王建安 張慧海 陳 琳 任猛濤 張旭升

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043;2.陜西省安康市興華建設(shè)集團(tuán)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司，陜西安康 725099)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)大多地級(jí)市的城市建設(shè)規(guī)模在日益增大，大型市政、民建工程日益增多，建構(gòu)筑物規(guī)模和高度不斷刷新紀(jì)錄，同時(shí)也對(duì)地基基礎(chǔ)承載力和施工工藝提出了更高要求。灌注樁在高荷載建筑的基礎(chǔ)型式中使用率較高，安全性較好，但建設(shè)成本相對(duì)偏高。剛性樁復(fù)合地基建設(shè)成本較低，但在有限的樁長(zhǎng)條件下，往往很難達(dá)到較高的承載力水平，在承載力要求不斷提高，建筑垃圾亟待解決的背景下，一種新型的樁基施工技術(shù)—載體樁被廣泛研究應(yīng)用[1-5]。

載體樁技術(shù)具有擠密樁端土體和擴(kuò)大樁端受力面積的雙重積極效應(yīng)，又能適量消化建筑垃圾，所以具有較高的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者就其承載特性，在不同地層中進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[1-3]。例如杜明芳等在鄭州東部的砂土持力層中，開(kāi)展了載體樁的承載力性能研究[1];張慧海等研究了載體樁在西安黃土地區(qū)的承載力特征，總結(jié)了影響該工藝成樁質(zhì)量的關(guān)鍵因素[2]。在陜西南部的粉質(zhì)黏土地區(qū)，相關(guān)研究成果較少;此外，對(duì)于相同試驗(yàn)場(chǎng)地，灌注樁和載體樁復(fù)合地基的承載力和建設(shè)成本對(duì)比分析研究鮮有報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文擬在陜南粉質(zhì)黏土地區(qū)開(kāi)展灌注樁和載體樁復(fù)合地基的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)研究，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)理論計(jì)算方法，從承載力和建設(shè)成本兩個(gè)方面，對(duì)兩種地基基礎(chǔ)方案的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比分析。以期對(duì)陜南粉質(zhì)黏土地區(qū)的類似工程建設(shè)提供有益參考和建議。

1 工程概況及場(chǎng)地地質(zhì)條件

1.1 工程概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于陜西省安康市陳家溝村東部，場(chǎng)地總體上呈現(xiàn)東南高、西北低，起伏較大，最高點(diǎn)高程為320.5 m，最低點(diǎn)為295.58 m，相對(duì)高差24.92m。試驗(yàn)依托的民建工程擬建住宅樓10棟，樓層高度變化較大，高度分布范圍為54～99 m，上部擬采用剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)1～2層地下室，基礎(chǔ)埋深6.7 m。地基基礎(chǔ)型式根據(jù)樓層高度擬分別采用灌注樁和載體樁復(fù)合基地兩種。

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地地貌單元屬于漢江南岸二級(jí)洪積臺(tái)地，整個(gè)臺(tái)地為洪積平原經(jīng)后期侵蝕改造而成，物質(zhì)由上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、角礫和中更新統(tǒng)的粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和卵石組成，其下是志留系千枚巖。場(chǎng)地勘察深度范圍內(nèi)未見(jiàn)地下水，水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探、原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地各土層的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

樓層在23層及以下的住宅樓(地下1層)，采用載體樁復(fù)合地基型式，26層及以上的住宅樓(地下2層)，基礎(chǔ)型式采用灌注樁。兩類地基基礎(chǔ)型式的樁位均采用等邊三角形布置，平面位置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 灌注樁平面布置圖（單位:mm）

圖2 載體樁平面布置圖（單位:mm）

鋼筋混凝土灌注樁的設(shè)計(jì)樁徑為800 mm，樁間距為2.4 m，有效樁長(zhǎng)為28.0 m，樁頂標(biāo)高為-6.7 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。載體樁樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，樁徑450 mm，樁間距1.8m，有效樁長(zhǎng)約為10.0 m，設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高為-8.1 m，試樁的樁身剖面示意圖見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 灌注樁樁身剖面示意圖

圖4 載體樁樁身剖面示意圖

灌注樁和載體樁在成樁施工過(guò)程中嚴(yán)格按照《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[7]的要求執(zhí)行，施工用料量等施工記錄見(jiàn)表2。

表2 施工記錄表

3 樁身質(zhì)量及靜載試驗(yàn)

3.1 成孔質(zhì)量檢測(cè)及樁身完整性檢測(cè)

