調節樁身豎向剛度的實用方法

朱建輝

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

1 概述

樁基是由樁和連接樁頂的樁承臺組成的深基礎或由柱與樁基連接的單樁基礎。承臺下基樁通過樁側摩阻力和樁端阻力將上部結構荷載傳至基礎以下深層土體之中，通過改變樁長和樁徑，為基樁選擇不同的樁端持力層，可以得到滿足于設計要求的單樁豎向極限承載力標準值。對單樁豎向極限承載力標準值進行理論計算時，可按式(1)取值。

Quk=Qsk+Qpk

(1)

其中，Quk為單樁豎向極限承載力標準值；

Qsk為單樁總極限側阻力標準值；

Qpk為單樁總極限端阻力標準值。

在實際工程中進行樁基基礎設計時，設計人員往往關注的是柱下、承臺下或者筏板下的基樁豎向極限承載力標準值是否滿足上部結構的受力要求，即滿足式(2)的要求。

Nk≤αR

(2)

其中，Nk為標準組合下，基樁所受的豎向力；

α為不同工況的標準組合下，R的調節系數；

R為基樁豎向承載力特征值。

按式(3)計算。

(3)

K為安全系數；

Quk為單樁豎向極限承載力標準值[1]。

對于多樁承臺和筏板基礎，基樁在上部豎向荷載的作用下，通過承臺或筏板協調樁頂變形來達到共同承擔結構上部荷載的目的。在基樁的單樁豎向極限承載力滿足設計要求的前提下，基樁的實際受力情況與其自身豎向剛度有密切關系。如式(4)所示。

F=ks

(4)

F為基樁受力大小；

k為基樁豎向剛度；

s為樁身豎向變形量。

通過各基樁所連接的基礎的變形協調作用，各基樁的豎向變形量s趨于一致，則當樁身豎向剛度k相差較大時，F將相差較大，即在承臺或者筏板內產生應力集中的現象，對承臺或者筏板產生不利影響，降低基礎的安全性和可靠性。

2 影響樁身豎向剛度的因素

在不考慮樁身材料的豎向塑性變形的前提下，樁身豎向剛度k可按式(5)表示[2]。式中k1為不考慮樁側巖土層及樁端持力層影響的樁身豎向彈性剛度，按式(6)計算；k2為樁身串聯剛度，按式(7)計算，用來考慮樁身豎向剛度調節構件對樁身剛度的影響。

(5)

(6)

(7)

從式(6)可知，k1隨樁長l的增加而降低，隨樁身彈性模量E的增加而提高，隨樁身截面面積A的增加而提高。樁身彈性模量E與樁身混凝土等級和鋼筋等級有關，而樁身截面面積與樁身直徑或邊長有關[3]。在實際工程中，當需要考慮基樁豎向剛度對上部結構的影響時，則應采用考慮了樁側巖土層及樁端持力層影響的基樁豎向彈塑性剛度。故現場應根據基樁樁徑、樁長、樁身材料強度及樁端持力層的不同，分別進行靜載試驗。根據單樁豎向抗壓靜載試驗結果，結合上部結構設計軟件理論分析得出的基樁頂部荷載，提取基樁工作荷載大小范圍內的豎向剛度，作為k1代入(5)式中。

對于已施工完成的基樁，可通過增設樁頂豎向剛度調節構件來調節樁身豎向剛度。從式(5)可知，樁身豎向剛度調節構件無論自身豎向剛度k2的大小，都會使得基樁豎向剛度減少。

3 調節樁身豎向剛度的實用方法

3.1 樁頂褥墊層的設置及剛度計算方法

在進行地基處理時，調節樁身豎向剛度的方法，一般采用在樁頂設置一定厚度的褥墊層措施，此方法在軟弱地基采用剛性或半剛性樁進行復合地基設計時，得到廣泛的應用[4]。

樁基礎可參考復合地基的處理方式在樁頂設置褥墊層，具體如圖1所示。褥墊層采用級配砂卵石，壓實系數不小于0.94。為防止后期在地下水升降過程中，褥墊層的流失和破壞，在褥墊層局部加厚區兩側增設120厚磚胎膜，增設高度同褥墊層局部加厚區高度。

