發展之平版膜，灌漿加壓至約50kg/cm2；另一組樁底未施作；兩組版樁內皆預埋鋼筋計、變位計等，以量測摩擦力之傳遞與分佈及基樁之應變量，試樁時最大分別加壓至1,800T及1,625T，樁頂沉陷分別為5.0cm及5.6cm，結果如圖7所示，推估樁底灌漿增加之底承力為70 T/m2。安裝平板膜之壁樁在試驗後並拔出檢視(照片1)。由載重試驗分析結果顯示，版樁之極限承載力未加壓灌漿者與加壓灌漿者分別在1,200T及1,500T左右，其樁頭沉陷量約為1.5cm，而二者在砂質土層與基樁界面之平均摩擦阻力均約為5.5T/m2，而底部因預壓而產生之承載力增量約為總承載力之26%(陳斗生，1999)。  四、高雄海邊路大樓案例 本案例基地位於高雄市苓雅區新田路與海邊路口，根據基地之地質調查，本基地之簡化土層及其主要土壤工程性質參數詳表1。新建大樓為地上38及41層，地下5層，地下室開挖深度為18.2公尺。本案現場進行一組抗壓載重試驗，試驗主樁為0.6m寬、2.5m長、70.0m深之壁樁，2支錨樁皆為0.9m寬、5.0m長，46.0m深之壁樁。另根據試驗樁設計圖說規定，本案例樁底採用U型管灌漿工法(圖8)。  試驗樁樁底反力與變位之關係曲線(q-w曲線)如圖10所示，圖中顯示於樁頂最大試驗荷重3,000T時(樁頂沉陷量約為2.5cm)，樁底變位量僅約0.5cm，樁底反力約41.1T，即底承力為27.4t/m2。根據曲線之發展(斜率約9T/mm)，估計樁底變位達2.5cm時，樁底受力約為225T(約為150 t/m2)，但考量U型管灌漿效果之不確定性，建議設計採用30t/m2。  
五、高雄新光路大樓案例 本案例基地位於新光路與中華五路口之東南側，綜合整理本基地前後期完成之11孔鑽探調查資料及試驗室試驗結果，調查深度內(地表下120公尺)依統一土壤分類系統，大致可分成14個層次，地層剖面詳見圖11。本基地新建地上65層、地下7層大樓，基地面積約4,636平方公尺，預定開挖深度約26.5公尺。依據基礎分析結果，本基地倘若採用筏式基礎將有沉陷量過大之問題，因此配合本案逆打規劃，以壁樁承載高樓建物之荷重。為取得基礎設計之最佳參數，在設計完成前進行先期基樁極限載重試驗，在試驗樁內相應於不同地層界面之深度裝設量測儀器，量測試樁加載過程中沿深度方向之荷重傳遞，以計算各地層之樁周摩擦阻力與樁底之承載力。 本案例現場進行二組抗壓載重試驗(一組試驗編號為TPC-1，無進行樁底灌漿；另一組試驗編號為TPC-2，樁底進行灌漿)，試驗壁樁尺寸均採用100cm×250cm之壁樁，樁深為GL.-75.0m，並各採用2支壁樁為錨樁，試驗壁樁與錨樁皆採MHL工法，以油壓抓掘機施作。 由於本案例岩層深度在120公尺以下，試驗樁75公尺深，樁底為粉土質黏土層至粉土質細砂層，評估各種樁底灌漿工法，均不適用，其中高壓沖洗灌漿工法，樁底可能會產生擴座之現象，然而此擴座效果不易檢核與評估，試樁結果引用有疑慮，因而本案例嘗試採用樁底高壓旋噴成形樁工法進行樁底之改良。此工法仍於壁樁內安裝二支預埋管，壁樁施工完成後以鑽機經由預埋管，於樁底下3m施作二支改良樁。為確認改良成效與供後續工程樁施作控管，灌漿施工管控之參數如下: A.鑽桿迴轉速度不得大於15圈/分鐘。 B.噴射泵送壓力應大於180kgf/cm2。 C.鑽桿上昇速度原則上分兩段介於20~30㎝/分鐘。 D.高壓泵浦出漿量應大於60公升/分鐘。 TPC-1與TPC-2分別於5,500ton與5,700ton時，樁頂沉陷量急遽增加，持續加載至樁頂沉陷量達12cm時進行解壓，評估因樁底灌漿而增加之底承力為80 t/m2。經評估TPC-1試驗樁全樁長之極限承載力為5,100T；而扣除空打段(GL.-26.5m以上)之摩擦力，其極限承載力為4,250T；TPC-2試驗樁全樁長之極限承載力為5,500T；而扣除空打段(GL.-26.5m以上)之摩擦力，其極限承載力為4,380T，其樁頂荷重-變位曲線如圖12。 試驗樁TPC-1與TPC-2不同深度之樁身荷重傳遞曲線詳圖13與圖14；樁身摩擦力試驗值詳表2。由於本次試驗樁底灌漿之效果並不顯著，因而建議工程樁不需進行樁底灌漿。   