在進(jìn)行單樁豎向靜荷載試驗(yàn)之前，先后進(jìn)行了成孔質(zhì)量檢測(cè)和樁身質(zhì)量檢測(cè)。其中成孔質(zhì)量檢測(cè)成果顯示：最小孔徑偏差＜-0.1d且＜-50 mm;樁孔垂直度偏差均小于1%;沉渣厚度為6.0～9.0 cm，小于10 cm。試樁樁身完整性檢測(cè)均采用低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)方法，其中單樁靜載試驗(yàn)的試樁樁身混凝土波速介于3050～4101 m/s，平均值約為3555.07 m/s，均為Ⅰ類樁。載體樁樁身混凝土波速為3190～4260 m/s，平均值為3551 m/s，均為Ⅰ類樁。成孔質(zhì)量和樁身完整性均滿足《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 99—2008)[8]的驗(yàn)收要求。

3.2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，以堆重平臺(tái)提供反力，加載設(shè)備為一臺(tái)1000 t油壓千斤頂。試驗(yàn)預(yù)估極限荷載為7000 k N，加荷共分9級(jí)，第一級(jí)加載到1400 k N，以后每級(jí)以700 k N的壓力遞增。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋼筋混凝土灌注樁單樁載荷試驗(yàn)結(jié)果

3.3 載體樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)

本試驗(yàn)承壓板采用剛性圓板，面積為2.804 m2，板底鋪設(shè)150 mm厚的礫砂層，承壓板中心和試樁中心保持一致，并與荷載作用點(diǎn)相重合。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，加荷共分9級(jí)，首次加荷188 kPa，以后每級(jí)以94 kPa的壓力遞增，試驗(yàn)終止荷載為940 kPa。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。灌注樁和載體樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[8]進(jìn)行。

表4 載體樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

3.4 樁身強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)灌注樁和載體樁復(fù)合地基承載力的試驗(yàn)結(jié)果，可計(jì)算得出，灌注樁和載體樁單樁豎向力設(shè)計(jì)值分別為4242 k N和1393 k N(計(jì)算過(guò)程中抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.65);混凝土樁身強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，灌注樁工作條件系數(shù)φc取0.6，由于載體樁樁長(zhǎng)較小、水位以上施工以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于C35，所以載體樁工作條件系數(shù)φc取0.7，計(jì)算得出的灌注樁和載體樁的樁身混凝土強(qiáng)度分別為4313 k N和1592 k N，均大于兩者的單樁豎向力設(shè)計(jì)值，滿足驗(yàn)算要求。

4 承載力結(jié)果分析

4.1 荷載-沉降變形分析

根據(jù)靜載荷試驗(yàn)詳測(cè)記錄，繪制荷載--沉降(Q--s)曲線見(jiàn)圖5—圖6。分析圖5和圖6試驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論：

1)單樁豎向抗壓承載力試驗(yàn)的Q--s曲線和載體樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)的p--s曲線變化規(guī)律相近，均為緩變型;但灌注樁的Q--s曲線中間段出現(xiàn)明顯的上凸規(guī)律，而載體樁的p--s曲線基本呈現(xiàn)近直線發(fā)展規(guī)律;

2)同類地基基礎(chǔ)的三組載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異很小，變化趨勢(shì)一致，由于試驗(yàn)未加載至樁體破壞，所以沒(méi)有明顯的陡降段;

3)灌注樁的單樁豎向抗壓的極限承載力大于7000 k N，特征值大于3500 k N;載體樁復(fù)合地基承載力特征值大于470 kPa;

4)23層(加1層地下室)住宅樓基底荷載約為375 kPa，小于載體樁復(fù)合地基承載力特征值470 kPa，地基處理設(shè)計(jì)方案滿足荷載要求，且有大于25%的安全儲(chǔ)備;

5)等邊三角形分布的灌注樁，單樁分擔(dān)基底壓力的等效面積為4.99 m2(兩個(gè)等邊三角形面積之和)，單位面積承載力特征值換算為3500 k N/4.99 m2=701.4 kPa;26層(加2層地下室)住宅樓基底荷載約為450 kPa，小于701.4 kPa，地基處理設(shè)計(jì)方案滿足荷載要求，且有大于55%的安全儲(chǔ)備。

圖5 灌注樁荷載--沉降關(guān)系曲線圖

圖6 復(fù)合地基荷載--沉降關(guān)系曲線圖

綜上分析，兩種地基基礎(chǔ)型式的設(shè)計(jì)方案均偏于保守，特別是灌注樁安全儲(chǔ)備較大。此外，根據(jù)上述對(duì)比分析得出，載體樁復(fù)合地基承載力特征值470 kPa亦能夠滿足26層(加2層地下室)住宅樓對(duì)地基承載的要求。初步推測(cè)應(yīng)該是載體樁經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值的偏差，導(dǎo)致方案偏保守。

4.2 載體樁承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比分析

依據(jù)《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 135—2007)[6]規(guī)定，當(dāng)載體樁作為復(fù)合地基中的增強(qiáng)體時(shí)，載體樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)可以參照CFG(水泥粉煤灰碎石樁)的有關(guān)規(guī)定。則依據(jù)相關(guān)規(guī)范[6-10]，承載力特征值按照下式(1)和式(2)確定：

