湖相沉積土層中等直徑勁性復(fù)合樁的承載力計算與分析

李紅波+胡錦偉+王咸東+盛光祺

摘要：本文采用目前五個具有代表性規(guī)范對湖相沉積土層中勁性復(fù)合樁樁身承載力進行計算復(fù)核與分析，得出了在采用與芯樁等直徑原位注漿攪拌情況下，土體經(jīng)注漿攪拌后對樁身承載力依然具有較大的影響的結(jié)論。給出了在特定工程條件下注漿攪拌對樁身承載力的貢獻值。勁性復(fù)合樁側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)對樁身承載力有較大的影響，工程中需結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗綜合考慮，才能得出符合實際、安全的計算結(jié)果，為工程帶來合理的經(jīng)濟環(huán)境效益。

Abstract： We calculated and analyzed the bearing capacity of strength composite piles which located in the lacustrine sedimentation with five methods used by engineers. The result showed that cement-soil have major impact on the bearing capacity of strength composite piles. We found cement-soil share of the bearing capacity of strength composite piles with the same diameter in the lacustrine sedimentation， and found that factor of the side resistance of pile have major impact on the bearing capacity of strength composite piles. We will get the practical and safe results while considering the various factors on the influence of the bearing capacity of strength composite piles， and achieve economic and environmental benefit.

關(guān)鍵詞：勁性復(fù)合樁；樁身承載力；樁側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)

Key words： strength composite piles；bearing capacity；factor of the side resistance of piles

中圖分類號：TU43 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0097-03

0 引言

昆明市西南部邊緣與滇池交接處屬于典型滇池盆地湖相沉積平原地貌，分布著厚度較深的軟弱土層，建構(gòu)筑物基礎(chǔ)選型受到極大限制，淺基礎(chǔ)基本無法滿足要求，樁基中以管樁應(yīng)用最為廣泛。

水泥土攪拌樁或注漿攪拌是軟土地區(qū)常用的地基處理形式，具有施工方便靈活，施工周期短，造價低的特點，但樁身承載力較低，樁周側(cè)摩阻力往往得不到充分利用。管樁尤其是預(yù)應(yīng)力管樁，其樁身承載力較高，但是由于采用離心澆筑而成，材料密實，表面光滑，側(cè)摩阻力較低。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究表明，與采用振搗法澆筑的樁相比，管樁樁周側(cè)摩阻力僅為65%～75%[1]，樁身材料強度得不到發(fā)揮。

勁性復(fù)合樁是在經(jīng)注漿攪拌的注漿混合體初凝前插入剛性芯樁形成的一種復(fù)合型結(jié)構(gòu)[2]，結(jié)合了土體注漿攪拌側(cè)摩阻力大和管樁樁身材料強度高的特點，具有承載力高、造價低等優(yōu)點[3，4]，在工程中有很好的應(yīng)用前景。

1 勁性復(fù)合樁的承載力計算方法

根據(jù)芯樁長l與注漿攪拌長度lc的比值α1的不同，將勁性復(fù)合樁分為長芯勁性樁α1>1、短芯勁性樁α1<1和等芯勁性樁α1=1[5，6，7]。

勁性復(fù)合樁的承載力主要由勁性復(fù)合段承載力、非勁性復(fù)合段承載力和樁端承載力構(gòu)成。目前，勁性復(fù)合樁并沒有統(tǒng)一的承載力計算方法。根據(jù)芯長比的不同，計算方法也不盡相同，但所有的計算方法均在單樁豎向承載力[3]的計算基礎(chǔ)上進行不同程度的改進。勁性復(fù)合樁承載力計算方法主要有：①河北省《混凝土芯水泥土組合樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程》（DB13（J）50-2205），②河北省《剛性芯夯實水泥土樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程》（DB13（J）70-2007），③《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 327-2014），④云南省《加芯攪拌樁技術(shù)規(guī)程》（YB-2007），⑤江蘇省《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》（DBJ32-TJ 151-2013）。上述五本規(guī)范都考慮了樁周側(cè)摩阻力和樁端阻力，通用承載力計算式可歸納如下[8]：

