陳國春

(中元(廈門)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建廈門 361000)

某工程靜壓沉管灌注樁極限承載力分析研究

陳國春

(中元(廈門)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建廈門 361000)

通過分析泉州某靜壓沉管灌注樁工程試打樁及所有工程樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果，并采用MathCAD軟件擬合其承載力曲線，探討了沿海地區(qū)支于強(qiáng)風(fēng)化巖的靜壓沉管灌注樁的施工終止壓樁力與極限承載力的關(guān)系，分析了理論計(jì)算與靜載預(yù)測極限承載力值之間存在差異的原因，提出了靜壓沉管灌注樁施工終止壓樁的控制方法和極限承載力的取值建議。

靜壓沉管灌注樁;終止壓樁力;極限承載力

0 引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁從20世紀(jì)90年代末發(fā)展到今天，該樁型如雨后春筍遍及全國，與之匹配的靜壓樁機(jī)設(shè)備也越來越先進(jìn)，其壓樁力越做越大，步履式壓樁機(jī)的最大壓樁力已超過10 000kN。因靜壓預(yù)制高強(qiáng)管樁施工噪音小，承載力有保證，性價(jià)比極高，因而成了開發(fā)商和設(shè)計(jì)師的首選。與此同時(shí)，因高強(qiáng)管樁的出現(xiàn)，20世紀(jì)曾經(jīng)大量推廣應(yīng)用的振動(dòng)或錘擊沉管灌注樁和沉管夯擴(kuò)樁，也因其存在樁身質(zhì)量缺陷、施工噪音和施工終控難以把握等一系列問題，逐漸退出了歷史的舞臺(tái)。然而，任何一種樁型都有其適用性，不能一樁包打天下，當(dāng)場地存在孤石，持力層深度變化較大時(shí)，采用靜壓預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斷樁、斜樁和接樁、截樁缺少規(guī)律性等問題，造成大量廢樁，施工監(jiān)理難度大，工程質(zhì)量難以保證。為解決這一問題，現(xiàn)場澆灌的靜壓沉管加振動(dòng)拔管的沉管灌注樁應(yīng)運(yùn)而生。該樁型解決了樁身質(zhì)量、施工噪音和穿越堅(jiān)硬夾層等問題，使沉管灌注樁起死回生。雖然同樣是靜壓樁，但前者是預(yù)制好的混凝土樁，而后者是通過靜壓沉入鋼管并灌注混凝土，然后再通過振動(dòng)拔出鋼管形成鋼筋混凝土灌注樁。因兩者的施工工藝不相同，所以靜壓沉管灌注樁的極限承載力與終止壓樁力的關(guān)系不能套用靜壓預(yù)制樁的施工經(jīng)驗(yàn)［1－3］。

本文以泉州某工程為例對(duì)靜壓沉管灌注樁的極限承載力進(jìn)行分析研究，供同行參考。

1 工程與地質(zhì)概況

該工程位于泉州城東片區(qū)內(nèi)，西至安吉路，北至海韻路，南至毓才路，東至興學(xué)路，總用地面積約為11．29hm2。主要建設(shè)5～6層的教學(xué)樓、藝術(shù)樓、圖書館、體育館和12～16層的高層行政綜合樓、食堂宿舍樓等，總建筑面積139 832m2。結(jié)構(gòu)形式框架和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，柱軸力多層在3 000kN～4 500kN，高層在11 000kN～15 000kN。場地地質(zhì)與主要土層的物理力學(xué)性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 場地主要土層及設(shè)計(jì)參數(shù)

2 樁基選型及樁的試驗(yàn)

根據(jù)工程勘察報(bào)告，該場地雜填土為欠固結(jié)土且存在較多的碎塊石、混凝土塊等硬雜質(zhì)，該層層厚變化較大。此外，水質(zhì)分析報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果表明，該場地地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在干濕交替情況下具有中等腐蝕性，地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，因此不適合選用預(yù)制樁。沖(鉆)孔灌注樁雖然具有很強(qiáng)的穿透能力但樁身質(zhì)量較難控制，施工工期長、造價(jià)高。綜合場地的實(shí)際情況結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，最終選擇靜壓沉管振動(dòng)拔管的灌注樁。根據(jù)軸力大小分別選擇700mm及800mm的樁徑，以碎屑或碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖作為持力層。

為了確定樁的豎向承載力和施工的終止壓樁力，設(shè)計(jì)施工前根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2011)規(guī)定，結(jié)合場地鉆孔揭示情況，選取6個(gè)有代表性的鉆孔附近進(jìn)行試樁施工，根據(jù)建筑物的荷載情況，結(jié)合勘察報(bào)告提供的巖土力學(xué)性能指標(biāo)，初步確定700mm及800mm的兩種樁徑的承載力特征值分別為2 700kN和3 400kN。試樁后選取較為不利的試樁2(直徑700mm)和試樁5(直徑800mm)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，主要施工參數(shù)及靜載試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖1所示。

