沉管灌注樁豎向承載力研究

牛國生，王斐慶，劉 興

(北京振沖工程股份有限公司，北京 100102)

沉管灌注樁豎向承載力研究

牛國生，王斐慶，劉 興

(北京振沖工程股份有限公司，北京 100102)

以駐馬店市政府搬遷區(qū)某小區(qū)的一棟民用住宅樓基礎沉管灌注樁試樁的靜載試驗數(shù)據(jù)結果為依托，通過現(xiàn)場靜載試驗數(shù)據(jù)結果來確定單樁極限承載力標準值以及承載力特征值，對比當前《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94－2008)的計算值，提出了適合于駐馬店地區(qū)沉管灌注樁設計的經(jīng)驗公式。該方法在保障安全、經(jīng)濟、適用的基礎上可節(jié)約大量材料，同時也可為其他地區(qū)樁基設計提供合理的參考經(jīng)驗依據(jù)。

沉管灌注樁;靜載試驗;單樁極限承載力標準值

0 引言

靜壓沉管灌注樁由于具有造價低、工期短、施工簡便等特點，近年來已經(jīng)得到了廣泛的應用。沉管灌注樁屬于擠土灌注樁，樁尖在豎向作用力下對四周的土體進行擠壓，改變土體的結構排列，使周圍土層擠密，樁管由此迅速沉入土中，形成樁孔，然后放入鋼筋籠，澆注樁身混凝土，拔出鋼管形成所需的灌注樁。與此同時，靜壓沉管灌注樁受地質(zhì)條件限制，出現(xiàn)斷樁、縮徑等問題［1］卻日益突出，這就要求地區(qū)應用推廣前，必須檢測基樁豎向抗壓承載力，為工程質(zhì)量控制提供可靠的、準確的檢測數(shù)據(jù)。

沉管灌注樁具有設備簡單、施工方便、操作簡單、造價低，無泥漿污染;施工速度快、工期短，隨地質(zhì)條件變化適應性強等優(yōu)點。其缺點是:由于樁管直徑的限制，影響單樁承載力，承載力偏差較大，施工方法和施工工藝不當，將會造成縮頸、斷層、斷樁、夾泥和吊腳等質(zhì)量問題，遇淤泥層時處理較難，在N＞30擊的砂層沉樁困難。本次載荷試驗就是對上述缺點具有針對性的解決。

就目前而言，還沒有專門計算沉管灌注樁單樁極限承載力的公式，現(xiàn)行《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94－2008)提出的單樁極限承載力計算公式結果往往偏低，有時甚至比實際承載力小1倍，從而造成設計偏于保守，這會造成材料的極大浪費［2］。通過對靜壓沉管灌注樁荷載作用下的荷載傳遞性狀進行研究，利用JCQ－503A型靜載荷測試儀觀測現(xiàn)場載荷試驗分級荷載下樁身沉降確定單樁極限承載力;利用顆粒流軟件PFC2D，在不考慮土體應力歷史條件下，計算單樁靜載試驗分級荷載作用下樁身沉降，進而得到樁模型單樁承載力數(shù)值解;利用現(xiàn)行計算單樁承載力的規(guī)范計算公式計算分級荷載作用下單樁沉降量。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結果分析對比試驗值和數(shù)值解以及規(guī)范計算值，進而提出了適合于該地區(qū)的靜壓沉管灌注樁單樁承載力計算公式，也可為工程質(zhì)量控制提供準確、可靠的檢測數(shù)據(jù)，確保工程質(zhì)量。

1 單樁豎向靜載試驗

1.1 試驗目的和任務

通過現(xiàn)場試驗測定單樁豎向荷載作用下的荷載及變形特征。荷載作用于樁頂，樁將產(chǎn)生位移(沉降)，可得到每根試樁的Q－s曲線，它是樁破壞機理和破壞模式的宏觀反映。此外，靜載荷試驗過程中還可獲得每級荷載下樁頂沉降隨時間的變化曲線，也有助于對試驗成果的分析。故以此靜載荷試驗數(shù)據(jù)成果來校核駐馬店市政府搬遷區(qū)某小區(qū)民用住宅樓基樁承載力是否達到設計要求。

