某高層建筑灌注樁優化設計

劉少武

（廣州市城市規劃勘測設計研究院 廣州510060）

1 工程概況

某高層建筑項目場地位于粵東沿海地區，東面臨近河流，屬第四系沖積相和海陸交互相沉積地貌?？傆玫孛娣e為45 492 m2，總建筑面積為27 萬m2，建筑設計為14 棟28～31 層的高層住宅樓，地下室2 層。項目于2013 年進行施工圖設計。地質報告揭示的場地土層分布情況及承載力如表1所示。

2 基礎選型

2.1 場地地質特點

場地地質有以下特點：⑴地質條件較為復雜，砂層與粘性土互層，層厚變化大；⑵土層中部有較為穩定的⑥粗砂層及⑦礫砂層，其下方普遍存在較厚的軟弱下臥層；⑶花崗巖全風化及強風化層厚度變化大，中風化巖埋置深。

本工程屬高層建筑，對地基的承載力和變形要求較高，因此適合采用樁基礎。

2.2 樁基礎選型

若考慮作為預應力管樁的樁端持力層，存在以下問題：⑴常用的預應力管樁難以穿越⑥粗砂層及⑦礫砂層，雖然樁端承載力比較高（qpa=4 000 kPa），但是這時樁的有效樁長只有11～16 m 左右，預應力管樁直徑φ500 mm，單樁承載力特征值計算值為1 200 kN。無法滿足本項目高層住宅的荷載要求；⑵粗砂層及礫砂層厚度變化幅度大，其中粗砂層厚度約為1.10～8.00 m，礫砂層厚度約為0.90～11.50 m。同時由于場地砂層與粘性土互相交錯，部分地段礫砂層厚度不大，樁端持力層厚度可能會不足，樁基礎也可能會穿越該層進入軟弱下臥層⑧砂質粘性土，對樁的承載力及沉降產生一定的影響，可能會造成群樁的不均勻沉降。

若采用鉆孔灌注樁，樁端則可穿越較厚的砂層，進入承載力較高且壓縮性較低的強風化巖層（qpa=1 000 kPa）。灌注樁直徑1 200 mm，樁端入強風化巖10 m，有效樁長約36～40 m。按表1 提供的側摩阻力、端阻力特征值，計算得出單樁豎向承載力特征值為7 500 kN（其中總端阻力特征值為1 130 kN，總側阻力為6 370 kN，總側阻力占樁總承載力的85%）。

最終選定采用鉆孔灌注樁進行施工圖設計。

3 試驗樁承載力驗證與分析

工程樁正式施工前，先施工2根試驗樁，分別采用基樁自平衡靜載試驗、單樁豎向抗壓靜載試驗2 種方法進行承載力檢測。

3.1 基樁自平衡靜載試驗

表1 土層分布情況及承載力建議值一覽Tab.1 List of Soil Layer Distribution and Recommended Values of Bearing Capacity

3.1.1 試驗原理［1，2］

基樁自平衡靜載試驗在受力特點上比較接近樁的實際工作條件。試驗的加載設備為荷載箱，荷載箱與鋼筋籠連接后安裝在樁身的中下部，同時將高壓油管和位移測量裝置一起引到地面。試驗過程中，從樁頂高壓油管對荷載箱內部施加壓力，隨著箱頂與箱底被推開，就產生了向上與向下的推力，隨之調動了樁周土的側阻力與端阻力的發揮，直到設計要求的最大試驗荷載，或者達到破壞。單樁抗壓極限承載力由樁側土摩阻力與樁端土阻力相加得到。根據巖土勘察資料及巖土參數進行計算，確定荷載箱埋設位置。計算的原則為荷載箱位置處的上、下段樁的承載力相等。試驗樁的樁身平衡點計算情況如表2所示。

3.1.2 試驗過程

1#試驗樁第二級（對應荷載箱荷載1 500 kN）、第三級（對應荷載箱荷載2 250 kN）加載過程中油壓能穩住，上部樁位移和樁頂位移均很小且均能達到相對穩定標準。加載第四級（對應荷載箱荷載3 000 kN）加載過程中油壓能穩住，上部樁位移和樁頂位移均開始逐漸變大均但能達到相對穩定標準，此兩級荷載的累計位移量分別是7.83 mm、7.52 mm。但在進行第五級（對應荷載箱荷載3 750 kN）加載過程中，上部的樁位移和樁頂的位移都在瞬間變大，荷載不能穩定，在停止補壓情況下的荷載只能維持在3 100 kN 左右，上部的樁位移、樁頂位移及下部樁位移累計值分別達到22.61 mm、22.67 mm、13.06 mm。樁上部及樁下部荷載位移曲線如圖1所示。

為防止試驗樁發生整體滑移破壞，停止加載轉為卸載，荷載箱上部樁的實測極限值取3 000 kN。

3.1.3 單樁豎向抗壓承載力特征值的確定

根據《基樁靜載試驗自平衡法：JT/T 738-2009》的規定，單樁豎向抗壓極限承載力為：

表2 1#試驗樁平衡點的計算Tab.2 Calculation of Balance Point of Test Pile 1

式中：Qu為單樁豎向抗壓極限承載力；Qu上為荷載箱上部樁的實測極限值；Qu下為荷載箱下部樁的實測極限值；W為荷載箱上部樁自重；γ為荷載箱上部樁側阻力修正系數，取加權平均值。

圖1 上部樁U-δ曲線和下部樁Q-s曲線Fig.1 U-δ Curve of Upper Pile and Q-s Curve of Lower Pile

根據1#樁試驗位移數據可知，Qu上=3 000 kN，Qu下≥3000kN，W=834kN，γ=0.794，則Qu=5 727.14 kN。對應的單樁豎向抗壓承載力特征值為Qa=Qu/2=2 863.50 kN。

