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        某高層建筑灌注樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2021-01-14 09:59:56劉少武
        廣東土木與建筑 2020年12期
        關(guān)鍵詞:砂層抗壓單樁

        劉少武

        (廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院 廣州510060)

        1 工程概況

        某高層建筑項(xiàng)目場地位于粵東沿海地區(qū),東面臨近河流,屬第四系沖積相和海陸交互相沉積地貌。總用地面積為45 492 m2,總建筑面積為27 萬m2,建筑設(shè)計(jì)為14 棟28~31 層的高層住宅樓,地下室2 層。項(xiàng)目于2013 年進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。地質(zhì)報(bào)告揭示的場地土層分布情況及承載力如表1所示。

        2 基礎(chǔ)選型

        2.1 場地地質(zhì)特點(diǎn)

        場地地質(zhì)有以下特點(diǎn):⑴地質(zhì)條件較為復(fù)雜,砂層與粘性土互層,層厚變化大;⑵土層中部有較為穩(wěn)定的⑥粗砂層及⑦礫砂層,其下方普遍存在較厚的軟弱下臥層;⑶花崗巖全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層厚度變化大,中風(fēng)化巖埋置深。

        本工程屬高層建筑,對地基的承載力和變形要求較高,因此適合采用樁基礎(chǔ)。

        2.2 樁基礎(chǔ)選型

        若考慮作為預(yù)應(yīng)力管樁的樁端持力層,存在以下問題:⑴常用的預(yù)應(yīng)力管樁難以穿越⑥粗砂層及⑦礫砂層,雖然樁端承載力比較高(qpa=4 000 kPa),但是這時(shí)樁的有效樁長只有11~16 m 左右,預(yù)應(yīng)力管樁直徑φ500 mm,單樁承載力特征值計(jì)算值為1 200 kN。無法滿足本項(xiàng)目高層住宅的荷載要求;⑵粗砂層及礫砂層厚度變化幅度大,其中粗砂層厚度約為1.10~8.00 m,礫砂層厚度約為0.90~11.50 m。同時(shí)由于場地砂層與粘性土互相交錯,部分地段礫砂層厚度不大,樁端持力層厚度可能會不足,樁基礎(chǔ)也可能會穿越該層進(jìn)入軟弱下臥層⑧砂質(zhì)粘性土,對樁的承載力及沉降產(chǎn)生一定的影響,可能會造成群樁的不均勻沉降。

        若采用鉆孔灌注樁,樁端則可穿越較厚的砂層,進(jìn)入承載力較高且壓縮性較低的強(qiáng)風(fēng)化巖層(qpa=1 000 kPa)。灌注樁直徑1 200 mm,樁端入強(qiáng)風(fēng)化巖10 m,有效樁長約36~40 m。按表1 提供的側(cè)摩阻力、端阻力特征值,計(jì)算得出單樁豎向承載力特征值為7 500 kN(其中總端阻力特征值為1 130 kN,總側(cè)阻力為6 370 kN,總側(cè)阻力占樁總承載力的85%)。

        最終選定采用鉆孔灌注樁進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

        3 試驗(yàn)樁承載力驗(yàn)證與分析

        工程樁正式施工前,先施工2根試驗(yàn)樁,分別采用基樁自平衡靜載試驗(yàn)、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)2 種方法進(jìn)行承載力檢測。

        3.1 基樁自平衡靜載試驗(yàn)

        表1 土層分布情況及承載力建議值一覽Tab.1 List of Soil Layer Distribution and Recommended Values of Bearing Capacity

        3.1.1 試驗(yàn)原理[1,2]

        基樁自平衡靜載試驗(yàn)在受力特點(diǎn)上比較接近樁的實(shí)際工作條件。試驗(yàn)的加載設(shè)備為荷載箱,荷載箱與鋼筋籠連接后安裝在樁身的中下部,同時(shí)將高壓油管和位移測量裝置一起引到地面。試驗(yàn)過程中,從樁頂高壓油管對荷載箱內(nèi)部施加壓力,隨著箱頂與箱底被推開,就產(chǎn)生了向上與向下的推力,隨之調(diào)動了樁周土的側(cè)阻力與端阻力的發(fā)揮,直到設(shè)計(jì)要求的最大試驗(yàn)荷載,或者達(dá)到破壞。單樁抗壓極限承載力由樁側(cè)土摩阻力與樁端土阻力相加得到。根據(jù)巖土勘察資料及巖土參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,確定荷載箱埋設(shè)位置。計(jì)算的原則為荷載箱位置處的上、下段樁的承載力相等。試驗(yàn)樁的樁身平衡點(diǎn)計(jì)算情況如表2所示。

