沉積巖地區不同樁徑樁長的樁基承載力分析

吳仉華，李影，鄭永陽

（撫州市城市建設集團有限公司，江西撫州 344099）

1 引言

單樁豎向極限承載力計算是高層建筑及橋梁樁基設計中主要的計算內容之一。建筑行業[1-2]、公路行業[3]、鐵路行業[4]等各個行業標準的計算方法有所區別，本文主要是根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》進行計算。

大量試驗結果[5]表明，巖土強度、成樁工藝、幾何尺寸等因素都對單樁豎向極限承載力產生較大影響。通過單樁靜載試驗可以科學地確定單樁極限承載力標準值，但由于靜載試驗數量較少并且在設計前不可能進行完全與施工時相同條件的試驗，因此，需要通過相關側阻力標準值、端阻力標準值[6-9]、巖石飽和單軸抗壓強度標準值以及相關修正系數來計算。

基于以上分析，本文通過一個實際工程案例計算，旨在揭示不同樁徑和不同樁長的單樁豎向極限承載力變化規律，為高層建筑的樁基設計提供重要的參考依據。

2 工程概況

本項目為某市公共衛生中心建設項目，建筑用地約5.3 萬m2，總建筑面積約為4.4 萬m2，其中地上建筑面積約2.9 萬m2，地下建筑面積約1.5 萬m2，含1 棟11 層（其中地下1 層）的公共衛生應急指揮中心。

建設項目含有1 層整體地下室，地下室周長為610.61 m，地下室頂板標高為38.5 m，底板結構面標高為34.5 m，設計高度為4.0 m，上部結構采用框架剪力墻結構；場地室外整平標高為40.3 m。建筑結構安全等級為一級，建筑樁基設計等級為甲級。樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑分別采用φ800 mm和φ1 000mm 兩種規格，樁端持力層為中風化泥質粉砂巖；樁基混凝土強度等級采用C35，施工采用泥漿護壁。

3 巖土結構及特征

根據地勘報告，場地地層結構由第四系全更新統沖積層（Q4al）及白堊系上統南雄組（K2n）組成。按巖土層的地層時代、成因類型、巖性結構及工程地質特征等，自上而下可依次劃分為①粉質黏土、②強風化泥質粉砂巖、③中風化泥質粉砂巖。各巖土層的成因類型、巖性結構、工程地質特征、埋藏深度和風化程度分述如下。

3.1 第四系全更新統沖積層（Q4al）

①粉質黏土：灰黃色，可塑狀，主要由黏粉粒組成，刀切面較光滑，稍有光澤，無搖振反應，干強度及韌性中等。壓縮系數平均值0.30 MPa-1，壓縮模量平均值為6.37 MPa，屬中等壓縮性土。標準貫入試驗實測擊數N=7～10 擊，實測平均擊數為8.0擊。

3.2 白堊系上統南雄組（K2n）

泥質粉砂巖：紫紅色、青灰色，泥質膠結結構，中、厚層狀構造，泥質膠結，膠結性較好，偶見垂直裂隙，少數可見Fe、Mn質浸染痕跡。巖石質軟，遇水易軟化，暴曬易崩解。勘探深度內，按巖石風化程度及工程特性的差異可分為：②強風化泥質粉砂巖、③中風化泥質粉砂巖。

②強風化泥質粉砂巖：紫紅色、青灰色，粉砂質結構，中厚層構造，節理裂隙極為發育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，碎塊用手可掰斷，正常鉆進速度較快，巖芯采取率較低，泡水易軟化，暴曬易崩解。重型圓錐動力觸探試驗修正后擊數N63.5=10.30～16.60 擊，修正后平均擊數為13.3 擊。巖石堅硬程度屬極軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質量等級為V 級。

③中風化泥質粉砂巖：紫紅色、青灰色，粉砂質結構，中厚-厚層狀構造，泥質膠結，節理裂隙較為發育，裂隙面被Fe、Mn浸染，巖體較完整，巖面變化不大，巖芯呈柱狀，長柱狀，局部呈短柱狀，巖石質量指標RQD 約75～85。巖石天然單軸極限抗壓強度為3.7～10.9 MPa，標準值為5.4 MPa，巖石飽和單軸極限抗壓強度為3.1～7.8 MPa，標準值4.7 MPa。巖石按堅硬程度劃分屬極軟巖，巖石完整程度為較完整，巖體基本質量等級為V 級。

