鋼管樁地基承載力計算分析及其工程應用

陳芳平 馬 康

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

公路路基邊坡受地形地質條件限制，部分斜坡填方采用路肩墻、路堤墻支擋防護。相對于填方路基邊坡，擋墻支擋可節約土地資源，增加斜坡填方的穩定性，在公路工程尤其是山區高速公路中廣泛應用。擋土墻承載力要求隨著擋墻、填土高度的增加而加大，如何有效地解決擋墻圬工量的經濟合理與承載力的安全可靠是工程中需要考慮的問題。工程中一般采用擋墻基底換填、擴大基礎，以及樁基處理，以提高地基承載力，采用擴大擋墻基礎會增大擋墻圬工量，增加擋墻自身重度，對減小基底壓力效果不明顯，且對于較陡地形路段，基底基坑開挖過大，產生的臨時邊坡施工安全風險高。相對而言，鋼管樁基礎及抗滑樁基礎設計既能滿足擋墻承載力要求，又能在優化擋墻圬工量的同時增加擋墻的抗滑移、抗傾覆及場區的整體穩定性。

本文擬研究一種綜合的鋼管樁群樁處理擋墻基礎地基承載力計算方法，并從工程實例中驗證該方法的可靠性，以為類似工程提供計算分析依據及防護處置措施建議。

1 計算模型

1.1 鋼管樁單樁極限承載力

當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標準值時[1]，可按式(1)計算。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp

(1)

圖1 隔板分割n取值

1.2 單樁豎向承載力特征值

單樁豎向承載力特征值Ra應按式(2)確定[1]。

(2)

式中：K為安全系數，取K=2。

非液化土中低承臺樁基的抗震驗算，應符合下列規定。

1)單樁的豎向和水平向抗震承載力特征值，可均比非抗震設計時提高25%。

2)地面下存在飽和砂土和飽和粉土時，除6度外，應進行液化判別；存在液化土層的地基，應根據建筑的抗震設防類別、地基的液化等級，結合具體情況采取相應的措施。

1.3 考慮承臺效應的復核基樁豎向承載力特征值

摩擦型樁基，由于樁土相對位移，樁間土對承臺產生一定的豎向抗力，根據《建筑樁基技術規范》要求，對上部結構整體剛度較好、體型簡單的建(構)筑物的摩擦型樁基，宜考慮承臺效應，確定復合基樁的豎向承載力特征值。考慮承臺效應的復核基樁豎向承載力特征值可按式(3)、(4)確定。

不考慮地震作用時

R=Ra+ηcfakAc

(3)

考慮地震作用時

(4)

式中：Ac為計算基樁所對應的承臺底凈面積，Ac=(A-nAps)/n；ηc為承臺效應系數；fak為承臺下1/2承臺寬度且不超過5 m深度范圍內各土層的地基承載力特征值按厚度加權的平均值；A為承臺計算域面積，對于柱下獨立基礎，A為承臺總面積，對于樁筏基礎，A為柱、墻筏板的1/2跨距和懸臂邊2.5倍筏板厚度所圍成的面積；樁集中布置于單片墻下的樁筏基礎，取墻兩邊各1/2跨距圍成的面積，按條形承臺計算ηc；ζa為地基抗震承載力調整系數，主要考慮地基土在地震有限次循環動力作用下強度有一定的提高，且在地震作用下結構可靠度容許有一定程度的降低，從而考慮地基承載力調整[2]，結合《建筑抗震設計規范》按表1采用。

表1 地基抗震承載力調整系數

一般試驗表明，現場靜載試驗能較準確地得到試驗樁的承載力[3]，但試驗樁數量較少，且試驗工況不可能完全與施工后樁基的工作狀態完全一致，故存在一定差異性[4]。目前仍以試驗為主，規范推薦的物理力學指標計算綜合判定。單樁承載力特征值在考慮承臺效應后仍以極限承載力標準值/安全系數計算確定[5-6]。

2 工程實例

2.1 設計地質概況

參照施工圖紙設計階段工程地質勘察報告，提取場區地質情況如下。

殘坡積層(Qel+dl)碎石土：褐黃、灰色，碎石成份主要為砂巖、泥巖，粒徑1～15 cm，含量約60%，其余充填粉質黏土，稍密狀，濕。場區大部均有分布，區內總體厚度在0.0～4 m之間，鉆探揭露厚度1.2～3.1 m。

