杭州灣典型地層中混凝土管樁承載力設(shè)計(jì)參數(shù)探討

林東明,李少和,林群仙

(1.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院,浙江 紹興 312000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來越多的建筑物和構(gòu)筑物采用樁基礎(chǔ)。樁基能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深層穩(wěn)定的巖土層中, 從而大大減少基礎(chǔ)的沉降和建筑物的不均勻沉降,被廣泛應(yīng)用于軟土地基的建筑物中。混凝土管樁承載力的確定一直是個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn),蘇延任[1]用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法探討南寧地區(qū)的幾種樁型承載力,得出經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法對(duì)端承樁承載力的計(jì)算與規(guī)范計(jì)算較為接近。盛波等[2]通過《港口工程樁基規(guī)范(JTJ 254—1998)》與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》對(duì)單樁承載力計(jì)算的參數(shù)選取問題,得出合理確定各地層分布情況及巖土體層承載力和變形性能等參數(shù),是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)和重點(diǎn)的問題。俞峰等[3]利用預(yù)制樁側(cè)阻和端阻指標(biāo),并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析,圍繞土塞效應(yīng)使用半解析半經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算樁端承載力,取得了一定的成效。

目前,靜壓樁與打入樁承載力差異的分析顯示,樁基規(guī)范和勘察報(bào)告一般傾向于提出偏保守的單位極限側(cè)阻和端阻建議值,因此按經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法設(shè)計(jì)模型計(jì)算的單樁極限承載力有可能小于實(shí)測值。

一般對(duì)荷載不是很大的建設(shè)工程來說,基礎(chǔ)大都設(shè)計(jì)12～13 m的單節(jié)預(yù)應(yīng)力管樁或方樁[4],沉樁方式采用錘擊法。根據(jù)地基土的物理力學(xué)參數(shù),按浙江省建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范(DB33/T 1065—2009)》[5](以下簡稱“省標(biāo)”)查表提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)(側(cè)摩阻力、樁端阻力)計(jì)算而得出的單樁承載力并不高,但卻存在樁有時(shí)打不下,甚至已打下去的試樁經(jīng)過靜載試驗(yàn),其單樁承載力比理論計(jì)算結(jié)果高出不少的情況。因此本文以濱海昌海生物工程樁基的試驗(yàn)結(jié)果為主要依據(jù),參照其他工程的成果,對(duì)樁的承載力及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)等作對(duì)比評(píng)估,欲對(duì)類似工程樁基設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況及勘察成果

1.1 工程概況

浙江醫(yī)藥股份昌海生物分公司(以下簡稱“昌海生物公司”)位于紹興市濱海新城,在世紀(jì)大道的北側(cè),越中路的西側(cè)。廠區(qū)總用地面積約85.33 hm2。分合成生產(chǎn)區(qū)塊、生物藥物區(qū)塊、創(chuàng)新藥物區(qū)塊、環(huán)保中心和后勤辦公生活區(qū)。其中合成生產(chǎn)區(qū)、生物藥物區(qū)和創(chuàng)新藥物區(qū)建筑類型為建筑高度24 m以下的合成類廠房,樁基為12 m左右的預(yù)制管樁和42 m左右的預(yù)制管樁；環(huán)保中心為4座高度19 m以下的污水處理池和輔助辦公用房,樁基為12 m左右的預(yù)制管樁；后勤辦公住宿區(qū)為建筑面積6萬m2的總部綜合樓和宿舍、食堂。本文中涉及的食堂及2718車間,分屬后勤辦公區(qū)和合成生產(chǎn)區(qū)。

1.2 勘察成果

2012年2月,華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱“華匯公司”)對(duì)浙江醫(yī)藥昌海生物分公司的食堂進(jìn)行了地質(zhì)勘察。食堂為1幢4層框架結(jié)構(gòu)建筑,長109 m,寬74 m,設(shè)計(jì)最大單柱荷載為6 000 kN,采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。食堂的勘察成果報(bào)告中建議參數(shù)見表1。

2 單樁承載力特征值估算

基于規(guī)范法估算單樁承載力簡單而又經(jīng)濟(jì),但這種方法由于受地區(qū)局限性的影響,一些應(yīng)考慮的因素可能會(huì)被忽略[5-6]。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50007—2011)》中已取消承載力表格,提倡建立地方性經(jīng)驗(yàn)公式[7]。此處按浙江省省標(biāo)《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范(DB33/T 1065—2009)》查表提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)(側(cè)摩阻力、樁端阻力)計(jì)算而得出的單樁承載力,并與按勘察報(bào)告建議值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 樁基參數(shù)取值

粉土中預(yù)制樁側(cè)壁摩阻力和端阻力的設(shè)計(jì)參數(shù)取值見表2。根據(jù)勘察報(bào)告中的地基土的物理力學(xué)參數(shù),查省標(biāo)附錄D按最大值取值,則各層土的樁側(cè)摩阻力及端阻力見表3。

表2 昌海生物公司2718車間地基土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 省標(biāo)計(jì)算得到的各層土樁側(cè)摩阻力及端阻力上限