1.2 試樁及地層情況

本次靜載荷試驗的試樁數(shù)量為3根。因場區(qū)淺層地基土層較軟，住宅樓基礎設計采用沉管灌注樁，樁身混凝土強度C25，總樁數(shù)261根，試樁樁位及試樁擬建場地地層參數(shù)分別見圖1、表1。

圖1 靜載荷試驗樁位示意圖

表1 場區(qū)的工程土體參數(shù)

1.3 試樁制備及試驗前的準備工作

沉管灌注樁的試樁，先鑿掉樁頂部的破碎層和軟弱混凝土，樁頭頂面進行整平，使樁頭中軸線與樁身上部的中軸線重合，樁頭主筋全部直通至樁頂混凝土保護層下，各主筋在同一高度上。距樁頂1.5倍樁徑范圍內(nèi)設置箍筋，箍筋間距為100 mm，樁頂設置鋼筋網(wǎng)片3層，間距100 mm，樁頭混凝土強度等級采用C30，與樁頂混凝土澆成整體，樁頂面用砂漿抹平。

1.4 試驗設備及原理

基樁靜載試驗是通過反力裝置對試驗樁施加豎向荷載，通過測定特定荷載作用下樁的沉降量，分析獲得所需要的有關樁的目的參數(shù)。反力裝置采用錨樁主次梁法，加載通過千斤頂完成。沉降通過安裝在樁頂?shù)奈灰朴?圖2)和安裝在地面上的穩(wěn)定支架完成。荷載測量采用并聯(lián)于千斤頂油路的壓力表測定油壓，根據(jù)千斤頂率定曲線換算出荷載。當樁在荷載作用下，樁身連同樁頭上位移計產(chǎn)生向下運動，安裝在地面上的穩(wěn)定支架固定不動且阻止了應變計的運動，這樣使得應變計的滑動桿產(chǎn)生壓縮，準確測定樁的沉降量。試驗設備應根據(jù)試驗樁的極限荷載選擇，主要包括:錨樁、反力裝置、儀表、加荷及觀測系統(tǒng)、觀測設備(圖3)、基準裝置。

圖2 位移計的安裝

圖3 JCQ－503A型靜載荷測試儀

1.5 試驗過程

1.5.1 加載卸載方法

加載采用慢速維持荷載法，即逐級加載，每級荷載達到相對穩(wěn)定后，再加下一級荷載，直至試驗破壞，然后按每級加載量的2倍卸載到零。

慢速維持荷載法實驗步驟遵守下列規(guī)定操作:

(1)每級荷載施加后按第5、15、30、45、60 min測讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測讀一次。

(2)試樁沉降相對穩(wěn)定標準:每1 h內(nèi)的樁頂沉降量≯0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次(從每級荷載施加后第30 min開始，由3次或3次以上每30 min的沉降觀測值計算)。

(3)當樁頂沉降速率達到相對穩(wěn)定標準，再施加下一級荷載。

(4)卸載時，每級荷載維持1 h，按第5、15、30、60 min測讀樁頂沉降量;卸載至零后，應測讀樁頂殘余沉降量，維持時間為3 h，測讀時間為5、15、30 min，以后每隔30 min測讀一次。

1.5.2 靜載荷試驗終止加載的條件

為了便于應用，當出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載:

(1)某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍(當沉降能相對穩(wěn)定且總沉降量＜40 mm時，宜加載至總沉降量＞40 mm)。