式中：λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，無(wú)經(jīng)驗(yàn)值可取0.8～0.9;

fskp——復(fù)合地基承載力特征值，kPa;

m——面積置換率;

AP——樁端面積，m2;

β——樁間土承載力折減系數(shù)，無(wú)經(jīng)驗(yàn)值時(shí)取0.9～1.0;

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa，根據(jù)場(chǎng)地土體類型，取天然地基承載力特征值(即粉質(zhì)黏土190 kPa);

Ra——單樁豎向承載力特征值，k N。

式中：up——樁的周長(zhǎng)，m;

n——樁所在范圍內(nèi)劃分的土層數(shù);

qsi、qp——樁周第i層上的側(cè)阻力、樁端端阻力特征值，kPa，參照標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]有關(guān)規(guī)定確定;

αP——樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，可取1.0;

li——第i層土的厚度，m。

各參數(shù)具體取值見(jiàn)表5，計(jì)算求得FH01、FH02、FH03點(diǎn)的地基承載力特征值均為392 kPa?，F(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，載體樁復(fù)合地基的在承載力特征值大于470 kPa，高出計(jì)算值20%以上。上述結(jié)果說(shuō)明：

(1)當(dāng)載體樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，且作為復(fù)合地基增強(qiáng)體時(shí)，按照CFG(水泥粉煤灰碎石樁)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，雖已考慮樁側(cè)阻力影響，但樁端阻力未考慮擴(kuò)大頭效益，所以計(jì)算結(jié)果偏小;

(2)由于計(jì)算結(jié)果偏小，往往導(dǎo)致地基基礎(chǔ)方案發(fā)生較大調(diào)整，進(jìn)而導(dǎo)致工程不勝經(jīng)濟(jì)。

表5 載體樁復(fù)合地基承載力計(jì)算參數(shù)表

4.3 地基基礎(chǔ)方案經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

灌注樁和載體樁復(fù)合地基兩種地基基礎(chǔ)處理方案，不僅施工工藝不同，更重要的區(qū)別在于灌注樁需要配置鋼筋，僅此一點(diǎn)施工成本也將明顯高于載體樁。本節(jié)將在不考慮施工工藝差別以及鋼筋材料成本的前提下，對(duì)比分別兩種施工方案在樁身混凝土用量方面的材料成本。

為了便于對(duì)比分析，定義用料率(m3/kPa)=用料量(m3)/承載力特征值(kPa)。由表2可以得出，混凝土用料16.5 m3，可提供的等效承載力特征值為701.4 kPa，計(jì)算得出的單位用料率為23.5×10-3m3/kPa;載體樁用料2.4 m3，可提供的等效承載力特征值為470 kPa，計(jì)算得出的單位用料率為5.1×10-3m3/kPa。對(duì)比兩者的用料率發(fā)現(xiàn)，載體樁用料率約為灌注樁的22%，原因分析主要包括兩點(diǎn)：

1)載體樁通過(guò)沖擊樁底土層并夯填填充料，不僅對(duì)樁底持力層土體進(jìn)行了加固處理，提高了樁端土體的端阻力，而且形成了樁端擴(kuò)大頭，大幅度提高了單樁承載力;

2)載體樁復(fù)合地基，有效利用了樁間土的承載力，本試驗(yàn)載體樁復(fù)合地基的承載力中，樁間土承載力占比達(dá)到了46%。

綜上分析，在施工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)成樁的前提下，在能夠滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求下，載體樁復(fù)合地基復(fù)合地基具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1)在陜南的類似粉質(zhì)黏土地區(qū)，灌注樁Q--s曲線和載體樁復(fù)合地基p--s曲線均為緩變型，灌注樁的Q--s曲線中間段出現(xiàn)明顯的上凸規(guī)律，而載體樁的p--s曲線基本呈現(xiàn)近直線發(fā)展規(guī)律。

2)采用本文的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力大于7000 k N，特征值大于3500 k N;載體樁復(fù)合地基承載力特征值大于470 kPa，兩種方案均可滿足26層+地下2層的常規(guī)工民建住宅樓的承載力要求;載體樁樁長(zhǎng)和樁徑適當(dāng)加大，安全性會(huì)更有保證。

3)當(dāng)載體樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，且作為復(fù)合地基增強(qiáng)體時(shí)，按照CFG(水泥粉煤灰碎石樁)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，樁端阻力擴(kuò)的大頭效益未得到考慮，計(jì)算結(jié)果偏小，容易設(shè)計(jì)方案偏保守的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致建造成本偏高。

4)載體樁復(fù)合地基較灌注樁具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，在能夠滿足上部結(jié)構(gòu)承載力和抗震要求的情況下，在陜南的類似粉質(zhì)黏土地區(qū)，建議優(yōu)先考慮選用載體樁復(fù)合地基方案。