2.2 食堂部位單樁承載力的估算

根據(jù)省標(biāo)附錄D查表取大值的樁基設(shè)計(jì)參數(shù),食堂部位取3個(gè)孔進(jìn)行單樁承載力的估算,三個(gè)孔的參數(shù)見表4。單樁豎向承載力特征值根據(jù)下式估算：

表4 食堂部位單樁承載力估算

Ra=up∑qsiali+qpaAp

(1)

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值,kN；

qsia為第i層巖土樁側(cè)阻力特征值,kPa；

qpa為樁端阻力特征值,kPa；

Ap為樁端橫截面積,m2；

up為樁身周長,m；

li為樁身穿過第i層巖土的厚度,m。

由于沉樁過程,樁端部分土將涌入管內(nèi)形成“土塞”,土塞的高度及閉塞效果隨土性、管徑、壁厚、樁進(jìn)入持力層的深度等諸多因素變化,而樁端土的閉塞程度又直接影響樁的承載力性狀[8]。若考慮樁端土塞效應(yīng),需將公式(1)第二項(xiàng)(qpaAp)調(diào)整為：

Qpa=qpa(Aj+λpAp1)

(2)

當(dāng)hb/d<5時(shí),λp=0.16hb/d；當(dāng)hb/d>5時(shí),λp=0.8。

λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)；

d為空心樁外徑；

d1為空心樁內(nèi)徑；

hb為進(jìn)入持力層深度。

以地勘報(bào)告中的Z1孔為例,考慮樁端土塞效應(yīng)的單樁豎向承載力特征值為：

=627.25 kN

(3)

J3、J5孔計(jì)算方法同上,三孔計(jì)算結(jié)果見表4之“按省標(biāo)查表取大值”列。

按地勘報(bào)告提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)(表1)估算食堂部位的單樁承載力特征值,以Z1孔為例根據(jù)計(jì)算如下：

Ra=3.14×0.6×(2×10+4.1×15+2×20+2.9×25)+1500×(0.157+0.8×0.125 6)=365.5+386.2=751.7 kN

(4)

J3、J5孔計(jì)算方法同上,三孔計(jì)算結(jié)果見表4之“按地勘報(bào)告”列。

3 樁基試驗(yàn)

對(duì)食堂的樁基質(zhì)量,由紹興市科信建設(shè)工程檢測中心于2014年4月底進(jìn)行基樁檢測,采用單樁抗壓靜載荷試驗(yàn),檢測結(jié)果見表5。試驗(yàn)最大荷載2 000 kN,Q-S曲線未出現(xiàn)明顯陡降,S-Logt曲線沉降間距正常,未出現(xiàn)明顯下折,達(dá)到試驗(yàn)要求,可判定單樁極限承載力均大于試驗(yàn)荷載。見圖1。取安全系數(shù)K=2,單樁豎向承載力特征值Ra為單樁承載力極限值的一半[6],故Ra大于1 000 kN。

表5 食堂部位單樁抗壓靜載荷試驗(yàn)成果

圖1 單樁抗壓靜載荷試驗(yàn)曲線圖

4 承載能力對(duì)比及機(jī)理分析

按照省標(biāo)參數(shù)表,取參數(shù)表中的大值進(jìn)行估算的結(jié)果,及按地勘報(bào)告提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)估算的結(jié)果,與樁基試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比：食堂部位,按規(guī)范取值范圍取最大值,②-3層是砂質(zhì)粉土層,估算φ600 mm的預(yù)應(yīng)力管樁的單樁豎向抗壓承載力特征值的平均值為615.6 kN。按地勘報(bào)告提供的設(shè)計(jì)參數(shù)估算的單樁承載力是776.8 kN。報(bào)告中估算的單樁承載力已是按規(guī)范取最大值估算的單樁承載力的1.20倍。

取3根樁做靜載荷試驗(yàn),測得的單樁豎向抗壓承載力特征值均大于1 000 kN。顯然，靜載試驗(yàn)測得的單樁承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按規(guī)范取最大值估算的單樁承載力。地勘報(bào)告雖對(duì)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整,主要提高了樁側(cè)摩阻力參數(shù),但現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)成果仍然是設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整后估算結(jié)果的1.28倍。

從上述計(jì)算和分析可得：按省標(biāo)、勘察數(shù)據(jù)和靜載荷試驗(yàn)結(jié)果有差異,尤其是按照規(guī)范計(jì)算和靜載荷試驗(yàn)的差距。

這就要從規(guī)范來說。08 規(guī)范采用對(duì)樁端開口部分進(jìn)行折減,而樁側(cè)部分和其他實(shí)心樁一樣處理方式,雖然計(jì)算過程比較簡單,容易理解,但是,實(shí)踐證明,擠土量差異對(duì)側(cè)阻的影響不可忽略,適當(dāng)?shù)膫?cè)阻折減是必要的。而樁端由于土體進(jìn)入樁體內(nèi)部,形成管內(nèi)阻力,這個(gè)阻力隨著土質(zhì)等因素而不同,單純對(duì)樁端開口端進(jìn)行折減是不合適的。

