昆明古滇池湖積層與沖積層工程樁荷載傳遞特性研究

陳云濤，蔡瑞剛

(1.昆明鋼鐵控股有限公司，云南 昆明 650051；2.建研地基基礎工程有限責任公司，北京 100071)

0 引言

昆明城區所處的原始地貌基本屬于古滇池湖積盆地，一般地基土淺表層局部為第四系全新世人工活動層不等厚的素填土，淺部為第四系全新統坡洪積形成的黏性土及砂類土，中部為第四系全新統湖積形成的礫石土(粉砂、圓礫)，下部為第四系坡殘積形成的黏性土，下伏基巖為上寒武統陡坡寺組泥質粉砂巖及龍王廟組白云巖等[1]。軟硬土層交替出現，其持力層及下臥層有較好的承載潛能及抗變形能力，可以滿足小高層建筑地基強度及變形要求，但由于圓礫層中無規律地分布有厚薄不均的軟弱黏土夾層，使地基均勻性受到了影響，且可能會導致不均勻沉降。因此本地區的高層建筑，為了規避風險，大多采用樁基礎型式[2-11]。

鉆孔灌注樁的荷載傳遞形狀、側摩阻力和端阻力的發揮特性不僅受到上部結構特性和水文地質條件的影響，還因區域地質條件的差異和復雜的土體力學性質而表現出不同形狀，因此研究工程樁受力后其荷載在第四系古滇池湖積層中傳遞性狀，有助于深入了解該地區土層與工程樁相互作用關系，為該地區建筑基礎設計提供科學依據[12-17]。以昆明市某標志性超高層建筑為例，通過采用靜載加壓和樁身應力測試方法[18-20]，以獲取樁端承載力及樁側摩阻力，進行分析研究。

1 項目概況

1.1 工程簡述

項目位于昆明市南市區。場地高程介于1888.63～1891.21 m之間，建筑物高度為218 m，地上50層，地下3層，建筑面積約17萬 m2，基樁采用鉆孔灌注樁。試驗樁根據建筑物所在位置，選擇具代表性的主樓樁3顆(SZ1、SZ2、SZ1-3)，裙樓3顆(SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3)進行試驗，具體見圖1。主樓3顆樁樁長均為62.5 m，持力層為第⑧層黏土，樁徑800 mm，設計單樁抗壓豎向承載力特征值6800 kN；裙樓及地下車庫樁長42.4 m，持力層為第⑥2層粉土層，樁徑800 mm，設計單樁抗壓豎向承載力特征值4550 kN。

圖1 試驗樁平面布置示意圖

1.2 工程地質條件

場地原始地貌位于古滇池湖積盆地中部，由上至下出露地層見表1。

表1 古滇池湖積盆地中部出露地層Table 1 The outcrop strata at the central part of ancient Dianchi Lake in the lacustrine basin

1.3 土的物理力學指標及樁基參數

土的物理力學指標及樁基參數見表2。

表2 土層物理力學指標及樁基參數Table 2 Physical and mechanical indexes of soil layer and pile foundation parameters

2 研究方法

工程采用靜載加壓+樁身應力測試方法，以獲取樁端承載力和樁側摩阻力。

2.1 靜載加壓采用單樁豎向抗壓靜載試驗(慢速維持荷載法)

1)逐級加載，每一級加載達到相對穩定后加下一級荷載，達到最大加載量后分級卸載到零。每級加載為最大加載量的10%，第一次加載可為最大加載量的20%。

2)沉降觀測，每1h內的樁頂沉降量不超過0.1 mm，并連續出現2次認為達到穩定可加下一級荷載。

3)終止加載，當達到設計要求荷載或者某級樁頂沉降量大于前一級沉量的5倍以上時，可終止加載。

2.2 樁身應力測試

進行豎向抗壓靜載試驗時必須同步測試樁體應力分布。根據每棵試樁所處的不同地層層位和樁長對應埋設豎向應力元件，本次采用的應力元件為振弦式(頻率)鋼筋應力計。SZ1埋設11層，SZ2埋設9層，SZ1-3埋設11層，SZ2-1埋設9層，SZ2-2埋設10層，SZ2-3埋設10層。樁頭、設計樁頂、樁底每層設4個元件，其他層面每層3個。各試樁元件埋設數量、布設位置及地質剖面圖見圖2。