        3.1.2 試驗(yàn)過程

        1#試驗(yàn)樁第二級(對應(yīng)荷載箱荷載1 500 kN)、第三級(對應(yīng)荷載箱荷載2 250 kN)加載過程中油壓能穩(wěn)住,上部樁位移和樁頂位移均很小且均能達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。加載第四級(對應(yīng)荷載箱荷載3 000 kN)加載過程中油壓能穩(wěn)住,上部樁位移和樁頂位移均開始逐漸變大均但能達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),此兩級荷載的累計(jì)位移量分別是7.83 mm、7.52 mm。但在進(jìn)行第五級(對應(yīng)荷載箱荷載3 750 kN)加載過程中,上部的樁位移和樁頂?shù)奈灰贫荚谒查g變大,荷載不能穩(wěn)定,在停止補(bǔ)壓情況下的荷載只能維持在3 100 kN 左右,上部的樁位移、樁頂位移及下部樁位移累計(jì)值分別達(dá)到22.61 mm、22.67 mm、13.06 mm。樁上部及樁下部荷載位移曲線如圖1所示。

        為防止試驗(yàn)樁發(fā)生整體滑移破壞,停止加載轉(zhuǎn)為卸載,荷載箱上部樁的實(shí)測極限值取3 000 kN。

        3.1.3 單樁豎向抗壓承載力特征值的確定

        根據(jù)《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法:JT/T 738-2009》的規(guī)定,單樁豎向抗壓極限承載力為:

        表2 1#試驗(yàn)樁平衡點(diǎn)的計(jì)算Tab.2 Calculation of Balance Point of Test Pile 1

        式中:Qu為單樁豎向抗壓極限承載力;Qu上為荷載箱上部樁的實(shí)測極限值;Qu下為荷載箱下部樁的實(shí)測極限值;W為荷載箱上部樁自重;γ為荷載箱上部樁側(cè)阻力修正系數(shù),取加權(quán)平均值。

        圖1 上部樁U-δ曲線和下部樁Q-s曲線Fig.1 U-δ Curve of Upper Pile and Q-s Curve of Lower Pile

        根據(jù)1#樁試驗(yàn)位移數(shù)據(jù)可知,Qu上=3 000 kN,Qu下≥3000kN,W=834kN,γ=0.794,則Qu=5 727.14 kN。對應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力特征值為Qa=Qu/2=2 863.50 kN。

        3.2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

        2#試驗(yàn)樁抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果如下:樁徑φ1 200,樁長39.0 m,單樁承載力特征值為7 500 kN,終止荷載為15 000 kN,單樁極限承載力為11 000 kN,最大沉降量為129.76 mm,殘余沉降量為117.42 mm,承載力特征值對應(yīng)沉降量為20.56 mm。單樁豎向抗壓承載力特征值取11 000/2=5 500 kN。

        3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        基樁自平衡靜載試驗(yàn)中,平衡點(diǎn)以上樁的側(cè)摩阻力極限值為3 000 kN,推算得出樁側(cè)摩阻力特征值約為14 kPa。按地質(zhì)報(bào)告中提供的參數(shù),平衡點(diǎn)以上樁的側(cè)摩阻力特征值的加權(quán)平均值為38 kPa。樁側(cè)摩阻力特征值按試驗(yàn)結(jié)果推算僅達(dá)到按地質(zhì)報(bào)告參數(shù)計(jì)算的37%。

        單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)得出單樁承載力特征值為5 500 kN,端阻力按地質(zhì)報(bào)告提供的1 130 kN,推算出樁的總側(cè)摩阻力特征值約為4 370 kN。按地質(zhì)報(bào)告參數(shù)計(jì)算,原設(shè)計(jì)樁總側(cè)摩阻力特征值6 370 kN。樁側(cè)摩阻力按試驗(yàn)結(jié)果推算僅為按地質(zhì)報(bào)告參數(shù)計(jì)算的69%。

        上述樁承載力試驗(yàn),均達(dá)不到原設(shè)計(jì)的單樁承載力要求。原因是場地中粗砂層、礫砂層及花崗巖殘積土厚度比較大,普遍達(dá)到30 m 左右,泥漿護(hù)壁成孔灌注樁在這些土層范圍內(nèi),樁土之間形成比較厚的軟塑狀泥皮。這些泥皮的存在,大大削弱了灌注樁的側(cè)摩阻力。巖土工程勘察報(bào)告提供的場地巖土層側(cè)摩阻力,實(shí)際上無法達(dá)到。從試驗(yàn)結(jié)果還可以看到,土層側(cè)摩阻力上部土層比下部土層削弱的程度更大。