Ra=u∑ξsiqsiali+uc∑qlj+αξpqpaAp（1）

Ra為單樁豎向承載力特征值，u、uc分別為勁性復(fù)合段和非勁性復(fù)合段樁身周長，ξsi、ξp為第i為層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)和樁端阻力調(diào)整系數(shù)，qsia、q為勁性復(fù)合段和非勁性復(fù)合段第i層土側(cè)阻力特征值，li、lj為勁性復(fù)合段和非勁性復(fù)合段第i層土層厚度，α為樁端阻力折減系數(shù)，qpa為樁的端阻力特征值，Ap為樁端截面積。根據(jù)芯長比，住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、云南省地方標(biāo)準(zhǔn)和江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分不同計算方法，根據(jù)芯長比不同，計算式略有不同。

住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 327-2014）要求區(qū)分勁性復(fù)合樁樁側(cè)破壞面發(fā)生于內(nèi)外芯界面或外芯與樁周土界面進行計算。云南省《加芯攪拌樁技術(shù)規(guī)程》（YB-2007）還要求進行樁身頂端材料強度確定的單樁豎向承載力Ra2、芯樁周和芯樁端水泥土抗力確定的單樁豎向承載力Ra3和芯樁范圍內(nèi)樁周土和芯樁端水泥土抗力確定的單樁豎向承載力Ra4計算，并選取最小值作為樁身承載力特征值。上述兩本規(guī)范實質(zhì)是根據(jù)勁性復(fù)合樁破壞模式選用不同的計算模型。

2 計算實例

2.1工程概況與水文地質(zhì)條件

昆明滇池國際會展中心項目位于昆明盆地西南部邊緣，距離滇池水域約1.0km。場地范圍內(nèi)為滇池盆地湖相沉積平原地貌，地表普遍分布厚約2～5m雜填土層，其下主要為第四系沖洪積及湖沼相沉積地層，以黏性土層和粉土層為主，地質(zhì)及水文條件如圖2所示。

主體結(jié)構(gòu)地上三層，地下一層，平面形狀為同心圓組成的半圓環(huán)，外弧長度約1600m，內(nèi)弧長度約1200m，徑向長度約190m，會展及配套商業(yè)總面積1171410m2。地下室層高5.4m，主要功能為車庫；1層和2層層高均為7.0m，其中1層主要功能為展廳、商業(yè)、車庫和設(shè)備用房；二層主要功能為展廳、商業(yè)及配套洽談會議中心；3層層高15.0米，主要功能為展廳，為大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。車庫和展廳采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，屋蓋采用鋼筋混凝土筒體（框架柱）-拉索拱架鋼結(jié)構(gòu)體系。框架柱軸力標(biāo)準(zhǔn)值約6200kN和7800kN。大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中支承筒體最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值約105000kN，支承框架柱軸力標(biāo)準(zhǔn)值約9500kN。

通過計算，如采用端承型摩擦樁，則總樁數(shù)為1680根，工程量50400m，工程量極大，且存在嚴(yán)重的擠土效應(yīng)問題，施工難度大。如采用灌注樁將會存在充盈系數(shù)大、成樁困難、質(zhì)量不易保證的問題。在以往施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出采用在設(shè)計樁位上進行攪拌注漿施工，在水泥土混合體初凝前壓入管樁的優(yōu)化方案。