試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種直徑樁的單樁豎向極限承載力均大于設(shè)計(jì)預(yù)取特征值的2倍，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

表2 試壓樁主要施工參數(shù)及靜載試驗(yàn)結(jié)果

圖1 試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)曲線

3 施工終止壓樁力的確定

根據(jù)試驗(yàn)樁現(xiàn)場施工情況，現(xiàn)場按勘察報(bào)告以及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》提供的土層物理力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算得出的持力層及進(jìn)入深度(詳見表2的理論計(jì)算入持力層及其深度)來控制施工無法實(shí)現(xiàn)，即使再提高壓樁力其樁長增長很有限，但采用施工終止壓樁力為極限承載力的1．1～1．2倍控制可行。

考慮到本場地雜填土及其下淤泥為欠固結(jié)土，樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化巖巖面起伏較大等不利因素，出于穩(wěn)妥起見，同時(shí)考慮到便于施工與現(xiàn)場監(jiān)理，該工程對(duì)于兩種直徑樁的施工終止壓樁力分別取其設(shè)計(jì)極限承載力的1．2倍(6 480kN)和1．1倍(7 480kN)，小直徑樁取大值，并要求至少按終止壓樁力反復(fù)復(fù)壓三次以上、且累計(jì)壓沉量應(yīng)小于10mm為條件控制施工。

4 基樁施工與檢測

該工程總樁數(shù)達(dá)1 000多根，樁基施工結(jié)束后按國家有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行了靜載試驗(yàn)檢測和樁身完整性低應(yīng)變動(dòng)測等，樁身完整性Ⅰ類樁占總樁數(shù)的91%，其余均為Ⅱ類樁，說明該樁型的施工質(zhì)量是比較可靠的，所有靜載試驗(yàn)檢測的樁均為符合樁身質(zhì)量完整性的樁，所測的基樁承載力與樁身完整性無關(guān)，這些樁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都可以作為統(tǒng)計(jì)分析的依據(jù)。所有靜載試驗(yàn)樁的主要施工參數(shù)及檢測結(jié)果如表3和圖2～圖3所示。

工程于2014年6月竣工驗(yàn)收，沉降監(jiān)測結(jié)果為最大沉降17 mm，最小沉降11mm，表明樁基工程質(zhì)量可靠，滿足要求。

表3 試驗(yàn)與檢測樁主要施工參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

圖2 Ф700樁靜載試驗(yàn)曲線

圖3 Ф800樁靜載試驗(yàn)曲線

5 施工終止壓樁力與極限承載力分析

5．1 極限承載力預(yù)測

因最大試驗(yàn)荷載下樁頂位移還未達(dá)到規(guī)范極限承載力的取值限定，為了進(jìn)一步了解試驗(yàn)樁的極限承載力，根據(jù)兩試驗(yàn)樁的靜載試驗(yàn)曲線形狀和以往類似樁型的試驗(yàn)曲線規(guī)律，采用雙曲線或指數(shù)曲線對(duì)其進(jìn)行擬合，從而推算樁頂沉降為40mm時(shí)的極限荷載值。本文應(yīng)用MathCAD軟件，分別采用指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)，對(duì)兩樁的靜載數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析。由于兩種函數(shù)曲線的擬合結(jié)果非常接近，故以下僅以雙曲線函數(shù)擬合結(jié)果來進(jìn)行分析論述。雙曲函數(shù)擬合結(jié)果如圖4～圖5所示。兩樁擬合的相關(guān)系數(shù)分別為0．997和0．995，相關(guān)性非常好，可以作為極限承載力推算的曲線。據(jù)此樁頂沉降為40mm時(shí)的推算加載值分別可達(dá)6 186kN和7 389kN。

為深入分析靜壓沉管灌注樁壓樁力與樁的極限承載力之間的關(guān)系，通過對(duì)其余9根靜載試驗(yàn)檢測樁也進(jìn)行了雙曲線函數(shù)的擬合，并推算出樁頂沉降達(dá)40mm時(shí)的極限承載力，擬合效果均非常理想。各樁擬合的協(xié)方差系數(shù)均在0．99左右，證明該場地的Q－s曲線基本上都為雙曲線特征，因此預(yù)測結(jié)果應(yīng)該是比較準(zhǔn)確可靠的，結(jié)果如表4所示。

