厚填土地基強夯處理后的樁側負摩阻力研究

劉智敏

中國中元國際工程有限公司 北京 100086

在厚填土場地進行樁基礎設計時，負摩阻是影響樁豎向承載力的主要因素。根據《建筑樁基技術規范》JGJ 94-2008的5.4.4條，可以計算負摩阻力，最終得到樁的豎向承載力特征值，進行設計。當場地表層填土強夯后，提高了表層填土的密實度，但由于底部填土尚未固結，填土仍會發生相對于樁向下的位移，仍將對樁產生負摩阻力。這個負摩阻力取多大？《建筑樁基技術規范》JGJ 94-2008并沒有給出明確數值，本文通過工程實例，現場試樁結果分析，給出設計建議，供設計師在以后的工作中參考。

1 工程概況

擬建項目為新建贛州大余某綜合能源項目，包括服務區與工業區，其中鍋爐基礎，工藝專業對其沉降較為敏感，沉降變形要求嚴格，基礎設計等級在初步設計時確認為乙級，擬建場地為填方場地已完成填平，回填厚度 6～25m。

根據場地巖土工程詳細勘察報告，現狀場平工作已回填處理完成，回填處理方式不詳。回填土為素填土 (Q4ml)：褐黃色、褐色，松散，濕， 主要由粘性土組成，回填年限約5年，未完成自重固結。該層在場地局部分布，橫向和縱向分布變化較小，厚度較小，素填土總體呈松散狀，局部稍密，土質不均，層底高程219.63m(ZK3)～220.17m(ZK6)，層厚 6.00m(ZK4) ～23.0 m(ZK3)。填土層承載力特征值給的90kPa。壓縮模量E0=2.5MPa。②層為中風化巖，極限側阻力標準值為80kPa，極限端阻力標準值為1400KPa；③層為中風化巖，側阻力為160kPa，端阻力為1400 kPa。地勘報告中建議采用樁基時，需同時考慮負摩阻力，回填土部分樁的極限側阻力標準值qsik=23 kPa。報告中對于填土的承載力，地勘又建議按強夯地基檢測報告取值。

甲方同時又給出一份場地經過強夯處理的檢測報告：現場采用夯錘直徑 2.0m (夯擊能 6000KN·m)，單點夯擊擊數6-8 擊，夯點間距為5m ，夯擊遍數為四遍。檢測報告顯示強夯后地基承載力特征值為180kPa，強夯地基的最大沉降量15.23mm。

對于兩份差異較大的報告，設計、甲方及勘探三方經過多次溝通未能達成統一。根據地勘報告提供的壓縮模量，鍋爐基礎、煙囪基礎沉降不滿足規范要求。為了安全，采用了保守設計，聽取地勘單位建議采用樁基，并考慮負摩阻的影響。最終方案鍋爐房及輔助用房、鍋爐基礎、煙囪基礎采用混凝土灌注樁，樁徑600mm ，根據地勘報告分區選取三個典型點位進行樁基承載力特征值計算。覆土深度22～23.5m，但進入持力層深度不一樣，樁長總長33m。

2 樁基設計

根據《建筑樁基技術規范》[1]的5.4.3條:樁周土沉降可能引起樁側負摩阻力時，應根據工程實際情況考慮負摩阻力對樁基承載力和沉降的影響；當缺乏可參照的工程經驗時，可按下列規定驗算。

1)對于摩擦型基樁，可取樁身計算中性點以上側阻力為零，并可按公式驗算基樁承載力： NK≤Ra

2)對于端承型基樁除應滿足上式要求外，尚應考慮負摩阻力引起基樁的下拉荷載Qng，并可按公式驗算基樁承載力： NK+Qng≤Ra。

3)當土層不均勻或建筑物對不均勻沉降較敏感時，尚應考慮負摩阻力引起的下拉荷載計入附加荷載驗算樁基沉降。

本設計最大的難點是如何準確計算經過強夯處理后樁的豎向承載力，包括樁的負摩阻系數的取值及負摩阻力引起的下拉荷載大小。經過查看地勘報告，需要打樁區域為廠房、鍋爐基礎及煙囪基礎范圍，基礎下回填土厚度23m左右。初步計算，鍋爐、煙囪基礎采用樁筏基礎，按最小樁距3.5d=2100mm布置；廠房基礎采用單樁～四樁基礎。煙囪基礎單樁承受的最大豎向承載力標準值為400KN，鍋爐及廠房基礎單樁承受的最大豎向承載力標準值為1000KN，持力層為②層或③層，極限端阻力標準值均為，由此式可以看出，單樁豎向承載力主要靠樁側阻力承受，根據《建筑樁基技術規范》的5.4.4條，樁端持力層為巖石，中性點深度比取1.0，即填土層的樁側阻力為零計算單樁豎向承載力極限值，則單樁豎向承載力主要靠②或③層土的樁側阻力承受。如不采用后注漿法，想要單樁豎向承載力滿足設計要求，樁端入巖深度大部分在11m左右。根據《建筑樁基技術規范》的5.4.4條，中性點以上單樁樁周第i層土負摩阻力標準值可按公式計算：

故實際計算時素填土層樁側摩阻力標準值取23kPa。則最大填土厚度23m樁側負摩阻力引起的下拉荷載為。按常規設計，以全風化巖或強風化巖為持力層，樁端進入持力層深度取2m，總極限端阻力標準值均為，總極限側阻力標準值為，由此式可以看出，單樁豎向承載力特征值計算約為，此值遠小于998KN，考慮到本工程為嵌巖樁，且鍋爐及煙囪基礎對沉降較為敏感，但樁端阻力不起控制作用，承受的豎向荷載稍大于樁側摩阻力，最終考慮計算一半的下拉荷載，取值499KN。即使這樣，計算出樁的負摩阻力還是大于樁的豎向承載力特征值，樁沒有可用荷載。據此結果，可以判斷，強夯后仍按所有回填土厚度計算樁的負摩阻力不夠合理，可又找不到規范或相關的理論知識推翻上述計算結果。