2.2 樁基承載力計算與分析

根據(jù)提出的優(yōu)化方案，注漿攪拌與管樁（芯樁）直徑相同，勁性復(fù)合樁設(shè)計參數(shù)如表2所示。

對比表3和圖3數(shù)據(jù)，可以看出當(dāng)注漿攪拌樁徑與混凝土樁徑相同的情況下，云南標(biāo)準(zhǔn)計算值最接近實測值，誤差為15.97%，其次為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，誤差最大為江蘇標(biāo)準(zhǔn)，誤差達(dá)61.65%。反觀分析計算過程中所選用的數(shù)值，可以明顯看出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、江蘇標(biāo)準(zhǔn)和云南標(biāo)準(zhǔn)均采用了樁側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)ξs，導(dǎo)致最終計算結(jié)果出現(xiàn)差異。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)根據(jù)土層不同采用不同的調(diào)整系數(shù)，取值范圍為1.3～2.3，結(jié)合本項目地質(zhì)條件，調(diào)整系數(shù)取值范圍為1.3～1.9；云南標(biāo)準(zhǔn)建議值為1.1～1.6，不區(qū)分土層；江蘇標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)面積比確定，面積比定義為芯樁樁身截面積與勁性復(fù)合樁樁身截面積之比，本項目中由于水泥土樁直徑與管樁直徑相同，計算所得面積比大于40%，樁側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)ξs>3.0，導(dǎo)致最終計算結(jié)果偏大；河北省兩本規(guī)范均未對樁側(cè)阻力進行調(diào)整，即取值為1.0，在水泥土攪拌樁樁徑與混凝土樁徑相同，導(dǎo)致采用河北省規(guī)范計算無法體現(xiàn)出水泥土攪拌樁的作用，計算值與普通管樁計算值相差不大。

表4為勁性復(fù)合樁在水泥土注漿攪拌作用下樁身承載力提高值與不考慮水泥土注漿攪拌作用的樁身承載力提高值之比。

根據(jù)表4，可以看出在水泥土注漿攪拌作用下行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、云南標(biāo)準(zhǔn)、江蘇標(biāo)準(zhǔn)和河北標(biāo)準(zhǔn)1計算樁身承載力均有一定提高，這與工程經(jīng)驗是相匹配的。河北標(biāo)準(zhǔn)2樁身承載力反而下降，主要原因是本項目水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁徑相同，根據(jù)河北標(biāo)準(zhǔn)2樁側(cè)阻力未得到提高，樁端阻力反而因為采用復(fù)合樁型計算進行折減，導(dǎo)致最終計算承載力值較低。

3 結(jié)論

通過工程實例，對比分析五本規(guī)范計算水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同情況樁身承載力，并進行了比較分析，得出以下幾點結(jié)論：

①在水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同的情況下，水泥土注漿攪拌對勁性復(fù)合樁樁身承載力依然有較大的貢獻值。

②在本項目中，當(dāng)水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同的情況下，勁性復(fù)合樁樁身承載力提高約1.56倍。即在勁性復(fù)合樁提供的承載力中水泥土注漿攪拌的貢獻值約為35.9%。如不考慮水泥土注漿攪拌對勁性復(fù)合樁樁身承載力有利作用，將會造成較大的浪費。

③樁側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)ξs對樁身承載力具有較大影響，具有很強的地域性，在具體使用過程中應(yīng)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗綜合考慮各種因素后選用。

④采用水泥土注漿攪拌樁徑與混凝土樁樁徑相同勁性復(fù)合樁施工工藝不僅可以解決管樁施工過程中的擠土效應(yīng)問題，對樁身承載力的提高也有較大作用，該工藝具有較強的適用性。

參考文獻：

[1]張日紅，吳磊磊，孔清華.靜鉆根植樁基礎(chǔ)研究與實踐[J]. 巖土工程學(xué)報[J].2013，35（增2）：1200-1203.

[2]顧士坦，施建勇，王春秋，譚云亮.勁性攪拌樁芯樁荷載傳遞規(guī)律理論研究[J].巖土力學(xué).2013，32（8）：2473-2478.

[3]丁永君，榮曉巍，李進軍.關(guān)于勁性復(fù)合樁的若干問題[J].低溫建筑，2006，114（6）：97-99.

[4]丁永君，李進軍，李輝.勁性攪拌樁的發(fā)展現(xiàn)狀[J].低溫建筑，2005，108（6）：100-101.

[5]河北省建設(shè)廳.剛性芯夯實水泥土樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程（DB13（J）70-2007）[S].石家莊：河北省建筑科學(xué)研究院，2008.

[6]江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程（DBJ32-TJ151-2013）[S].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程（JGJ/T327-2014）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[8]李立業(yè)，劉松玉，章定文，鄧亞光.勁性復(fù)合樁承載力計算方法探討[J].地下空間與工程學(xué)報，2015，11（增1）：43-47.

[9]盛桂琳，魯書甜，鮑鵬等.勁性攪拌樁承載力的主要影響因素分析和計算公式探討[J].河南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，38（1）：96-100.