        4 后注漿灌注樁設(shè)計(jì)

        4.1 后注漿灌注樁的作用原理

        近年來,后注漿鉆孔灌注樁在建筑工程和交通工程中應(yīng)用比較廣泛[3-8]。為達(dá)到原設(shè)計(jì)的單樁承載力特征值,在不增加樁長及樁徑的情況下,對鉆孔灌注樁考慮增加樁端后注漿的施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。在灌注樁的樁身預(yù)埋注漿管,當(dāng)樁身混凝土達(dá)到指定的強(qiáng)度后,采用高壓將水泥漿液通過注漿管注入到樁端或者樁側(cè)設(shè)定范圍的土層中。水泥漿液通過滲透、劈裂、填充、置換、壓密及固結(jié),對樁端沉渣和樁側(cè)泥皮進(jìn)行一定程度的固化,樁端、樁側(cè)設(shè)定范圍內(nèi)土的物理力學(xué)性質(zhì)得到改善,不同程度地提高了樁端阻力和樁側(cè)阻力,減少了樁基的沉降。

        4.2 后注漿灌注樁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

        注漿量及注漿壓力是后注漿灌注樁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范:JGJ 94-2008》[9]第5.3.10條,樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp按強(qiáng)風(fēng)化巖取2.0。從樁端以上12 m 范圍內(nèi)樁側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βsi按全、強(qiáng)風(fēng)化巖取1.4;樁側(cè)其余部分的側(cè)阻力按巖土工程勘察報(bào)告建議值的0.7 倍取值計(jì)算。在單樁豎向承載力特征值保持為7 500 kN,其中總端阻力特征值為2 260 kN,總側(cè)阻力為5 240 kN。

        后注漿鉆孔灌注樁注漿量按文獻(xiàn)[9]第6.7.4 條計(jì)算。樁端注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)αp取1.5~1.8,直徑1 200 mm 的灌注樁注漿量約為2.2 t(以水泥質(zhì)量計(jì)),注漿終壓力≥3 MPa。滿足下列條件之一可終止注漿:①注漿壓力及注漿總量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求;②注漿總量不小于設(shè)計(jì)值的75%,同時(shí)注漿壓力不小于設(shè)計(jì)值。

        實(shí)際施工中,由于場地砂層比較厚,對樁施工工藝試驗(yàn)時(shí),滿足注漿終壓力≥3 MPa的水泥用量基本都達(dá)到3.4 t以上,約為文獻(xiàn)[9]建議范圍較高值的1.5倍。

        按此推算,樁端注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ap約為2.8。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范:BDJ 15-31-2016》[10]第10.1.8條,注漿量按樁徑的2~3倍估計(jì),則實(shí)際注漿量與按文獻(xiàn)[10]建議范圍的較高值比較接近。本工程最終確定直徑1 200 mm的灌注樁注漿量約為3.4 t,注漿終壓力不低于3 MPa。

        4.3 后注漿灌注樁的承載力驗(yàn)證

        后注漿灌注樁施工后進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn),主要結(jié)果如表3 所示。單樁豎向承載力特征值均能滿足不低于7 500 kN的設(shè)計(jì)要求。

        表3 后注漿灌注樁單樁抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Static Load Test Results of Single Post Grouting Pile

        5 結(jié)語

        ⑴泥漿護(hù)壁成孔灌注樁在花崗巖土層的樁土之間形成比較厚的泥皮,大大降低了灌注樁的側(cè)摩阻力。按巖土工程勘察報(bào)告提供的場地巖土層側(cè)摩阻力,應(yīng)乘以一定的折減系數(shù)采用,對花崗巖及其殘積土層,土層側(cè)摩阻力的折減系數(shù)取值應(yīng)不大于0.7。

        ⑵試驗(yàn)表明,采用后注漿的灌注樁,樁端阻力和樁側(cè)阻力都有不同程度的提高,并且有效減少樁基沉降。

        ⑶花崗巖及其殘積土層上的后注漿灌注樁,注漿量取值宜適當(dāng)放大。當(dāng)按文獻(xiàn)[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),樁端注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)αp可按建議值最高限值的1.5 倍取值。當(dāng)按文獻(xiàn)[10]進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可按建議值的最大值取值,即注漿量按樁徑的3倍計(jì)算確定。

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