通過多次討論，確定鍋爐基礎、廠房基礎及煙囪基礎最終的單樁豎向承載力特征值僅考慮一半的下拉荷載，分別取為1500KN，1200KN及900KN。若僅根據規范上的計算公式，經過計算，要達到以上承載力特征值樁長為33m，入巖深度為11m。入巖11m，現場施工難度大，施工周期長，施工費用大幅度增加。經與甲方溝通協商，決定現場采用靜載荷試驗確定樁的豎向承載力特征值，雖然試樁會增加工程成本，在理論計算不合理的情況下進行試樁是優化設計的唯一途徑，后期優化會大幅度節約成本。

試樁時取三個區域的典型點共9根樁（每處3根），樁長從自然地面算起，分別取為27m、28m、29m，入巖深度為4m， 回填土約為25m。這樣選取樁長既能反映出負摩阻的計算是否正確，也能看出入巖深度對樁側阻力的影響作用。

初步的試樁方案是每個區域取一根樁進行豎向承載力靜載荷試驗，如入巖4m的樁加載至其破壞，其加載結果仍不能滿足設計要求，后面的試樁采用后注漿方案以提供樁的承載力。其中29m樁加載至4550KN時，施工單位又反饋，樁沒有破壞跡象，但加載用的堆重材料僅進場6500KN，加載千斤頂受力極限值8000KN，咨詢設計怎么辦？考慮到施工周期緊張，如拆除重新加載，時間來不急，確定加載到6500KN，停止加載，此時，Q-s曲線未出現陡降，s-lgt曲線尾部未出現明顯彎折，各樁在加載到6500KN均未破壞。試驗數據圖1-3。

圖1 Q-s曲線

圖2 s-lgt曲線

圖3 s-lgQ曲線

《建筑基樁檢測技術規范》[2]JGJ106第4.4.2條，單樁豎向抗壓極限承載力[3]Qu可按下列方法綜合分析確定：對于緩變形Q-S曲線可根據沉降量確定，宜取S=40mm對應的荷載值。

以此為依據完善Q-S曲線，則三根樁的極限承載力都超過8000KN。考慮到場地填土不均勻，地勘報告顯示局部還存在淤泥，對于填土25m，入巖深度4m的樁極限承載力取值6500KN。

試樁時樁長從自然地面算起，承臺底標高-2.5m，也就是有2.5m樁長在強夯處理最為密實的填土層，此范圍樁不僅不會產生負摩阻力，正摩阻力對樁豎向承載力發揮作用，導致試樁的承載力比實際情況大。②、③號樁填土層僅為23m，實際施工時，樁在強夯加固填土層將減少2.5m，經計算分析，最終施工方案是入巖4m，單樁豎向承載力極限值取4500KN，特征值取2250KN。

單樁豎向承載力極限值試樁結果遠大于理論計算值，分析查找原因：

a施工單位反映，填土深度14m左右，鉆機明顯比上面進入困難，說明填土14m以下回填時間較長，已基本固結。填土經強夯加固后的加固深度大致在6～8m，這樣23～25m的填土，未加固土層厚度僅8m左右。若按8m填土考慮，單樁豎向承載力極限值計算時，回填土中有15m不僅不需考慮負摩阻，反而需考慮側阻力。理論計算時考慮了全部填土層的負摩阻力，試樁時，單樁豎向承載力主要靠填土層的樁側阻力提供，這是試驗樁的豎向承載力遠大于理論計算值的主要原因之一。

b整個廠區進行了強夯處理[4]。強夯時產生的沖擊能使土的滲透性驟然大增，孔隙水迅速排出，孔隙水壓力很快消散[5]（數據顯示，5d左右能消散80%以上），從而產生很大的瞬間沉降，使土體壓密，強度大幅度提高。工程實例顯示：地基經強夯處理后，可明顯提高地基承載力、壓縮模量，增加干重度，減少孔隙比，降低壓縮系數，增加場地均勻性，消除濕陷性，膨脹性，防止振動液化。填土經強夯加固后的性質優于同層位的天然土，能有效地解決樁的負摩阻力問題[6]。

從試驗數據可以看出計算樁的豎向承載力時全部填土均考慮負摩阻力是不合理的。最后將單樁豎向承載力特征值取為2250KN，樁入巖深度4m，所有樁檢測均滿足設計要求的承載力特征值。本工程樁基設計，理論計算時，共布樁268根，樁長平均33m，樁入巖深度平均11m；試樁后優化設計，樁數146根，樁長平均26m，入巖深度均為4m，大大節省工期，并大幅減少工程造價，共節約造價289萬，本工程現已施工完成，運行良好。

3 結束語

厚填土層經強夯處理后場地樁的負摩阻力計算比較復雜，影響因素較多，全部填土層均考慮負摩阻力的保守計算不大合理，至少表層強夯處理范圍內的6-8m填土層可以不用考慮負摩阻力。一般情況下，填土地基強夯處理后樁的負摩阻力約是理論計算值的一半。強夯使填土壓實，則其中性點深度ln應小于l.0，強夯后填土的負摩阻系數也應降低，這些都有待繼續積累工程經驗。總之，設計時應充分考慮土體實際情況，通過試驗后再進行樁基設計，會更加合理、經濟及安全。