回填土地基PHC管樁方案設(shè)計(jì)變更案例分析

蔡 雷 周喜武 胡繼成 吳培強(qiáng) 曹善宇

一、前言

在水利工程中，建筑物經(jīng)常布置在回填土上，回填土地基因其沉降變形較大、承載力不高，布置在回填土地基上的建筑物通常需要進(jìn)行地基處理。PHC 管樁因其施工便捷、施工周期短而廣泛應(yīng)用于回填土地基處理中。在工程初步設(shè)計(jì)階段，通常采用規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算樁基承載力；在工程施工階段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)對(duì)樁基承載力進(jìn)行驗(yàn)證，保證樁基的實(shí)際承載能力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

在采用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算樁基承載力時(shí)，樁周土體的極限側(cè)阻力參數(shù)和極限端阻力參數(shù)的取值準(zhǔn)確與否直接影響樁基承載力計(jì)算的準(zhǔn)確性，并最終影響樁基設(shè)計(jì)方案。由于樁側(cè)和樁端極限阻力參數(shù)取值各地差異較大，規(guī)范建議其取值應(yīng)由當(dāng)?shù)仂o載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得出。對(duì)于回填土地基，樁側(cè)和樁端極限阻力參數(shù)的取值可參照的工程實(shí)例較少，較難準(zhǔn)確取值。若樁側(cè)和樁端阻力參數(shù)取值偏小，則設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)將偏大，工程試樁結(jié)果承載力可滿足要求，但安全儲(chǔ)備過(guò)大，造成浪費(fèi)；反之，若樁側(cè)和樁端阻力參數(shù)取值偏大，則設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)將偏小，工程試樁結(jié)果承載力不滿足要求，需重新調(diào)整樁基設(shè)計(jì)方案后再進(jìn)行試樁，不僅增加了試樁數(shù)量和費(fèi)用，而且影響施工工期。本文通過(guò)分析不均勻回填土地基上PHC 管樁方案設(shè)計(jì)變更實(shí)例，給出了回填土地基PHC 管樁樁周土體極限側(cè)阻力參數(shù)和極限端阻力參數(shù)的取值建議，可供同類(lèi)工程設(shè)計(jì)參考。

二、地基處理方案

該工程變電所房屋布置于部分原狀土、部分回填土地基上，房屋采用框架結(jié)構(gòu)，共3 層，建筑面積1510m2，建筑高度17.2m。變電所房屋底板底高程27.5m（廢黃河高程基準(zhǔn)，下同），現(xiàn)狀地面高程19.5～28.0m，高差較大，低洼部分采用粘土回填加高。房屋地基土層分布情況詳見(jiàn)圖1，各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 變電所地基土層物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 變電所地基土層分布及試驗(yàn)樁布置圖

為滿足地基承載力要求，變電所房屋地基采用先張法預(yù)應(yīng)力管樁（PHC）進(jìn)行處理，具體方案為采用多樁承臺(tái)布置，樁基承臺(tái)上布置框架柱，承臺(tái)間設(shè)置連梁。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008），當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下式估算：

式中：qsik—樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

qpk—極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li—樁周第i 層土的厚度；

Ap—樁端面積；

u—樁身周長(zhǎng)。

根據(jù)地基土層分布及上部結(jié)構(gòu)布置情況，采用上述公式進(jìn)行計(jì)算分析，初步確定PHC 管樁樁徑0.5m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16.0m，樁端進(jìn)入第（4-1）粉質(zhì)粘土層。考慮本工程樁身有效長(zhǎng)度部分位于回填土層中，土體固結(jié)可能使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，按規(guī)范估算，單樁豎向承載力特征值為600kN，單樁負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為100kN，試驗(yàn)單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1300kN。

三、樁基豎向靜載荷試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)要點(diǎn)

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011），單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的加載方式，應(yīng)按慢速維持荷載法。加載可采用錨樁或堆載法進(jìn)行。開(kāi)始試驗(yàn)的時(shí)間：預(yù)制樁在砂土中入土7 天后；粘性土不得少于15 天；對(duì)于飽和軟粘土不得少于25 天。灌注樁應(yīng)在樁身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才能進(jìn)行。加載分級(jí)不應(yīng)小于8 級(jí)，每級(jí)加載量宜為預(yù)估極限荷載的1/8～1/10。

單樁豎向極限承載力應(yīng)按下列方法確定：當(dāng)荷載～沉降（Q～S）曲線陡降段明顯時(shí)，取相應(yīng)于陡降段起點(diǎn)的荷載值；Q～S 曲線呈緩變型時(shí)，取樁頂總沉降量S=40mm 所對(duì)應(yīng)的荷載值；對(duì)于細(xì)長(zhǎng)樁（L/D ＞80）和超長(zhǎng)樁（L/D ＞100），一般可取S=80～100mm 對(duì)應(yīng)的荷載值；對(duì)于大直徑鉆孔灌注樁，取S=0.03～0.06D（大直徑取低值，小直徑取高值）所對(duì)應(yīng)的荷載為極限承載力。