圖4 710號(hào)樁雙曲函數(shù)線擬合曲線圖

圖5 917號(hào)樁雙函數(shù)擬合曲線圖

表4 樁頂沉降40mm時(shí)的雙曲函數(shù)擬合預(yù)測極限承載力

5．2 施工終止壓樁力控制

該工程壓樁施工以及以往大量的以強(qiáng)風(fēng)化巖為持力層的預(yù)應(yīng)力靜壓高強(qiáng)管樁施工，均出現(xiàn)理論計(jì)算樁長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際施工樁長的事實(shí)，如果按計(jì)算樁長控制終止施工，則終止壓樁力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于極限承載力，甚至將樁壓壞也不能滿足設(shè)計(jì)樁長的要求。相反，對(duì)于以黏性土為主要側(cè)阻和端阻的靜壓預(yù)制樁則可能相反，即出現(xiàn)施工壓樁力始終都小于極限承載力的現(xiàn)象，對(duì)這樣的地質(zhì)施工終止壓樁力就沒有必要大于極限承載力。鑒此，有必要對(duì)靜壓沉管灌注樁的終止壓樁力進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

表5為極限承載力預(yù)測值與終壓力及計(jì)算承載力的關(guān)系，表中理論計(jì)算樁長均大于實(shí)際施工樁長，壓樁記錄也證明了該工程中所有的工程樁實(shí)際施工樁長和要求進(jìn)入持力層的深度均小于計(jì)算所要求的數(shù)值，也就是說，如果根據(jù)實(shí)際樁長按勘察報(bào)告提供的土層物理力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算樁的理論極限承載力的話，那么其計(jì)算值不能滿足設(shè)計(jì)要求，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根據(jù)靜載試驗(yàn)所推測的極限承載力。主要原因是提供的設(shè)計(jì)指標(biāo)偏小造成，而最為突出的問題是強(qiáng)風(fēng)化巖的端阻力指標(biāo)太小，因?yàn)轱L(fēng)化巖的風(fēng)化程度隨深度變化，由全風(fēng)化逐漸過渡到強(qiáng)風(fēng)化到中風(fēng)化再到微風(fēng)化，同一個(gè)強(qiáng)風(fēng)化層其標(biāo)貫值也是隨深度漸變。

大量的靜壓預(yù)制樁或錘擊預(yù)制樁施工時(shí)均發(fā)現(xiàn)，施工樁長基本上都不可能進(jìn)入按設(shè)計(jì)圖紙要求的持力層深度，因?yàn)闃抖诉M(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖一定深度后，要想靠靜力荷載將樁壓入幾米甚至十幾米強(qiáng)風(fēng)化巖基本上是不可能的，即便增加壓樁力其效果也很有限;如果是錘擊樁只會(huì)增加成倍的錘擊數(shù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致樁身爆裂，影響樁身質(zhì)量。對(duì)于這種現(xiàn)象勘察單位常常難以自圓其說。目前，設(shè)計(jì)單位靜壓預(yù)制樁施工的停壓標(biāo)準(zhǔn)，一般采用設(shè)計(jì)樁長和終壓力值控制兩者兼顧的方法，對(duì)純摩擦樁，停壓按設(shè)計(jì)樁長控制;對(duì)端承摩擦樁或摩擦端承樁，按終壓力值控制;地質(zhì)情況較為復(fù)雜時(shí)，則一般采用雙重控制。

靜壓沉管灌注樁與靜壓預(yù)制樁同樣采用靜壓沉樁工藝，其終止壓樁的標(biāo)準(zhǔn)可以套用靜壓預(yù)制樁的控制標(biāo)準(zhǔn)，但由于靜壓沉管灌注樁需要現(xiàn)場灌注混凝土和拔出鋼管，因此其終止壓樁力與承載力的關(guān)系不能與預(yù)制樁相同。

5．3 終止壓樁力與極限承載力分析

通過施工前的試打樁和施工后的基樁檢測成果分析如表5及圖6～圖7所示。圖中可見該工程中靜壓沉管樁的終止壓樁力與雙曲線預(yù)測的極限承載力非常接近，尤其是Ф800樁更為接近。對(duì)于持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖的靜壓沉管灌注樁，可通過反復(fù)復(fù)壓的終止壓樁力作為設(shè)計(jì)參考的極限承載力［4］，其施工終止壓樁的控制標(biāo)準(zhǔn)可套用靜壓沉管預(yù)制樁的方法。由于靜壓沉管灌注樁與靜壓預(yù)制樁雖然同樣采用靜壓沉樁工藝，但前者鋼管沉入后還要等待下鋼筋籠和澆灌混凝土，同時(shí)還要拔出鋼管，這種工藝決定了靜壓沉管灌注樁的恢復(fù)力［3－5］，即極限承載力與終止壓樁力的比值要比靜壓預(yù)制樁小，但由于在下鋼筋籠和灌注混凝土的過程中始終有鋼管保護(hù)成孔，因此其承載力要高于泥漿護(hù)壁的灌注樁，圖6與圖7所示中的預(yù)測極限承載力與終止壓力的比值曲線呈水平狀，其值接近1．0，證明了這一點(diǎn)。

