天津某地下交通中心工程樁基礎優化設計探討

胡奇凡

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 工程概況

1.1 設計概述

天津某地下交通中心工程由單層和雙層多跨框架結構組成，單層基坑開挖深度12.65 m，雙層基坑開挖深度22.66 m，呈東西走向長條形布置，南北寬約36.2～82.2 m，詳見圖1。

圖1 某交通中心工程結構平面(單位:mm)

1.2 工程及水文地質條件

本工程場地地質勘察所涉及110 m深度范圍內均為第四紀松散沉積物，一般具有成層分布的特點，自上而下為第四系全新統人工填土層(人工堆積Qml)，第Ⅰ陸相層(第四系全新統上組河床～河漫灘相沉積Q43al)、第Ⅰ海相層(第四系全新統中組淺海相沉積Q42m)、第Ⅱ陸相層(第四系全新統下組沼澤相沉積Q41h及河床～河漫灘相沉積Q41al)、第Ⅲ陸相層(第四系上更新統五組河床～河漫灘相沉積Q3eal)、第Ⅱ海相層(第四系上更新統四組濱?！毕珟喑练eQ3dmc)、第Ⅳ陸相層(第四系上更新統三組河床～河漫灘相沉積Q3cal)、第Ⅲ海相層(第四系上更新統二組淺?！珵I海相沉積Q3bm)、第Ⅴ陸相層(第四系上更新統一組河床～河漫灘相沉積Q3aal)、第Ⅳ海相層(第四系中更新統上組濱海三角洲相沉積Q22mc)、第Ⅵ陸相層(第四系中更新統中組河床～河漫灘相沉積Q22al)。

場地內揭示的潛水含水層主要為全新統中組海相層(Q42m)⑥層及其以上土層，主要由⑥2、⑥4層粉質黏土、⑥3、⑥5層粉土及④層粉質黏土、表部人工填土組成，以全新統下組湖沼相(Q41h)沉積⑦層粉質黏土和河床～河漫灘相(Q41al)沉積⑧1層為相對隔水底板;靜止水位埋深一般0.50～4.90 m(高程-0.93～+1.92 m)。潛水主要接受大氣降水、河流和塘補給，以蒸發形式排泄，水位隨季節、氣候、潮汐有所變化。一般年變幅在0.50～1.00 m，本工程抗浮設計水位為+3.00 m。

1.3 基礎設計概述

地勘資料揭示，本工程場地基坑下為飽和的粉土和粉砂，適宜采用鉆孔樁，各土層鉆孔灌注樁樁基設計參數詳見表1。

表1 樁基設計參數一覽(鉆孔灌注樁)

本工程采用蓋挖法施工，立柱采用鋼管混凝土柱，下設鉆孔灌注基礎樁，單樁單柱，僅在局部設置施工階段臨時柱，柱下設鉆孔灌注樁。該方案樁柱一次完成，結構體系轉換次數少，便于過程控制。

2 樁基礎設計

2.1 工程樁承載力設計值

結構受力分析采用大型數值模擬軟件MADIS GEN 780進行整體三維數值模擬分析，模擬過程嚴格按實際開挖的施工步驟進行，并提取全過程中單樁最大的抗壓和抗拔荷載作為設計依據。模型中工程樁采用豎向彈簧模擬，根據該工程周邊工程樁基的實測資料，從工程類比的角度出發，彈簧剛度取為1.2×109N/m;設計中利用有限元數值模擬分析軟件SAP84對多個結構橫斷面進行受力分析，以驗證三維模型的準確性，最終結合三維和二維模擬分析的結果確定工程樁的承載力設計值。數值模擬模型詳見圖2、圖3，工程樁承載力設計值見表2。

圖2 MADIS GEN三維模型

圖3 SAP84二維模型

2.2 直樁不注漿方案設計

對表2中各種工程樁進行設計，統一按樁徑φ2 200 mm鉆孔灌注樁直樁無注漿方案設計，選取的有代表性地質鉆孔資料如表3所示。

表2 工程樁承載力設計值

表3 SXJB地質鉆孔

續表3

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)，鉆孔灌注樁大直徑樁單樁極限抗壓承載力標準值Quk和極限抗拔承載力Tuk分別如式(1)、式(2)所示

式中 Qgsk——總極限側阻力標準值;

Qgpk——總極限端阻力標準值;

u——樁身周長;

li——樁周第i層土的厚度;

Ap——樁端面積;

λi——抗拔系數;

qsik——樁側第i層土極限側阻力標準值;

qpk——樁徑為 800 mm時的極限端阻力標準值;

ψsi、ψp——分別為大直徑樁側阻力，端阻力尺寸效應系數;

βsi、βp——分別為后注漿側阻力，端阻力增強系數，為進行注漿，均取值為1。

各樁的抗壓、抗拔設計樁長詳見表4。

表4 φ2 200 mm鉆孔灌注樁直樁方案計算樁長

計算表明:S2號樁最短57.5 m，加上基坑深度，鉆孔深度將達到70 m以上，S3號、S4號和S5號工程樁設計樁長超出地質勘查探明地層范圍，因此，工程樁整體均偏長，必須進行優化設計。

2.3 優化設計

工程樁的極限承載力主要受樁身強度、樁周土的物理力學性質，以及樁土接觸面的幾何特性等3方面影響。隨著混凝土質量的不斷提高，樁身強度已不是控制樁基強度的關鍵因素，提高樁基的極限承載力主要從提高樁周土力學性質和改善樁土接觸面幾何特性入手，前者普遍應用的方法為樁側和樁尖后注漿技術，后者主要從改變樁體形狀入手，如常見的擠擴支盤樁，旋挖擴孔樁等。