圖2 SZ1、SZ2、SZ1-3、SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3元件埋設位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of embedding position of SZ1，SZ2，SZ1-3，SZ2-1，SZ2-2，SZ2-3 components

2.3 承載力值

根據項目設計單位對本次試樁特征值及試樁終值的要求，即主樓SZ1、SZ2、SZ1-3的試驗承載力特征值為6800 kN，終值為13600 kN；裙樓SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3的特征值為4550 kN；試驗終值為9100 kN。試驗按設計要求加載到終止，未做到破壞。

3 觀測結果及成果分析

3.1 軸向壓力分布及變化特征

1)軸向應力計算公式：

Pij=Aηfij

式中：A為樁體平均橫截面積，Pij、fij分別為第i截面在第j級荷載下的軸向壓力及頻率，η為參數。

2)試樁軸向壓力及樁端阻力試驗數據見表3～表9。

表3 SZ1軸向壓力數據

表4 SZ2軸向壓力數據Table 4 Axial pressure data of SZ2 component

表5 SZ1-3軸向壓力數據Table 5 Axial pressure data of SZ1-3 component

表6 SZ2-1軸向壓力數據Table 6 Axial pressure data of SZ2-1 component

表7 SZ2-2軸向壓力數據Table 7 Axial pressure data of SZ2-2 component

表8 SZ2-3軸向壓力數據Table 8 Axial pressure data of SZ2-3 component

表9 樁端阻力測試結果Table 9 Test result of resistance at pile end

3)試驗結果表明，樁頂區域的軸向壓力最大，約為樁頂壓力的63%以上；樁底軸向壓力最小，約為樁頂壓力的1%，見圖3。各層在不同樁頂荷載下，軸向壓力沿深度方向的分布及變化特征見圖4。

圖3 樁頂壓力與樁端阻力比例關系特征Fig.3 The curve diagram of proportional relationship between pile top pressure and pile end resistance

圖4 SZ1、SZ2、SZ1-3在不同樁頂壓力下軸向壓力沿深度方向分布及變化特征Fig.4 Distribution and variation curve of axial pressure along depth of SZ1，SZ2，SZ1-3 components under different pile top pressures

3.2 樁周側摩阻力分布及變化特征

1)樁周側摩阻力計算公式：

τij=(Pij+Pi+1，j)/ΔSj

式中：ΔSj為樁體i截面至j截面的樁周側面積，Pij、Pi+1，j分別為第i和i+1截面在第j級荷載下的軸向壓力。

2)側摩阻力試驗數據見表10～表15。

表10 SZ1側摩阻力數據Table 10 Side friction resistance data of SZ1 component

表11 SZ2側摩阻力數據Table 11 Side friction resistance data of SZ2 component

表12 SZ1-3側摩阻力數據Table 12 Side friction resistance data of SZ1-3 component

表13 SZ2-1側摩阻力數據Table 13 Side friction resistance data of SZ2-1 component

表14 SZ2-2側摩阻力數據Table 14 Side friction resistance data of SZ2-2 component

表15 SZ2-3側摩阻力數據Table 15 Side friction resistance data of SZ2-3 component

3)試驗結果分析。試樁各段在不同樁頂壓力下樁周側摩阻力沿深度方向分布及變化特征見圖5。

圖5 SZ1、SZ2、SZ1-3、SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3不同樁頂壓力下樁周側摩阻力沿深度方向分布及變化特征Fig.5 Distribution and variation curve of the lateral friction resistance along the depth direction of the pile under different pile top pressures for SZ1，SZ2，SZ1-3，SZ2-1，SZ2-2，SZ2-3 components

3.3 工程樁樁周摩阻力分析

根據圖5分析得出如下結論：

1)對于主樓樁而言，樁身上部(樁埋深在0～20m范圍，大致屬A-B-C段)所處地層為①層人工填土、②層黏土、③層淤泥質黏土、④1黏土、④圓礫。在各級樁頂壓力下，該區段各地層摩阻力得到充分發揮。主樓樁在13600 kN最大樁頂壓力下，A-B-C段側摩阻力平均值為120 kPa；對于裙樓而言，樁身上部(樁埋深在0～12m范圍，大致屬A-B-C段)所處地層為①層人工填土、②層黏土、③層淤泥質黏土、④1黏土。在各級樁頂壓力下該區段各地層摩阻力得到充分發揮。主樓樁在9100 kN最大樁頂壓力下，A-B-C段側摩阻力平均值為45 kPa；無論是主樓樁還是裙樓樁，樁身上部形成較大摩阻力一定程度上還反映了該區段土體較大的塑性變形。