3.3 各巖土層厚

①粉質黏土標高位于28.10～38.10 m，層厚10.0 m；②強風化泥質粉砂巖標高位于25.90～28.10 m，層厚2.2 m；③中風化泥質粉砂巖標高位于17.90～25.90 m，層厚8.0 m，未完全揭露。

4 樁基設計參數

根據場區內各土層的巖土工程特征，并結合地區及類似工程經驗，依據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中的有關規定，綜合確定場地巖土層相應樁型的極限側阻力標準值及極限端阻力標準值詳見表1。

表1 樁的極限側阻力、極限端阻力標準值

5 單樁極限承載力計算

5.1 計算公式

工程實踐中，可根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁豎向極限承載力標準值。

對于摩擦樁，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中5.3.5條給出以下計算式：

式中，Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qsk、Qpk分別為總極限側阻力標準值和總極限端阻力標準值；u 為樁身周長；qsik為樁側第i 層土的極限側阻力標準值；li為樁周第i 層土的厚度；Ap為樁端面積；qpk為極限端阻力標準值。

根據該方法計算的單樁豎向極限承載力，包括側阻力和端阻力兩個部分，最關鍵的問題是合理科學確定相關經驗參數。

大直徑樁（d≥800 mm）靜載試驗表明，砂土中大直徑樁的極限端阻隨樁徑增大而減小，側阻力也隨樁徑增大而減小。因此，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》建議考慮大直徑樁端阻及側阻的尺寸效應。

式中，ψsi、ψp分別為大直徑樁的側阻力、端阻力尺寸效應系數。

對于樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中5.3.9 條給出以下計算式：

式中，frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值；ζr為樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數，與嵌巖深徑比hr/d、巖石軟硬程度和成樁工藝有關。

5.2 計算結果

以樁頂標高為33.70 m，分別計算φ800 mm 和φ1 000mm兩種樁徑的不同樁長的單樁豎向極限承載力。結果如表2所示。

表2 單樁豎向極限承載力標準值

5.3 結果對比分析

樁徑及樁長顯著影響樁基的單樁豎向極限承載力，圖1和圖2 分別給出了φ800 mm 及φ1 000mm 在不同樁長情況下的單樁豎向極限承載力變化情況。

圖1 φ800 mm單樁豎向極限承載力標準值

圖2 φ1 000 mm單樁豎向極限承載力標準值

從圖1 和圖2 所示結果可知，不同樁徑的單樁豎向極限承載力標準隨著樁長增加均提高，變化曲線前半段主要是從摩擦樁變成了嵌巖樁，提高較為顯著，但進入基巖后，提高速度明顯變緩，嵌巖段側阻力系數和端阻系數都會下降，導致端阻綜合系數增長趨緩。

由于摩擦樁需要考慮大直徑尺寸效應，因此，加大直徑（≥800 mm）對提高單樁豎向極限承載力的效應會打折扣；而嵌巖樁不考慮大直徑尺寸效應，增大樁基直徑會相應提高單樁豎向極限承載力。

6 結論

本文開展了不同樁基直徑和樁長情況下的單樁豎向極限承載力計算分析，主要得到以下結論。

1）隨著樁長的變化，樁基會出現摩擦樁和嵌巖樁兩種樁型，其受力特點不同，也導致計算方法和公式不一樣。

2）嵌巖樁單樁豎向極限承載力明顯高于摩擦樁，因此，基巖埋藏深度較淺時，應盡量采用嵌巖樁。

3）摩擦樁需要考慮大直徑尺寸效應，為提高單樁豎向極限承載力而增大樁基直徑效果會打折扣，采用增加樁長效果更佳。

4）嵌巖樁進入基巖后，加大嵌巖深徑比的單樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數增加逐漸變緩，因此，從技術經濟角度出發，不宜過分依賴增加嵌巖深度提高單樁豎向極限承載力。