強風化泥巖夾砂巖：紫紅、黃褐色，薄～中厚層狀，層間夾薄層砂巖，砂巖厚2～5 cm，節理裂隙發育，巖體較破碎，巖質軟，巖芯呈砂狀、塊狀，鉆探揭露厚度3.3～7.9 m。

中風化泥巖夾砂巖：紫紅色，薄～中厚層狀，層間夾薄層砂巖，砂巖厚2～5 cm，節理發育，巖體較破碎～較完整，巖質軟，巖芯呈砂狀、塊狀、柱狀。巖芯照片及鉆孔柱狀圖見圖2，典型地質橫斷面圖見圖3。

圖2 K91+300鉆孔BZK5巖芯照片及鉆孔柱狀圖示意

圖3 K91+300工程地質橫斷面圖(高程單位：m)

根據場區巖樣試驗結果統計及《公路橋涵地基與基礎設計規范》《建筑樁基技術規范》綜合考慮，相關巖土參數取值見表2。

表2 邊坡巖土體設計參數

表3 單軸飽和抗壓強度試驗指標統計表

2.2 設計方案對比

本項目位于7度(0.15g)抗震設防區，該段路基沿山腰布線，屬于斜坡填方或半填半挖路基，左側山腳為山間河流，常年有水，為增加路基整體穩定，減小占地，設計采用路肩墻支擋防護，擋墻高3～12 m，12 m高擋墻地基承載力要求350 kPa。經計算擋墻基底中心的彎矩荷載標準值為445.8 kN·m/m，軸力為1 478.08 kN/m，剪力為266.77 kN/m，基底平均壓應力為350.06 kPa，最大壓應力為500.10 kPa，軸力的最大偏心率e=0.071 m<[e]=0.25 m。

由于強風化層厚，承載力210 kPa,經計算對比分析，采用碎石墊層換填時，規范要求墊層厚度不宜超過3 m，設計按3 m計算墊層底壓力如下。

19×1+20×3=266.2 kPa

結果大于強風化層承載力210 kPa，不滿足設計要求。其中3.98 m為擋墻基底寬度，埋深按1 m計，覆蓋層重度19 kN/m3，墊層厚3 m，重度為20 kN/m3。設計采用4排直徑108 mm鋼管樁注漿加固，鋼管樁長9 m，正方形布置，樁距1 m，樁頂采用鋼筋混凝土承臺連接，橫斷面設計見圖4。

圖4 12 m高擋墻設計橫斷面圖(單位：高程，m；尺寸，cm)

結合基礎資料參數，按式(1)計算單樁的極限承載力，考慮強風化層鋼管樁長5 m，中風化層鋼管樁長4 m。

Quk=u∑qsikli+λpqpkAp=375.37 kN

考慮承臺效應的復核基樁豎向承載力特征值R=417.85 kPa。結合本項目施工圖預算單價，長10 m擋墻基底鋼管樁費用約4×9×9×254.5=82 449.6元。其中254.5為每米鋼管樁綜合單價。

當采用抗滑樁樁基設計時，每10 m設2根圓形抗滑樁，按樁徑2 m，承臺寬5 m、高1 m設計。結合《公路橋涵地基與基礎設計規范》，假設樁入中風化層長為L，嵌巖樁承載力計算如下

Ra=c1Apfrk+u∑c2iLfrki+0.5ζsu∑liqik≥

350.06×3.98×10+1×5×10×25=15 182.4 kN

中風化砂泥巖，較破碎，樁端發揮系數c1取0.5×0.8×0.75=0.3，嵌巖段側阻力發揮系數c2取0.04×0.8×0.75=0.024，計算分析抗滑樁進入中風化層深度L≥3.8 m，取總樁長為5+4=9 m計。則每10 m樁基費用估算約3.14×12×9×2×1 242.4+1×5×10×595.1=99 975.5元，較鋼管樁費用增加約21.3%。

