淺議液化土地區灌注樁的單樁極限承載力標準值

趙躍亭，李耀杰，張吉寧

（山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

目前高層、超高層建筑的基礎常常采用樁基礎形式，確定樁基礎的單樁極限承載力標準值是基礎設計的主要問題之一。由于樁基礎的設計屬于巖土工程和結構工程的交叉學科內容，不少初學者對確定樁基礎單樁極限承載力標準值的影響因素了解得不夠全面，在確定樁基礎設計時可能過高地估計了單樁極限承載力標準值，使工程的后期使用存在一定的安全隱患。目前在勘察報告中同行通用的做法是根據場地地層情況和設計單位提供的上部荷載參照 JGJ 94－2008《建筑樁基技術規范》［1］（以下簡稱“JGJ 94－2008”）提供的參數進行單樁極限承載力標準值預估。由于后注漿技術對樁周和樁端阻力的提高較大，導致決定單樁極限承載力標準值的因素可能由土層的側阻、端阻向樁身強度轉變，加之液化土層的液化效應會加速這種轉變，進而影響后注漿效果的發揮。對液化土地區確定單樁極限承載力標準值需要全面考慮樁周、樁端土層阻力、樁身強度、液化土層對側阻及端阻的影響，液化土層對樁身強度的影響等各種因素。

本文根據太原某工地試樁結果，結合場地的詳細巖土工程勘察報告，按現行規范 JGJ 94－2008 提供的設計參數進行一些探討，對今后液化土地區確定灌注樁單樁極限承載力標準值有一定的參考價值。

1 工程概況

山西太原某工地擬建超高層公寓，基礎埋深11.9 m，樁徑 800 mm，主筋 16Φ14，保護層厚度 50 mm，樁長 51.5 m，采用灌注樁+后注漿，成孔工藝為旋挖成孔，根據場地詳細巖土工程勘察報告及設計要求和JGJ 94－2008，場地地下水位埋深-7.0 m，第 ③、④ 層為液化土層，擬建場地的巖土設計參數值如表 1 所示。

2 試樁極限承載力標準值設計

依據設計單位提供的基底壓力估算的單樁承載力標準值，根據場地巖土工程勘察報告提供的巖土層設計參數建議值表和設計擬采用的樁身混凝土強度，結合現場載荷試驗共同確定單樁試樁的極限承載力標準值。

2.1 采用巖土參數計算試樁極限承載力標準值

由于試樁時樁周土層不液化，應采用注漿效果不考慮土層液化影響的單樁極限承載力標準值計算公式進行計算，考慮注漿效果的不確定性，根據 JGJ 94－2008 第 5.3.10 條，計算公式如式（1）所示，注漿增強系數取低值、均值、高值的單樁極限承載力標準值如表 2 所示。

表2 不同注漿系數下的試樁極限承載力標準值

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值，kN；u 為樁身周長，m；qsik、qpk分別為后注漿豎向增強段第 i 土層初始極限側阻力標準值、初始極限端阻力標準值，kPa；βsi、βp分別為后注漿側阻力、端阻力增強系數；Ap為樁端面積；lj為樁周第 j 層的厚度，m；lgi為樁周第 i 層土的厚度，m。

2.2 采用樁身強度反算試樁極限承載力標準值

按照設計要求，試樁采用的混凝土強度等級為 C60，根據 JGJ 94－2008 第 5.8.2～5.8.3 條及其條文說明，計算公式如式（2）～（3）所示。

成樁工藝系數φc分別取 0.7、0.8，反算得到的單樁極限承載力標準值如表 3 所示。

表3 樁身強度反算的單樁極限承載力標準值

式中：Rp為樁身受壓承載力設計值，kN；φc為成樁工藝系數；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm2；f ′y為主筋受壓強度設計值，N/mm2；A′s為主筋截面面積，mm2；Aps為樁身截面面積，mm2。