圖1 樁頂褥墊層大樣圖

褥墊層的壓縮變形量s可參照式(8)進行計算[5]，其中壓縮變形量計算深度取褥墊層設計厚度，壓縮模量Es根據樁頂附加應力P0的大小，由現場淺層平板載荷試驗確定。則褥墊層豎向剛度k2可按式(9)確定，其中A為褥墊層實際受壓面積，按圖1所示，褥墊層平面布置為方形，則A=(D+400)2，D為褥墊層處基樁直徑(mm)。

(8)

k2=P0As

(9)

3.2 基樁頂部縱筋伸入承臺的細部構造

樁基礎若僅在樁頂設置褥墊層，雖能起到調節樁身豎向剛度的作用，但與復合地基不同，基樁縱向鋼筋應深入承臺或筏板一定深度，以滿足鋼筋錨固和基礎傳力的要求。若不加處理，則基樁頂部縱筋暴露于褥墊層之中，受地下水和其他腐蝕物質的影響，無法滿足耐久性的要求，且鋼筋縱向伸縮變形無法與承臺(筏板)和樁身變形相協調，使得鋼筋亦無法滿足傳遞荷載的要求。故當采用在樁頂設置褥墊層的方法來調節樁身豎向剛度時，應對基樁頂部縱筋進行適當處理，在滿足樁頂與承臺或筏板連接要求的前提下，使得褥墊層范圍內的基樁頂部縱筋能夠規范對鋼筋耐久性的要求，同時可以同褥墊層一起協調變形，傳遞荷載。

基樁頂部縱筋伸入承臺的細部構造具體如圖2所示。在基樁縱筋外包裹塑料薄膜，并涂一層黃油后，在塑料薄膜外套內徑32波紋鋼管。波紋鋼管自身抗腐蝕性應不小于基樁頂部縱筋，故波紋鋼管材質推薦采用304不銹鋼。波紋鋼管下口埋入樁頂混凝土內不少于100mm，其上口伸入承臺或筏板內，長度同鋼筋設計錨入長度，并用環氧樹脂將波紋鋼管上口處與鋼筋間的縫隙粘結封口。通過一系列措施保證基樁頂部縱筋滿足規范對鋼筋耐久性的要求。

當褥墊層在基礎底部荷載的作用下發生一定的沉降變形時，為保證基樁頂部縱筋能同褥墊層一起協調變形，基樁頂部縱筋在褥墊層及錨入承臺(筏板)基礎的范圍內應具備相當程度的豎向變形的能力。根據圖2所示，褥墊層范圍內基樁縱筋下部已與樁身混凝土整澆，無單獨變形的能力，而樁頂以上縱筋置于波紋鋼管內，波紋鋼管與承臺或筏板混凝土整澆后，在波紋管內部形成單獨變形通道，同時在波紋鋼管和基樁頂部縱筋頂部設置錨板和橡膠，如圖3所示。其中橡膠的豎向剛度與褥墊層的豎向剛度相當，在褥墊層發生豎向變形時，基樁縱筋頂部的橡膠可在混凝土內發生相應的變形，使得基樁頂部縱筋存在一個完整的可壓縮變形的空間，保證基樁頂部縱筋和褥墊層變形協調。

如圖2～圖3所示，基樁頂部縱筋端部通過塞焊與錨板連接，而橡膠與錨板用環氧樹脂粘結。圖3中所示錨板的作用在于當基樁縱筋受拉時，在基礎內形成錨固力，滿足受拉縱筋與混凝土間的錨固要求。

圖2 基樁頂部縱筋細部大樣圖

圖3 基樁頂部縱筋端部大樣

3.3 注意事項

以上基樁頂部細部構造在進行工程應用時，還需注意以下4點：

(1)因工程樁先行施工，故為保證波紋鋼管下口埋入樁頂混凝土內不少于100mm，應在波紋鋼管置入前自基樁設計樁頂標高往下鑿除不少于100mm，待將波紋鋼管套入后，再重新澆搗混凝土至設計樁頂標高。