(2)某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達到相對穩(wěn)定標準。

(3)當荷載－沉降曲線呈緩變型時，可加載至樁頂總沉降量＞60 mm。

(4)總加載量已達到最大加載量900 kN。

本次靜載荷試驗3組試驗均按900 kN分10級，每級加載值為90 kN，第一次加載值為180 kN。當每級荷載作用下達到相對穩(wěn)定標準后可加下一級荷載。每級荷載施加后至少維持1 h。

1.6 試驗數(shù)據(jù)的分析與判定

本次靜載荷試驗對各種試驗曲線形態(tài)進行描述分析，必要時借助輔助解釋曲線對曲線特征進行證明，主要靜載荷試驗結果應能夠通過多項參數(shù)獲得一致性結論。當出現(xiàn)主要靜載荷試驗結果多參數(shù)出現(xiàn)大差異性結論時，應分析原因，剔除錯誤的靜載荷數(shù)據(jù)重新進行分析判斷。

每組靜載荷試驗的原始記錄經(jīng)整理后形成單樁豎向靜載荷試驗數(shù)據(jù)，繪制匯總表(表2～4)。每組靜載荷試驗的原始記錄經(jīng)整理后繪制單樁豎向靜載荷試驗曲線圖(圖4～6)。

表2 145號樁單樁豎向靜載荷試驗匯總表

(1)單樁豎向抗壓極限承載力Qu的判定:145、127、114號樁靜載荷試驗成果曲線均屬于緩變型Q－s曲線，最大荷載值900 kN穩(wěn)定沉降量未超出規(guī)范允許范圍。根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范(JGJ 106－2003)》第4.4.2條注記中的規(guī)定，3組靜載荷試驗的單樁豎向抗壓極限承載力值均為900 kN。

圖4 145號樁單樁豎向靜載荷試驗荷載位移

表3 127號樁單樁豎向靜載荷試驗匯總表

圖5 127號樁單樁豎向靜載荷試驗荷載位移

表4 114號樁單樁豎向靜載荷試驗匯總表

(2)單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值的確定:本工程3組試驗的值差不超過平均值的30%，根據(jù)規(guī)范JGJ 106－2003第4.4.3條第1款的規(guī)定，本試驗單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值為900 kN。

圖6 114號樁單樁豎向靜載荷試驗荷載位移

(3)單樁豎向抗壓極限承載力特征值Ra的確定:根據(jù)規(guī)范JGJ 106－2003第4.4.4條的規(guī)定確定本試驗單樁豎向抗壓承載力特征值為900/2=450 kN(同一條件)。

2 沉管灌注樁單樁豎向承載力設計公式的確定

沉管灌注樁的設計主要是根據(jù)樁頂荷載情況以及需要處理的地質(zhì)條件，因此在設計之前，必須熟悉上部建筑荷載情況以及對樁的要求，仔細分析承受樁的工程地質(zhì)情況參數(shù)。沉管灌注樁適用于一般粘性土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、稍密及松散的砂土及填土等復雜地層，不受持力層起伏和地下水位高低的限制。多年的實踐證明，應用于軟土地基處理具有較好的效果。駐馬店地區(qū)地質(zhì)構造以軟土為主，因此沉管灌注樁在該地區(qū)具有良好的推廣前景。在該地區(qū)推廣前進行試樁試驗以確定沉管灌注樁在該地區(qū)的設計參數(shù)，由于規(guī)范JGJ 106－2003規(guī)定了混凝土預制樁、泥漿護壁鉆(沖)孔樁、干作業(yè)鉆孔樁所對應土體極限側限力、端阻力標準值，而沉管灌注樁施工工藝特點介于混凝土預制樁和泥漿護壁鉆(沖)孔樁之間，故而具體沉管灌注樁基設計參數(shù)可取兩者平均值(表5)，其中持力層為第⑦層。

表5 樁基設計參數(shù)表

根據(jù)該地區(qū)預制樁沉樁經(jīng)驗，不存在樁周土層產(chǎn)生的沉降超過基樁的沉降，故而不需計入樁側負摩阻力，單樁豎向極限承載力標準值計算公式:

