單樁豎向極限承載力確定方法

肖 欣

(天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300181)

1 概述

估算單樁豎向極限承載力標準值是詳細勘察階段的主要任務之一，也是甲、乙級勘察擬建物試樁設計的前提，作為未來工程樁樁基設計的依據(jù)，單樁承載力的估算必須客觀、準確，避免產(chǎn)生浪費。確定單樁承載力的常用方法有:1)原位試驗法:是一種通過現(xiàn)場直接試驗確定單樁承載力的方法，主要指樁基載荷試驗法;2)理論公式法:是根據(jù)室內(nèi)試驗指標利用理論公式計算單樁承載力的方法;3)規(guī)范表格法:主要指運用靜力觸探試驗、標準貫入試驗、旁壓試驗等現(xiàn)場測試指標或野外鑒別指標，通過查相關(guān)規(guī)范所列表格得到對應地基土樁基設計參數(shù)，通過規(guī)范建議的經(jīng)驗公式計算出單樁極限承載力標準值。使用過程中應注意規(guī)范不同(包括不同部門、不同行業(yè)、不同地區(qū)的規(guī)范規(guī)程)，其單樁承載力計算方法不會完全相同，應用時需注意各自的使用邊界條件。因此，規(guī)范規(guī)定:根據(jù)建筑樁基設計等級一般選用單樁靜載試驗、原位測試或者經(jīng)驗參數(shù)等方法分別或綜合確定單樁豎向極限承載力標準值。

2 單樁極限承載力確定方法

2.1 理論公式法

通常是采用取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗，做出密度、含水率、液限、塑限、壓縮指標及剪切等土質(zhì)物理力學指標。對上述指標進行統(tǒng)計，得出一定范圍內(nèi)指標的平均值及標準值查表得出樁側(cè)土的極限側(cè)阻力標準值qsik及極限端阻力標準值qpk。

查出樁側(cè)土極限側(cè)阻力標準值及極限端阻力標準值后根據(jù)如下公式計算出單樁豎向極限承載力標準值:

其中，qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值，可根據(jù)當?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，如無當?shù)亟?jīng)驗時，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》有關(guān)表格取值;qpk為極限端阻力標準值，可根據(jù)當?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，如無當?shù)亟?jīng)驗時，可按表《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》有關(guān)表格取值。

2.2 靜力觸探試驗法

靜力觸探試驗法估算單樁承載力具體原理是根據(jù)靜力觸探試驗中的探頭與地基土的相互作用，近似于樁與土的相互作用，因此可以根據(jù)靜探測試出單橋的比貫入阻力或雙橋探頭中的錐尖阻力與側(cè)壁摩阻力估算單樁承載力。不能直接用靜探測得端阻與摩阻作為實際單樁的端阻力和摩阻力計算單樁承載力，而必須經(jīng)過一定程度的修正，這是因為靜力觸探的探頭與土作用和實際樁體的工作性能差別較大。主要受尺寸效應、材料性能、應力特點等因素影響，因此需要對測試結(jié)果進行修正。用靜力觸探試驗法確定單樁承載力也是一種經(jīng)驗估算，具體方法是:根據(jù)土層統(tǒng)計靜力觸探探頭側(cè)阻力平均值及樁端平面上、下探頭阻力加權(quán)平均值，用如下公式計算后得出預制樁單樁極限承載力標準值。目前單橋使用較少，下面僅介紹雙橋靜力觸探試驗法。

根據(jù)雙橋探頭靜力觸探結(jié)果確定混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值時，可按下式計算:

其中，fsi為第i層土的探頭平均側(cè)阻力，kPa;qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d(d為樁的直徑或邊長)范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值，kPa，然后再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力進行平均;α為樁端阻力修正系數(shù)，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2;βi為第i層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，根據(jù)不同的土性，采用不同的公式進行計算。

2.3 標準貫入試驗法

對粘性土、粉土或砂土進行現(xiàn)場標準貫入試驗，記錄貫入30 cm實際貫入擊數(shù)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)程查出地基土極限側(cè)阻力qsik及樁端土極限端阻力qpk，再根據(jù)如下公式計算預制樁單樁極限承載力標準值:

其中，qsis為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力，可根據(jù)當?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，亦可按《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》附表取值;qps為極限端阻力標準值，可根據(jù)當?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，亦可按《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》附表取值。

2.4 靜載荷試驗法

該方法確定單樁極限承載力較為客觀、準確，可直接作為施工圖設計依據(jù)。但是規(guī)范要求靜載荷試驗法每個單體擬建物不少于3個檢測點。具體是:根據(jù)樁基檢測結(jié)果，計算出平均值，根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定，若極差小于平均值的30%，可直接采用平均值作為樁基設計依據(jù);若極差不小于測試結(jié)果平均值的30%，分析原因，并增加檢測根數(shù)，取最小值作為單樁承載力設計值。該方法周期較長、成本較高。