(2)當基樁頂部縱筋存在搭接接頭時，應搭接接頭位置為兩根鋼筋并行，故內徑為32mm波紋鋼管無法同時將兩根鋼筋包裹住，此時可根據需要置換更大內徑的波紋鋼管，同時基樁頂部縱筋的錨板平面幾何尺寸應相應增大，保證錨板與混凝土有足夠的接觸面積，以滿足受拉鋼筋的錨固要求。

(3)因波紋鋼管同基樁縱筋的材質不同，波波紋鋼管上口處與鋼筋間的縫隙不可采用焊接進行封口，故本文推薦采用環氧樹脂進行粘結封口。

(4)錨板頂部橡膠在選擇時，除應保證其豎向剛度與褥墊層相當外，其使用年限應同基礎設計使用年限，且在基礎混凝土振搗過稱中，避免過度振動導致橡膠與錨板脫離，以及發生嚴重歪斜。

基樁頂部縱筋細部構造的成品圖如圖4～圖5所示。

圖4 基樁頂部縱筋細部成品圖

圖5 基樁頂部縱筋端部成品圖

4 工程應用

某工程位于泉州市，建筑結構為地上21層，地下3層，為鋼筋混凝土框架-核心筒結構，原設計除核心筒范圍內采用樁筏基礎外，其余范圍采用柱下獨立樁基承臺的基礎型式，設計要求各基樁的樁端持力層均設置于中風化花崗巖。因工程場地范圍內的樁端持力層埋藏深度起伏較大，且存在中風化夾層，后經單樁豎向抗壓靜載試驗及現場樁身鉆芯取樣，大部分基樁樁端持力層及基樁豎向承載力均不滿足設計的要求，導致同一承臺或筏板基礎下的基樁豎向承載力不足，且各基樁間豎向剛度相差較大。

為充分利用已施工基樁的豎向承載力，根據樁土共同作用的原理對基礎進行重新設計，即在地下室全部范圍內采用平板式樁筏基礎，將殘積粘性土或全風化花崗巖作為地下室底板板底持力層，樁和樁間土共同承擔上部結構傳來的豎向荷載。為調節基礎的不均勻沉降，避免在筏板內產生應力集中的現象，采用本文第3章節的方法，調節個別基樁的樁身豎向剛度，并采用式(5)確定的基樁豎向剛度進行理論計算分析。

根據理論計算分析的結果，平板式樁筏基礎的沉降計算結果如圖6所示。從圖中可以看出，在主樓范圍內基礎沉降為以核心筒為中心的碟形沉降。根據傾斜方向兩端點的沉降差和距離計算的建筑物的理論最大傾斜率為0.0013，滿足規范要求[4]。

圖6 基礎理論分析沉降曲線圖(單位：mm)

圖7為建筑結構封頂后各建筑沉降變形觀測點中沉降數值最大點的時間-沉降量曲線圖，從圖中可知，2017年8月13號至2017年12月31號的140d里，建筑最大沉降速率均小于0.01mm/d，說明樁基已達到穩定狀態[6]。根據建筑物傾斜觀測數據，各測點中最大傾斜率為1/6063，滿足規范要求[5]。

圖7 建筑沉降觀測時間-沉降量曲線圖

5 結語

綜上所述，當同一基礎承臺或筏板下基樁剛度相差過大時，為避免出現基樁和基礎之間應力集中的現象，保證基礎的安全性和可靠性，可在需要調整豎向剛度的基樁頂部設置樁頂褥墊層，并對基樁頂部縱筋進行細部處理，以在調整基樁豎向剛度的同時，保證基樁縱筋的耐久性和與基礎協調變形的能力，理論分析及實際工程監測結果均能滿足國家相關規范的要求。

參考文獻

[1] JGJ94-2008 建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2] POULOS H G, DAVIS E H.Pile foundation analysis and design[M].New York:Wiley Press,1980.

[3] 潘時聲.樁的剛度計算[J].巖土工程學報, 1996, 18(1)：1-6.

[4] JGJ79-2012 建筑地基處理設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[5] GB50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[6] JGJ 8-2016 建筑變形測量規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.