2)對于主樓樁而言，樁身中部(樁埋深在20～40 m范圍，大致屬C-D-E-F段)所處地層為⑤黏土、⑥2層粉土、⑥圓礫、⑥2粉土。在各級樁頂壓力下，該區段各地層摩阻力得到發揮一般。主樓樁在13600 kN最大樁頂壓力下，C-D-E-F段側摩阻力平均值為52 kPa；對于裙樓而言，樁身中部(樁埋深在12～26m范圍，大致屬C-D-E-F-G段)所處地層為④圓礫、⑤黏土、⑥2層粉土、⑥圓礫、⑥2粉土。在各級樁頂壓力下，該區段各地層摩阻力發揮一般。裙樓樁在9100 kN最大樁頂壓力下，C-D-E-F-G段側摩阻力平均值為48 kPa。

3)對于主樓樁而言，樁身下部(樁埋深在40～60 m范圍，大致屬F-G-H-I-J-K段)所處地層大約為⑥2粉土、⑦1圓礫、⑦層黏土、⑦2層粉土、⑧層黏土。在各級樁頂壓力下，該區段各地層摩阻力得到發揮一般。主樓樁在13600 kN最大樁頂壓力下，G-H-I-J-K段側摩阻力平均值為43 kPa；對于裙樓而言，樁身下部(樁埋深在26～40 m范圍，大致屬G-H-I-J段)所處地層為⑥2層粉土、⑥圓礫、⑥2粉土、⑥3粉砂。在各級樁頂壓力下，該區段各地層摩阻力發揮較好。裙樓樁在9100 kN最大樁頂壓力下，C-D-E-F-G段側摩阻力平均值為70 kPa。

3.4 樁端承載力分析

樁端阻力隨著樁頂壓力的增加而緩慢增長，在試驗全過程中，樁端阻力始終維持在樁頂壓力的1%±，就發揮承載力作用而言，樁周側摩阻力起到主要作用，充分體現出摩擦樁的荷載傳遞形狀。由于試樁要作為工程樁使用，未做到極限荷載值，按照設計測算做到13600 kN、9100 kN終止，試驗并未測試出樁的極限承載力值，樁端阻力發揮可能遠遠沒有完成。

4 結論

1)單樁軸向壓力在樁頂呈現最大，一般為頂壓力的60%～80%，隨著深度增加，軸向壓力近似直線下降，到達樁底時軸向壓力最小，最小值接近樁頂壓力的1%。同一深度條件下，單樁軸向壓力隨樁頂壓力的增加而增加，增加的幅度隨深度的加大而減小，同一樁頂壓力條件下，軸向壓力隨深度的增加而減小，衰減的速度隨樁頂壓力和深度的增加有加快的趨勢。

2)兩種樁長的單樁豎向靜載試驗表現出摩擦樁的明顯特征，樁周側摩阻力的分布總體上反映了地基的力學性能，物理力學指標高的(巖)土層側摩阻力特征值較大。同時也體現出地基土側摩阻力發揮過程的特點，沿樁身隨著深度增加，一定埋深、一定層位的土層側摩阻力發揮較好，表現為近樁頂的土層摩阻力發揮充分，近樁底的土層隨著極限荷載的臨近可逐步有一定發揮，但樁身中部的土層一般很難提供出該類土層具有的極限側摩阻力。因此，在昆明地區古滇池湖積層、沖積層中，樁周側摩阻力的分布不但總體上反映地基土的力學性能，即物理力學指標高的土層側摩阻力特征值較大，而且揭示了各地層由于埋深及與相鄰地基土層的力學性能的差異導致了在不同樁頂壓力下，各土層側摩阻力發揮狀況各不相同，即使考慮地基土物理力學性能差異及試驗的最大荷載，埋深靠近樁頂的土層容易完全發揮。