3 案例

3.1 工程概況

該項目位于天津市靜海區(qū)，擬建物為14棟11層洋房，框架結(jié)構(gòu)，地基基礎擬采用條形基礎，下面為預應力管樁。

詳細勘察階段采用原狀取土試驗、標準貫入試驗及靜力觸探試驗等多種方法進行單樁極限承載力估算，估算結(jié)果作為樁基初步設計依據(jù)，并隨后進行了場外試樁。

該項目樁基試樁設計為樁徑為300 mm，有效樁長22.0 m的預應力管樁。

3.2 地層巖性特征及分布規(guī)律

根據(jù)本次勘察資料，該場地埋深30.0 m深度范圍內(nèi)，場地地層皆屬第四系松散堆積物，以人工填土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂為主。根據(jù)《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》，按其沉積年代、成因類型初步劃分為10個工程地質(zhì)層，現(xiàn)將各土層自上而下分述如表1所示。

表1 地層巖性特征及分布規(guī)律

3.3 地基土物理力學指標統(tǒng)計

對于各層土的一般物理力學指標，當子樣個數(shù)不小于6時，提供最大值、最小值、算術(shù)平均值、標準差、變異系數(shù)、標準值。統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。

表2 物理力學指標統(tǒng)計表(平均值)

3.4 單樁極限承載力標準值估算

1)樁基設計參數(shù)見表3。

表3 樁基設計參數(shù)

2)單樁極限承載力標準值。通過估算用理論公式法確定單樁極限承載力標準值為1 345 kPa;靜力觸探法確定單樁承載力標準值為1 433 kPa;標準貫入試驗法確定單樁承載力標準值為1 371 kPa。3種方法確定單樁承載力平均值為1 383 kPa(特征值為692 kPa)，取該值作為樁基試樁設計值。

3.5 靜載荷試驗法

施工前先進行場外試樁4根，樁長為22.0 m，樁徑300 mm的預應力管樁。通過現(xiàn)場試樁，4根試樁的單樁極限承載力分別為1 467 kPa，1 517 kPa，1 481 kPa，1 506 kPa，其平均值為 1 493 kPa，極差為50 kPa，50 kPa/1 493 kPa=0.033 5=3.35% ＜30%。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定取試樁平均值作為施工圖設計依據(jù)，即單樁豎向承載力特征值為747 kPa。

綜合分析，當極差小于平均值的30%時，可選用3種方法估算單樁承載力平均值作為初步設計依據(jù)，當極差大于平均值的30%時，可選用最小值作為初步設計依據(jù)。本項目擬采用單樁承載力740 kPa作為樁基工程樁設計值，這樣處理既安全科學，又經(jīng)濟合理。在不做樁基靜載荷試驗時，用其他3種方法確定單樁承載力也可以滿足設計要求。

4 結(jié)論與建議

確定單樁豎向承載力的途徑和方法很多，目前理論方法總結(jié)為兩方面:一是按照樁體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度確定單樁承載力，二是按地基對樁體的支撐力確定，取二者最小值作為樁基設計值。正常情況樁體強度易滿足結(jié)構(gòu)荷載要求，一般需要地基土對樁體支撐力滿足要求即可。而按地基對樁體的支持力確定樁承載力的方法包括現(xiàn)場試驗方法、經(jīng)驗公式方法、理論計算方法及經(jīng)驗值方法等。實際施工圖設計中地基土對樁體承載能力應結(jié)合實際情況分析，且根據(jù)不同的行業(yè)要求及受力邊界條件分別確定。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》對單樁豎向極限承載力標準值的確定作了如下規(guī)定:1)一級建筑樁基應采用現(xiàn)場靜載荷試驗，并結(jié)合靜力觸探、標準貫入等原位測試方法綜合確定;2)二級建筑樁基應根據(jù)靜力觸探、標準貫入、經(jīng)驗參數(shù)等估算，并參照地質(zhì)條件相同的試樁資料，綜合確定，當缺乏可參照的試樁資料或地質(zhì)條件復雜時，仍應由現(xiàn)場靜載試驗確定;3)對三級建筑樁基，如無原位測試資料時，可利用承載力經(jīng)驗參數(shù)估算。上述規(guī)定明確了靜載試驗是確定單樁豎向承載力的第一標準，其他方法是靜載試驗的補充。因此，在樁基設計時應根據(jù)擬建物樁基設計等級及當?shù)亟?jīng)驗選用不同的方法進行單樁承載力設計值計算。

［1］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規(guī)范［S］.

［3］JGJ 72-2004，高層建筑巖土工程勘察規(guī)程［S］.