2.3 試驗樁載荷試驗

本次試驗采用與原設計同等參數的鋼管樁進行試驗，鋼管樁采用Q235鋼，外徑108 mm、厚6 mm，鉆孔直徑為130 mm常規鉆孔。

鋼管樁水灰比采用1∶1。水泥為符合國家標準的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。注漿壓力初步采用0.3 MPa,注漿材料選用水泥、粉煤灰混合液,粉煤灰采用二級；水泥粉煤灰質量比為1∶1。注漿處理時采用分層分段注漿，注漿時采用純壓注漿的方式，自下而上進行,速率為8～15 L/min,注漿前必須先用水沖洗或鼓風吹出進入花管中的砂土，然后再注漿。

試驗對12 m高擋墻基底鋼管樁進行隨機抽樣試驗，試驗樁3根，分別編號為P1、P2、P3，進行載荷試驗。

根據《建筑基樁檢測技術規范》要求，加載時荷載分級逐級等量加載，分級荷載一般取預估極限荷載的1/10，第一級加載量可取分級荷載的2倍；卸載時分級進行，每級卸載量宜取加載時分級荷載的2倍，逐級等量卸載，每級荷載在維持過程中的變化幅度不得超過分級荷載的±10%。

本項目結合規范要求，對實驗樁單樁豎向抗壓承載力繪制豎向荷載-沉降(p-s)曲線、沉降-時間對數(s-lgt)曲線及沉降-荷載對數(s-lgp)曲線。對于陡降型p-s曲線，取發生明顯陡降的起始點對應的荷載作為極限荷載，或者根據沉降-時間對數曲線取曲線尾部出現明顯向下彎曲的前一級荷載作為極限荷載；對于緩變型p-s曲線，取最大加載荷載或者沉降s=40 mm對應的荷載值。經試驗檢測，各樁的載荷試驗成果見表4～表6，圖5～圖7。

表4 P1樁載荷試驗成果(壓板面積：0.28 m2)

表5 P2樁載荷試驗成果(壓板面積：0.28 m2)

表6 P3樁載荷試驗成果(壓板面積：0.28 m2)

圖5 P1樁平板載荷試驗成果圖

圖6 P2樁平板載荷試驗成果圖

圖7 P3樁平板載荷試驗成果圖

根據表4～6及圖5～7，各試驗樁未見明顯比例界限荷載，3根樁s-lgp曲線均出現明顯陡降型破壞，在最后一級荷載下，24 h沉降速率不能達到穩定，采用其前一級荷載作為極限荷載。P1樁、P2樁極限抗壓承載力為450 kPa，P3樁極限抗壓承載力為400 kPa，均較計算承載力極限值375 kPa高。按試驗結果計算復核基樁豎向承載力特征值為433.25～464.5 kPa。

3 結論

1)鋼管樁注漿加固地基可極大地提高地基承載力，采用承臺連接后對擋墻的承載力提高效果較明顯，較混凝土抗滑樁基礎節約一定的工程造價。

2)鋼管樁樁端承載力較低，同一地層中樁長越長，樁端承載力占比越小。且樁長越長，樁側阻力越能發揮作用，從而樁端阻力發揮越小，相關試驗研究表明，9 m鋼管樁長樁端阻力實際僅為樁側阻力的2%左右，與計算的7.8%存在一定的差異，按摩擦型樁基考慮有利于工程安全。

3)承載力試驗檢測表明，鋼管樁實際單樁極限承載力較計算值偏大，主要是因為鉆孔樁注漿直徑較鋼管樁計算值0.108 m大，樁端面積大，承載力略有提高，按規范計算偏安全。

4)注漿可提高樁周土性能，也能提高鋼管樁的承載力；注漿壓力越大，土體孔隙比越大，注漿效果也越理想，承載力提高效果較明顯。

5)鋼管樁較短時，樁端阻力對承載力提高效果較明顯，工程中可采用擴樁基礎、加大鉆孔直徑及提高注漿強度提高鋼管樁極限承載力。

6)鋼管樁載荷試驗破壞時，p-s曲線呈陡降型，主要為軟質巖鋼管樁整體破壞，建議對飽和抗壓強度較低的地基進行鋼管樁處置時，樁端采用焊接鋼片處置以提高鋼管樁受力性能。