六、綜合討論 前述高雄都會區南側三個超高大樓案例皆採用連續壁單元(壁樁)作為承載上部結構垂直載重之基礎，分別進行了不同型式之樁底後灌漿施工，以提高樁底承載力或減少沉陷量，並進行先期靜力下壓載重試驗，在試驗樁內相應於不同地層界面之深度裝設量測儀器，量測試樁加載過程中沿深度方向之荷重傳遞，以計算各地層之樁周摩擦阻力與樁底之承載力，求取基礎設計之最佳參數。綜合各案例試樁成果詳列於表3。根據另一位於高速鐵路左營車站旁之試樁案例，地下室開挖深度為18.65公尺，結構設計反循環樁基礎，而樁底採用高壓沖洗灌漿工法。該案例進行了一組下壓(TPC1)及一組拉拔載重試驗(TPT1)，試驗基樁直徑皆為120公分，貫入泥岩層6公尺，總長度為44公尺。下壓樁TPC1最大試驗載重達2,300ton，樁頂位移達200mm，評估極限承載力約為1,700T，於樁底變位約20mm時，其樁底反力為250ton (承載力210t/m2)，隨樁底變位增加而逐漸增加至1000ton (承載力880t/m2)以上，然而此時樁底變位已達170mm，因此在工程實務上與容許變位安全考量而建議樁底承載力僅採用200t/m2。本案例之樁底地層為泥岩，在大變位下之樁底承載力可發揮至800t/m2，顯示樁底灌漿之工法有相當成效，但實務上因考量泥岩地層之特性，只採用200t/m2，比台北地區之經驗值低，但仍比文中數個案例高。 於高雄地區南側，由於岩層深度已超過120m，因而應沒有必要為承載於岩層上而施作超長之基樁，因為底承力之貢獻並不大，高雄在沖積層地區之基樁建議採用摩擦樁設計較為適當。  七、結論 (一)本文彙整高雄地區數個案例分別採用不同樁底灌漿工法，藉由試樁成果比較，顯示樁底灌漿之成效尚不顯著。(二)由於高雄南側地區岩層甚深，於一般土層中採用樁底灌漿之效益，仍值得再進一步探討。 (三)高雄泥岩地區，於設計容許垂直變位下，因基樁入岩所提供之樁底承載力並不顯著，若岩盤很深(前鎮、小港區岩層深度超過120~140m)，建議無需為入岩而採用超長樁，基樁設計採用摩擦樁設計為宜。 參考文獻 1.陳斗生，1999，"超高大樓基礎設計與施工(一)"，地工技術第76期，P5~16。2.何樹根，2000，"場鑄基樁施工之考量"，樁基工程，地工技術研究發展基金會。 3.徐明志、何樹根、陳斗生，2002，"大口徑場鑄基樁施工質量之控管經驗-臺北國際金融中心案例探討"，海峽兩岸岩土工程/地工技術交流研討會論文集，P345~356。 4.張培義、鄭國雄、莊復盛、王復國，2000，"樁底灌漿試樁結果之探討"，現代營建月刊，第240期P37~41。 5.王劍虹，1990，"增加場鑄基樁的承載力--後灌漿法"，現代營建月刊，P37~41。 6.廖洪鈞，1987，"超微粒水泥／水玻璃混合灌漿材料"，第二屆大地工程研討會論文集，P141~150。 7.蕭達鴻，2003，"高雄市地質調查與土層特徵"，高雄市地質鑽探及液化潛能分析研習會，第3-1至3-34頁。 8.高速鐵路左營車站事業發展專用區基樁載重試驗分析報告書，2007，富國技術工程(股)公司。 9.高雄市苓雅區新田路基地地基補充調查工作報告書，2006，加基工程有限公司。 10.高雄O1基地壁樁載重試驗分析成果報告書，2014，富國技術工程(股)公司。 |