式中:Quk——單樁豎向極限承載力標準值;Qsk——單樁總極限側阻力;Qpk——單樁總極限端阻力; qsik——第i層土的極限側阻力標準值;qpk——極限端阻力標準值;Li——樁穿過第 i層土的厚度; Ap——樁端橫截面面積，Ap=3.14×0.25×0.25; u——樁身周長，u=3.14×0.5。

由于第①層為耕填土，且厚度僅為0.50～1.10 m，樁頂承臺開挖澆筑時需挖除，故而設計的時候不考慮第①層的側阻力作用，則:

根據(jù)規(guī)范JGJ 106－2003第4.4.4條規(guī)定，按規(guī)范設計計算的單樁豎向抗壓承載力特征值為:

式中:R——單樁豎向抗壓承載力特征值;ηs——樁側阻抗力分項系數(shù);ηp——樁端阻抗力分項系數(shù)。

按規(guī)范設計計算的單樁豎向承載力特征值小于現(xiàn)場靜載試驗結果約13.8%，小于靜載荷試驗數(shù)值所計算結果約10.04%，顯然這會造成材料的極大浪費，造成經(jīng)濟損失。為了解決這個問題，可對現(xiàn)行規(guī)范提出的單樁承載力設計計算公式進行修正，得到一個適合于駐馬店地區(qū)的計算沉管灌注樁單樁豎向承載力特征值、單樁豎向極限承載力標準值公式:

其中β為修正系數(shù):按現(xiàn)場靜載試驗結果修正，β=1.14;按數(shù)值靜載試驗結果修正，β=1.10;通過對現(xiàn)場靜載試驗結果與數(shù)值試驗結果分析比較，建議修正系數(shù)按現(xiàn)場靜載試驗結果修正。

3 結語

通過現(xiàn)場靜載試驗成果，確定了駐馬店地區(qū)沉管灌注樁的單樁豎向極限承載力，對比根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的設計值，提出了適合于駐馬店地區(qū)沉管灌注樁經(jīng)驗設計公式。

該方法在保障安全的基礎上可節(jié)約大量材料，降低工程造價，節(jié)約投資，同時為其他地區(qū)以軟土為主的地質(zhì)條件的沉管灌注樁樁基設計提供借鑒。

［1］陳英，楊德才.沉管灌注樁施工常見問題及處理措施［J］.西部探礦工程，2007，(6).

［2］王春盛.PHC管樁單樁豎向承載力試驗研究［J］.巖土工程界，2005，8(12).

［3］楊克己，等.實用樁基工程［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］JGJ 94－2008，建筑樁基技術規(guī)范［S］.

［5］張忠苗.樁基工程學［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［6］林宗元.巖土工程試驗監(jiān)測手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［7］JGJ 106－2003，建筑基樁檢測技術規(guī)范［S］.

Study on Vertical Bearing Capacity of Driven Grouting Pile

NIU Guo-sheng，WANG Fei-qing，LIU Xing(Beijing Vibroflotation Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China)

Relying on the data of static load test on test pile in the foundation of a residensial building of Zhumadian and by the field data of static load test，the standard value of ultimate bearing capacity of single pile and the characteristic value of bearing capacity were determined.Comparing to the calculated value in Technical Code for Building Pile Foundations(JGJ 94－2008)，empirical formula proper to the driven grouting pile design in Zhumadian area was put forward，which could ensure safe and economic construction with production materials saving，and could be the reference to other pile foundation design.

driven grouting pile;static load test;standard value of ultimate bearing capacity of single pile

TU473.1

A

1672－7428(2012)03－0065－04

2011－10－25;

2012－01－05

牛國生(1979－)，男(漢族)，河南人，北京振沖工程股份有限公司工程師，巖土工程專業(yè)，從事基礎工程施工技術工作，北京市朝陽區(qū)望京西園221號博泰大廈12層，niuguosheng762@sohu.com。