首先分析開口管樁的受力機(jī)理,對(duì)于管樁而言,當(dāng)在對(duì)樁施加荷載(不論是靜壓還是打入樁),樁體受力后首先作用在樁的上部,當(dāng)樁受力向下移動(dòng)時(shí)，樁周土側(cè)阻力阻礙樁體向下移動(dòng),上部的摩阻力調(diào)動(dòng)起來,隨著豎向荷載增加,樁向下的位移增大,樁身下部的摩阻力隨之調(diào)動(dòng)起來。樁底土層因受到壓縮而產(chǎn)生樁端阻力。此時(shí),樁端土受擠壓后,其中有一部分土被擠入樁管內(nèi)形成“土塞”,另一部分土被擠向樁周圍。擠出管外的土參與樁側(cè)摩阻力,進(jìn)入管內(nèi)的那部分土受到管內(nèi)壁摩阻力作用產(chǎn)生一定的壓縮,被壓縮的這段“土芯”的高度與性狀(即閉塞效果)與樁的入土深度、土層及持力層性質(zhì)、管樁的管徑與壁厚等諸多因素有關(guān)。而樁端土的閉塞程度又直接影響持力層樁端阻力的發(fā)揮與樁端持力層破壞模式及樁的承載力,上述作用為“閉塞效應(yīng)”。因此對(duì)于開口的管樁,其承載機(jī)理和承載力計(jì)算要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比閉口樁復(fù)雜。

首先分析樁側(cè)阻力的大小,在考慮兩種極端情況下,比如實(shí)心預(yù)制樁和鉆孔灌注樁的樁側(cè)取值情況下，在分析砂性土樁側(cè)阻力計(jì)算的有效應(yīng)力法中,鉆孔樁的β值一般取預(yù)制樁的30%,由此可見,擠土效應(yīng)不可忽略。而擠土效應(yīng)與樁端土進(jìn)入管內(nèi)的多少有關(guān)系,即土塞率PLR(=H/L),進(jìn)入管內(nèi)的土越多,擠土效應(yīng)越小。研究表明,黏性土的土塞率要大,砂性土土塞率小。因此,從這個(gè)角度來講,對(duì)于樁側(cè)阻力不能按照實(shí)心預(yù)制樁的樁側(cè)阻力進(jìn)行計(jì)算,而是要考慮擠土效果進(jìn)行折減。規(guī)范中對(duì)于開口管樁的開口端部分承載力采用λp進(jìn)行折減,λp是樁端進(jìn)入持力層深度與樁徑之比,而沒體現(xiàn)土柱進(jìn)入樁體的高度,用一維理論對(duì)管內(nèi)灌入土高度的受力分析,得到樁端開孔部位樁端阻力特征值計(jì)算公式,公式如下：

(5)

通過該文獻(xiàn)推薦經(jīng)驗(yàn)公式,可以確定樁的承載力為：

Qu=λs∑qsiAsi+qpA0+qplugAsiplug

(6)

應(yīng)用上述公式對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算,公式中,λs為開孔管樁擠土效應(yīng)系數(shù),利用公式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

qplug為土塞的單位承載力,利用公式：

(8)

對(duì)于本文中的工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算中λs為0.943 6,土塞率PLR為0.188, 管內(nèi)壁的有效應(yīng)力法β值為0.548 2,土進(jìn)入管中高度H為2.068 m。由此可得qplug=4 023 kPa。

代入公式中可得

通過計(jì)算可知通過考慮土體進(jìn)入管樁高度而得到的值基本上和靜載荷試驗(yàn)值相吻合,計(jì)算得到的值略高的原因是在取每層土的特征值時(shí)取最大值的結(jié)果,如果在取值中取適當(dāng)?shù)闹档脑捑筒淮嬖诟哂陟o載荷值的結(jié)果。

5 結(jié) 語

對(duì)于紹興濱海，包括上虞區(qū)城北,杭州的濱江、下沙、蕭山等地,上部20 m以內(nèi)的地層以粉土粉砂為主,對(duì)采用12～13 m的短樁基礎(chǔ)工程來說,由以上研究可得出如下結(jié)論：

1)樁基參數(shù)的取值可以根據(jù)工程地質(zhì)條件采取相應(yīng)的值,通過本工程載荷試驗(yàn)分析,不論是粉土層還是粉砂層,樁基設(shè)計(jì)參數(shù)可取省標(biāo)規(guī)范中取值范圍中的最大值。

2)對(duì)②-3層,樁基設(shè)計(jì)參數(shù)均宜按粉砂層取值,在省標(biāo)規(guī)范給定的參數(shù)范圍內(nèi)取其最大值,就基本與實(shí)際測樁成果差不多,但仍有10%的提高余地。

3)針對(duì)濱海地層,②-3層的土性是最關(guān)鍵因素,粉土和粉砂的取值對(duì)單樁承載力估算的大小有較大的影響。因此對(duì)土的取樣、分析和定名提出了嚴(yán)格要求。