表1 巖土層設計參數建議值

2.3 采用載荷試驗確定試樁極限承載力標準值

試樁完成后，休止期達到檢測條件時，依據JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規范》［2］4.3～4.4節進行單樁豎向抗壓靜載試驗，加載方法采用慢速維持荷載法，典型樁部分試驗結果如圖 1 所示。

圖1 典型試樁 p-s 曲線圖

根據曲線圖 1 可以得到試樁單樁極限承載力標準值可取 16 000 kN、單樁極限承載力特征值可取 8 000 kN。

由上述計算分析可知：由巖土參數設計的試樁極限承載力標準值比樁身強度反算和現場載荷試驗的試樁極限承載力標準值略低，滿足一定的安全裕度，本工程試樁極限承載力標準值取 16 000 kN、特征值可取 8 000 kN；本工程勘察報告提供的巖土層設計參數較合理，采用的后注漿工藝效果良好，現場施工管理水平較高，故可采用勘察報告提供的巖土層設計參數進行工程樁的設計。

3 工程樁極限承載力標準值設計

3.1 僅考慮液化影響計算工程樁極限承載力標準值

工程樁在工程使用年限內，樁周土層可能液化，承載力計算時應考慮液化土的影響，根據 JGJ 94－2008第 5.3.5 條，計算公式如式（4）所示。

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值，kN；u 為樁身周長，m；qsik、qpk分別為第 i 土層極限側阻力標準值、極限端阻力標準值，kPa；Ap為樁端面積，m2；lj為樁周第 j 層土的厚度，m。

結合5.3.12條，由于基礎位于液化土層中，土層液化影響折減系數中 φl取 0，可得 Quk=6 548 kN。

3.2 同時考慮液化和注漿影響計算工程樁極限承載力標準值

由于液化土層的液化效應導致單樁極限承載力標準值較低，為進一步提高單樁的極限承載力標準值，液化土地區一般建議采用后注漿工藝的樁基礎。根據 JGJ 94－2008 第 5.3.10 條計算公式如式（5）所示。

式中各參數取值同式（1）。

結合 5.3.12 條，由于基礎位于液化土層中，土層液化影響折減系數 φl取 0。注漿增強系數取低值、均值、高值，分別計算得單樁極限承載力標準值，如表 4 所示。

表4 不同注漿系數下的試樁極限承載力標準值 kN

3.3 采用樁身強度反算工程樁極限承載力標準值

3.3.1 樁身混凝土強度等級的確定

根據 GB 50007－2011《建筑地基基礎設計規范》［3］8.5.3 條及 JGJ 94－2008 第 4.1.2條，設計使用年限不少于 50 年時，灌注樁的混凝土強度等級不應低于 C25；二 b 類環境及三類及四類、五類微腐蝕環境中不應低于 C30；水下灌注混凝土的樁身混凝土強度等級不宜高于 C40。結合當前實際情況，設計采用的樁身混凝土強度等級一般不超過 C50。本文分別按樁身混凝土強度等級 C30、C40、C50 反算單樁極限承載力標準值。

3.3.2 不考慮液化土對樁身強度影響的工程樁極限承載力標準值的確定

根據 JGJ 94－2008 第 5.8.2～5.8.3 條及其條文說明，當不考慮樁身配筋僅考慮成樁工藝系數φc時，按φc分別取 0.7、0.8，樁身混凝土強度等級 C30、C40、C50 反算的單樁極限承載力標準值如表 5 所示。

表5 單樁極限承載力標準值表 kN

3.3.3 考慮液化土對樁身強度影響的工程樁極限承載力標準值的確定

1）地基土水平抗力系數的比例系數 m 的確定

根據 JGJ 94－2008 5.7.5條及 C.0.2 條，由于基樁側面主要影響深度范圍內的土層為④細砂，稍密狀態，不考慮液化時 m 取 14～35 MN/m4；考慮液化時，應乘以 JGJ 94－2008 表 5 中的數值中相應的系數。