表5 極限承載力預(yù)測值與終壓力及計(jì)算承載力的關(guān)系

圖6 Ф700樁預(yù)測承載力與計(jì)算承載力及壓樁終壓力的比值

圖7 Ф800樁預(yù)測承載力與計(jì)算承載力及壓樁終壓力的比值

從表5中不難發(fā)現(xiàn)本場地極限承載力與樁長及樁徑比之間并無規(guī)律可循。但圖6與圖7中預(yù)測極限承載力與按沉管樁或預(yù)制樁指標(biāo)計(jì)算的理論承載力之比，倒是有一定的規(guī)律性，即隨樁長的增加預(yù)測值與理論計(jì)算值之間的比值逐漸減小，因?yàn)樵摌缎蜑槎顺心Σ翗丁＿@一現(xiàn)象，也就可以說明強(qiáng)風(fēng)化巖端阻力的指標(biāo)取值是偏小的，所以當(dāng)樁側(cè)阻力所占比例越小的時(shí)候預(yù)測值與理論值相差越大。此外，隨著樁長的增加，樁側(cè)阻力所占比例也不斷增大，此時(shí)極限承載力的理論值、預(yù)測值和施工終止壓樁力越來越接近，并存在預(yù)測值小于終止壓樁力的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)引起同行的重視。

6 結(jié)語

(1)靜壓沉管灌注樁，其壓樁過程與靜壓預(yù)制樁基本相同，因此其施工終止壓樁控制標(biāo)準(zhǔn)可套用靜壓預(yù)制樁的施工經(jīng)驗(yàn)，但由于兩者施工工藝存在差異，因此其極限承載力與終止壓樁力的關(guān)系不能套用。

(2)靜壓樁樁長的設(shè)計(jì)長度目前主要是根據(jù)土性指標(biāo)計(jì)算獲得的，其設(shè)計(jì)中的巖土參數(shù)都是采用間接方法得到，因此對(duì)于靜壓樁承載力的取值，建議根據(jù)樁的施工終止壓力，配合具體施工工藝和土層時(shí)效恢復(fù)力等的綜合分析來確定更為可靠。

(3)對(duì)于沿海支于強(qiáng)風(fēng)化巖以上以端承為主的沉管灌注樁，其通過反復(fù)復(fù)壓后的施工終止壓樁力與樁的極限承載力非常接近，該值可作為極限承載力取值的設(shè)計(jì)參考值。

(4)該場地靜壓沉管灌注樁的恢復(fù)力基本上沒有體現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按大于2倍樁的設(shè)計(jì)特征值作為終止壓樁的條件較為穩(wěn)妥。

［1］ 楊根喜，濮志鋒．小型靜壓樁壓樁力系數(shù)取值方法的探討［J］．工程勘察，2002(5):38－39．

［2］ 張明義，鄧安福．預(yù)制樁靜力貫入層狀地基的試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(4):490－492．

［3］ 劉俊龍．靜力法沉樁的壓樁力與樁的極限承載力［J］．工業(yè)建筑，2005，35(2):63－68．

［4］ 張孝松．福州地區(qū)靜壓沉管灌注樁最終壓樁力的分析［J］．福建建設(shè)科技，2007(2):12－15．

［5］ 胡中雄．飽和軟黏土中單樁承載力隨時(shí)間的增長［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1985，7(3):58－61．

The analysis of ultimate bearing capacity for one of Quanzhou’s static pressure cast－in－situ pile project

CHEN Guochun
(IPPR(Xiamen)Engineering Design＆Research Institute Co．，Ltd，Xiamen 361004)

By analyzing the results from piling in one of Quanzhou’s static pressure cast－in－situ pile project and static load test of all other engineering piles，and using MathCAD software to fit their bearing capacity curves．The relationship between the final jacking force and ultimate bearing capacity of the construction of static pressure cast－in situ pile with intense weathered rock in the coastal areas is discussed．By analyzing the reason for the difference between the theory－calculated ultimate bearing capacity and the predictive data of static load，this paper put forward the controlling methods to terminate the static pressure cast－in－situ pile construction’s final jack and propositional value of the ultimate bearing capacity．

Static pressure cast－in－situ pile;Final jacking force;Ultimate bearing capacity

TU398

A

1004－6135(2017)02－0050－05

陳國春(1966．10－ )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:13799278565@139．com

2016－12－23