3.2 單樁豎向抗壓靜載試驗

2#試驗樁抗壓靜載試驗結果如下：樁徑φ1 200，樁長39.0 m，單樁承載力特征值為7 500 kN，終止荷載為15 000 kN，單樁極限承載力為11 000 kN，最大沉降量為129.76 mm，殘余沉降量為117.42 mm，承載力特征值對應沉降量為20.56 mm。單樁豎向抗壓承載力特征值取11 000/2=5 500 kN。

3.3 試驗結果分析

基樁自平衡靜載試驗中，平衡點以上樁的側摩阻力極限值為3 000 kN，推算得出樁側摩阻力特征值約為14 kPa。按地質報告中提供的參數，平衡點以上樁的側摩阻力特征值的加權平均值為38 kPa。樁側摩阻力特征值按試驗結果推算僅達到按地質報告參數計算的37%。

單樁豎向抗壓靜載試驗得出單樁承載力特征值為5 500 kN，端阻力按地質報告提供的1 130 kN，推算出樁的總側摩阻力特征值約為4 370 kN。按地質報告參數計算，原設計樁總側摩阻力特征值6 370 kN。樁側摩阻力按試驗結果推算僅為按地質報告參數計算的69%。

上述樁承載力試驗，均達不到原設計的單樁承載力要求。原因是場地中粗砂層、礫砂層及花崗巖殘積土厚度比較大，普遍達到30 m 左右，泥漿護壁成孔灌注樁在這些土層范圍內，樁土之間形成比較厚的軟塑狀泥皮。這些泥皮的存在，大大削弱了灌注樁的側摩阻力。巖土工程勘察報告提供的場地巖土層側摩阻力，實際上無法達到。從試驗結果還可以看到，土層側摩阻力上部土層比下部土層削弱的程度更大。

4 后注漿灌注樁設計

4.1 后注漿灌注樁的作用原理

近年來，后注漿鉆孔灌注樁在建筑工程和交通工程中應用比較廣泛［3-8］。為達到原設計的單樁承載力特征值，在不增加樁長及樁徑的情況下，對鉆孔灌注樁考慮增加樁端后注漿的施工工藝進行改進。在灌注樁的樁身預埋注漿管，當樁身混凝土達到指定的強度后，采用高壓將水泥漿液通過注漿管注入到樁端或者樁側設定范圍的土層中。水泥漿液通過滲透、劈裂、填充、置換、壓密及固結，對樁端沉渣和樁側泥皮進行一定程度的固化，樁端、樁側設定范圍內土的物理力學性質得到改善，不同程度地提高了樁端阻力和樁側阻力，減少了樁基的沉降。

4.2 后注漿灌注樁的主要設計參數

注漿量及注漿壓力是后注漿灌注樁的主要設計參數。依據《建筑樁基技術規范：JGJ 94-2008》［9］第5.3.10條，樁端阻力增強系數βp按強風化巖取2.0。從樁端以上12 m 范圍內樁側阻力增強系數βsi按全、強風化巖取1.4；樁側其余部分的側阻力按巖土工程勘察報告建議值的0.7 倍取值計算。在單樁豎向承載力特征值保持為7 500 kN，其中總端阻力特征值為2 260 kN，總側阻力為5 240 kN。

后注漿鉆孔灌注樁注漿量按文獻［9］第6.7.4 條計算。樁端注漿量經驗系數αp取1.5～1.8，直徑1 200 mm 的灌注樁注漿量約為2.2 t（以水泥質量計），注漿終壓力≥3 MPa。滿足下列條件之一可終止注漿：①注漿壓力及注漿總量均達到設計要求；②注漿總量不小于設計值的75%，同時注漿壓力不小于設計值。

實際施工中，由于場地砂層比較厚，對樁施工工藝試驗時，滿足注漿終壓力≥3 MPa的水泥用量基本都達到3.4 t以上，約為文獻［9］建議范圍較高值的1.5倍。

按此推算，樁端注漿量經驗系數ap約為2.8。按《建筑地基基礎設計規范：BDJ 15-31-2016》［10］第10.1.8條，注漿量按樁徑的2～3倍估計，則實際注漿量與按文獻［10］建議范圍的較高值比較接近。本工程最終確定直徑1 200 mm的灌注樁注漿量約為3.4 t，注漿終壓力不低于3 MPa。

4.3 后注漿灌注樁的承載力驗證

后注漿灌注樁施工后進行了單樁豎向抗壓靜載試驗，主要結果如表3 所示。單樁豎向承載力特征值均能滿足不低于7 500 kN的設計要求。

表3 后注漿灌注樁單樁抗壓靜載試驗結果Tab.3 Static Load Test Results of Single Post Grouting Pile

5 結語

⑴泥漿護壁成孔灌注樁在花崗巖土層的樁土之間形成比較厚的泥皮，大大降低了灌注樁的側摩阻力。按巖土工程勘察報告提供的場地巖土層側摩阻力，應乘以一定的折減系數采用，對花崗巖及其殘積土層，土層側摩阻力的折減系數取值應不大于0.7。

⑵試驗表明，采用后注漿的灌注樁，樁端阻力和樁側阻力都有不同程度的提高，并且有效減少樁基沉降。

⑶花崗巖及其殘積土層上的后注漿灌注樁，注漿量取值宜適當放大。當按文獻［9］進行設計時，樁端注漿量經驗系數αp可按建議值最高限值的1.5 倍取值。當按文獻［10］進行設計時，可按建議值的最大值取值，即注漿量按樁徑的3倍計算確定。