根據 GB 50011－2010《建筑抗震設計規范》［4］4.3.4 條、4.4.3 條，Ncr及 λN計算公式如式（6）～（7）所示。

可得：Ncr=18.8，λN=0.72。

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，取 12；N為標準貫入錘擊數實測值；λN為實測值/臨界值；ds為飽和土標準貫入點深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分比，取 3；β為調整系數，取 0.95。

根據 JGJ 94－2008 表 6：0.6≤λN≤0.8，得φl=2/3，則 m 取 9.3～23.3 MN/m4。

2）樁的水平變形系數 α 的確定

根據 JGJ 94－2008 第 5.7.5 條，計算公式如式（8）～（9）所示。

式中：m 為樁側水平抗力系數的比例系數；d 為樁身直徑，m；EI 為樁身抗彎剛度，N/mm2；b0為樁身的計算寬度，m。

樁身混凝土強度等級為 C30、C40、C50 時樁的水平變形系數 α 如表 6 所示。

表6 不同樁身強度等級下樁的水平變形系數 α

3）樁身穩定系數φ及工程樁極限承載力標準值的確定

根據 JGJ 94－2008 第 5.8.4 條，樁周土層的液化深度 dl=8.9 m，φl=2/3，計算公式如式（10）～（11）所示。

式中：l′0為樁露出地面的長度，m；lc為樁身壓曲計算長度，m；

結合表 6，可得：樁頂鉸接時，樁身穩定系數φ的計算如表 7 所示。

表7 不同樁身強度等級下的φ

根據 JGJ 94－2008 第 5.8.4 條：對樁身穿越可液化土的基樁，應考慮壓曲影響，可按文中式（2）～（3）計算所得樁身正截面受壓承載力乘以φ（穩定系數）折減，折減后的單樁極限承載力標準值如表 8 所示。

表8 考慮穩定系數的單樁極限承載力標準值 kN

若基礎埋深調整為-7.0m，φl=1/3，其他條件不變的情況下，則樁周土層的液化深度為 dl=13.0 m，l′0=8.67 m，樁頂鉸接的情況下，樁身的穩定系數及單樁極限承載力標準值如表 9 所示。

表9 調整基礎埋深后的單樁極限承載力標準值 kN

由以上計算分析可知，未考慮后注漿工藝的單樁極限承載力標準值最低；當考慮后注漿工藝后，由樁周、樁端巖土層確定的單樁極限承載力標準值介于由樁身強度反算的單樁極限承載力之間。單樁極限承載力標準值由樁身混凝土強度等級與采用了后注漿工藝的巖土層參數共同確定。

4 結論

本文通過現場載荷試驗復核了場地巖土工程勘察報告提供巖土參數的合理性，根據 JGJ 94－2008 的相關條文對液化土地區樁基礎在各種影響因素的單樁極限承載力標準值進行了計算對比分析。對太原液化土地區確定單樁極限承載力的確定有一定的指導意義和參考價值，得到以下結論：

1）對于未采用后注漿工藝的樁基礎，其單樁極限承載力標準值由樁周、樁端巖土層設計參數決定，樁身設計強度等級不起控制作用。

2）對于采用了后注漿工藝的灌注樁，其單樁極限承載力標準值的控制因素存在由樁身強度設計值到巖土設計參數的轉變，當樁身混凝土強度等級≤C40時，單樁的極限承載力標準值由樁身混凝土強度等級確定，后注漿效果不能充分發揮。當樁身混凝土強度等級＞C40 時，當不考慮液化效應對樁身強度的影響時，單樁的極限承載力標準值由采用了后注漿工藝的巖土層參數確定，當場地的液化程度嚴重且樁周穿越液化土層較大時，單樁極限承載力標準值設計值的控制因素完全可能由樁身強度設計值控制。

因此，樁基礎設計人員在確定單樁極限承載力標準值時一定要綜合考慮樁身強度設計值與巖土層設計參數的影響，避免給工程的使用留下安全隱患。Q