（二）試驗(yàn)結(jié)果分析

變電所房屋地基部分為原狀土、部分為回填土，地基土層分布變化較大。原地基處理方案PHC 管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)16m、樁徑0.5m。工程現(xiàn)場(chǎng)共選取了3 根16m 長(zhǎng)的試驗(yàn)樁進(jìn)行單樁豎向靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)樁及地基土層的分布如圖1所示，其中1#樁均位于原狀土中，2#樁約4.0m 長(zhǎng)樁身位于回填土層中，3#樁約7.0m 長(zhǎng)樁身位于回填土層中。因3#樁在未到達(dá)設(shè)計(jì)極限承載力時(shí)樁周土體發(fā)生破壞，所以現(xiàn)場(chǎng)又采用長(zhǎng)度為18m 的樁（4#樁）補(bǔ)充進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果單樁極限承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)校核、匯總后繪制荷載～沉降（Q～S）曲線如圖2所示，單樁豎向靜載荷試驗(yàn)成果表如表2所示。從圖2可知，1#、2#和4#試樁的Q～S 曲線基本呈緩變型，未出現(xiàn)明顯的陡降段，且在荷載加至最大值時(shí)，其最終沉降介于10.09～14.55mm 之間，說(shuō)明最大加載值未達(dá)到單樁極限承載力，根據(jù)上述單樁極限承載力的確定方法，可得出以上3 根試樁的極限承載力均為1300kN。3#試樁的Q～S 曲線出現(xiàn)了明顯的陡降段，取相應(yīng)于陡降段起點(diǎn)的荷載值1170kN 為3#試樁的極限承載力。

圖2 1#～4#試驗(yàn)樁荷載～沉降（Q～S）曲線圖

表2 1#～4#試驗(yàn)樁豎向靜載荷試驗(yàn)成果表

由表2分析本工程4 根試樁的靜載荷試驗(yàn)結(jié)果可知，因樁身穿過(guò)的回填土層厚度不同，試驗(yàn)所得到的極限承載力也不同。對(duì)于長(zhǎng)度為16m 的試樁，1#、2#樁的極限承載力為1300kN，滿足設(shè)計(jì)要求；3#試樁因上半段樁身（約7.0m）位于新填土層中，其極限承載力為1170kN，低于設(shè)計(jì)極限承載力。補(bǔ)充進(jìn)行的4#試樁長(zhǎng)度為18m，極限承載力為1300kN，滿足設(shè)計(jì)要求。且4#試樁累計(jì)沉降量?jī)H為10.09mm，比1#、2#試樁少4.4mm。說(shuō)明樁長(zhǎng)增加2m、樁身進(jìn)入（4-1）粉質(zhì)粘土層長(zhǎng)度增加2m 后，承載力的提高是較明顯的。從表1可知，（4-1）土層為粉質(zhì)粘土，液性指數(shù)0.44、標(biāo)貫數(shù)15，說(shuō)明對(duì)于液性指數(shù)較小、標(biāo)貫數(shù)較大的粘性土，按規(guī)范公式估算樁基極限承載力時(shí)，樁側(cè)及樁端極限摩阻力參數(shù)可取較大值。3#試樁樁身上半段（約7m）位于新填土中，試驗(yàn)得到的極限承載力較1#、2#低，說(shuō)明對(duì)于新填土層，樁側(cè)極限摩阻力參數(shù)取值宜適當(dāng)減小。

四、地基處理設(shè)計(jì)變更分析

本工程變電所房屋地基土層一部分為原狀土、一部分為回填土，原樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中，PHC 管樁樁長(zhǎng)均為16m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單樁豎向靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)進(jìn)行了調(diào)整，即原狀土層中及回填土厚度小于4.0m 的土層中，管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為16.0m；回填土厚度超過(guò)4.0m 的土層中，管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)取為18.0m。經(jīng)靜載荷試驗(yàn)復(fù)核，調(diào)整后的地基處理方案滿足設(shè)計(jì)要求。且工程建成投運(yùn)后，根據(jù)運(yùn)行管理觀測(cè)資料，房屋地基的不均勻沉降很小，進(jìn)一步驗(yàn)證了調(diào)整后地基處理方案的合理性。

因此，對(duì)于布置于部分原狀土、部分回填土地基上的建筑物，當(dāng)采用管樁進(jìn)行地基處理時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮新填土對(duì)樁基承載力的不利影響，極限側(cè)阻力參數(shù)取值宜適當(dāng)減小。以免對(duì)樁基承載力估算過(guò)高、設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)估計(jì)不足，導(dǎo)致工程現(xiàn)場(chǎng)重新試樁并調(diào)整樁基設(shè)計(jì)方案。這樣不但會(huì)增加試樁數(shù)量和費(fèi)用，而且會(huì)造成施工工期的后延。另外，從地基基礎(chǔ)的整體性、均勻性角度考慮，為減小上部結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，將回填土部分的樁長(zhǎng)適當(dāng)增加也是合理的。

五、結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于回填土中的PHC 管樁，在采用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其極限承載力時(shí)，應(yīng)充分考慮回填土對(duì)樁基承載力的不利影響，極限側(cè)阻力參數(shù)宜取值適當(dāng)減小。

（2）對(duì)于液性指數(shù)較小、標(biāo)貫數(shù)較大的粘性土，樁側(cè)及樁端極限摩阻力參數(shù)可取較大值。反之，則宜取較小值。

（3）對(duì)于部分為原狀土、部分為回填土的地基，當(dāng)采用樁基進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)考慮回填土對(duì)樁基承載力的不利影響，將位于回填土層中的樁長(zhǎng)適當(dāng)增加，即回填土中樁的長(zhǎng)度應(yīng)略大于原狀土中樁的長(zhǎng)度。這樣布置不僅從承載力計(jì)算的角度是合理的，而且可以使整個(gè)建筑物基礎(chǔ)具有良好的整體性和均勻性，減少建筑物的不均勻沉降■