采用樁側和樁尖注漿方案提高1號樁和2號樁的樁周土體承載力以減小樁長;在3號樁、4號樁和5號樁的樁尖和樁身設置兩擴大頭，擴頭直徑3200 mm，同時對樁側和樁尖進行全斷面注漿，以增強樁側土的力學性質，改善樁土接觸面特性。

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)相關規定，抗壓樁變截面以上2d(d為樁徑)范圍內土體不計摩阻力，抗拔樁變截面以上6d范圍內樁側土破壞面周長按πD(D為擴大頭直徑)計算，粉質黏土樁側后注漿增強系數和樁端后注漿增強系數分別取1.4和2.2，砂類土樁側后注漿增強系數和樁端后注漿增強系數分別取1.8和2.4。計算得優化后的樁長詳見表5。

表5 優化后計算樁長

3 試樁及結果分析

3.1 試樁方案

為確保樁基設計滿足承載力要求，對工程樁進行了試樁實驗，試樁分別針對2號樁和4號樁進行，其中2號樁兩根，樁長均為38 m，編號S1、S2，4號樁3根，樁長35、37 m和40 m，編號分別為S3、S4和S5。試樁后壓漿控制參數見表6。

表6 試樁后壓漿控制參數

根據2號樁樁長抗壓控制，4號樁樁長抗拔控制的特點，按照《建筑樁基檢測技術規范》(JGJ106—2003)的有關規定，2號樁單樁豎向抗壓靜荷載試驗采用壓重平臺反力裝置，即由壓重平臺提供反力通過試樁鋼梁及6臺500 t并聯液壓千斤頂對試樁進行豎向抗壓荷載試驗，試驗采用靜載荷測試儀，采用壓力傳感器直接測定壓力，試樁沉降采用4塊位移傳感器記錄，基準梁采用鋼質，長14 m，試驗裝置如圖4所示。

4號樁抗拔試驗采用自平衡法進行，試驗荷載箱由荷蘭Tomer Systems B.V.(通莫系統有限公司)研制開發，并由杭州歐感科技有限公司引進和改制的，試驗裝置如圖5所示。

圖6 樁身傳感器布置

圖4 單樁豎向抗壓靜荷載試驗裝置示意

圖5 自平衡法試樁示意

為精確測定試樁樁周各土層側摩阻力和樁尖阻力，在樁鋼筋籠綁扎后固定振弦式傳感器于鋼筋籠上，留出足夠長度的線頭與振弦式傳感器讀數儀連接，靜載試驗時進行樁身內力測試，樁身傳感器布置詳見圖6。

3.2 試樁結果分析

根據樁身軸力測試結果，計算得樁在承載力極限狀態時，樁側摩阻力及端阻力統計結果詳見表7～表11。

根據S1、S2號樁試樁結果，考慮到大直徑擴孔樁側阻力和端阻力尺寸效應，按照《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)對樁側各土層的實測極限承載力進行修正并與地質勘查獲得極限承載力進行對比，詳見表12，擴頭所占承載力比例詳見表13。

表7 S1號樁試樁結果

表8 S2號樁試樁結果

表9 S3號樁試樁結果

表10 S4號樁試樁結果

表11 S5號樁試樁結果

表12 樁側、樁端注漿土層極限承載力統計

表13 擴頭區極限承載力統計

表12結果表明，樁側注漿使各土層極限承載力均得到了較大提高，對于黏性土，側阻力增強系數介于1.38～1.74，砂性土側阻力增強系數介于1.42～1.95，并且隨著土層埋深的增加，側阻力增強系數呈逐漸增大趨勢;樁端土的極限端阻力增強系數為2.002。因此，樁側和樁端注漿對提高樁的極限承載力有明顯的積極作用。

表13結果表明，在樁身和樁端設置的擴大頭提供的抗拔力占抗拔樁總抗拔力的35.85% ～42.00%，而擴頭的側面積僅為樁身側面積的7.3% ～8.3%，因此擴大頭的側壓效應對抗拔力的貢獻較大，設置擴大頭對提高樁的抗拔能力具有明顯效果，并且隨著樁長增加，擴頭提供抗拔力的比例呈減小趨勢。

4 結論

針對天津某地下交通中心工程工程樁的設計過程，對工程樁極限承載力的優化設計進行詳細探討，并結合試樁結果對優化方案進行效果驗證，主要結論如下。

(1)樁側注漿對提高樁側土極限承載力效果顯著，對于該工程場地的黏性土極限承載力增強系數介于1.38～1.74，并且隨著土層埋深增加，極限承載力增強系數呈增大趨勢。

(2)樁端注漿能有效提高樁端土的極限承載力，增強系數可達2.0以上。

(3)在樁身和樁端設置擴頭能有效提高抗拔樁的極限承載力，該工程中設置兩擴頭，樁身直徑φ2 200 mm，擴頭直徑φ3 200 mm，擴頭提供抗拔承載力占樁總抗拔承載力的35.85% ～42.00%;在擴頭大小和數量不變情況下，隨著樁長增加，擴頭提供承載力所占比例逐漸下降。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2］中華人民共和國建設部.JGJ 94—2003 建筑基樁檢測技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.