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        青島某預(yù)制樁工程單樁豎向承載力設(shè)計案例分析

        2022-09-23 02:08:56李慎鋒張吉慶
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2022年13期
        關(guān)鍵詞:力層試樁單樁

        李慎鋒 張吉慶

        (青島瑞源工程集團有限公司 山東青島 266550)

        青島地區(qū)某個持力層為泥質(zhì)粉砂巖的混凝土預(yù)制樁樁基工程,其試樁單樁豎向承載力較高,設(shè)計單位參照試樁結(jié)果進行取值,施工后,出現(xiàn)單樁豎向承載力普遍降低,樁基驗收不合格的現(xiàn)象。預(yù)制混凝土樁主要承受豎向作用力,具有單樁豎向承載力高、造價低、施工速度快等優(yōu)點,被普遍應(yīng)用在樁基工程中[1]。青島市地區(qū),上部為土層、下部為強風(fēng)化泥巖層主要分布在膠州市、城陽區(qū)及高新區(qū)一帶。目前,在該地區(qū)的樁基工程施工時多采用錘擊法沉樁[2]。常虹等[3]對泥巖持力層的管樁沉降作了相關(guān)研究;周浪[4]分析了PHC 管樁在白堊系泥質(zhì)粉砂巖場地內(nèi)的破壞類型;韓婷[5]提出當PHC管樁豎向抗壓承載力不足時,可通過錘擊復(fù)打后提高單樁豎向抗壓承載力;任秀文[6]分析了預(yù)制管樁的土塞效應(yīng)及其對承載力的影響;陳安等[7]分析了泥質(zhì)粉砂巖的礦物成分;有研究指出地下水會對泥巖、粉砂巖產(chǎn)生強度弱化的影響[8-11];周華[12]等研究了干燥失水對泥質(zhì)粉砂巖遇水后物理力學(xué)性質(zhì)的影響;劉新喜[13]等進行了高應(yīng)力泥質(zhì)粉砂巖蠕變特性及長期強度研究;徐朋威[14]研究了江西紅色風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基承載力;李進[15]等進行了含節(jié)理泥質(zhì)粉砂巖強度特征試驗研究;羅坤[16]根據(jù)巖石單軸抗壓強度,確定中風(fēng)化軟質(zhì)巖石的地基承載力特征值,進而確定其樁端阻力特征值。

        本文通過青島地區(qū)一個預(yù)制樁單樁豎向承載力降低的工程案例,進行原因分析并提出處理措施。結(jié)合另外出現(xiàn)類似情況的工程案例,提出青島地區(qū)預(yù)制混凝土單樁(400mm×400mm 低預(yù)應(yīng)力方樁或直徑500mm的預(yù)應(yīng)力管樁)承載力特征值一般取值范圍,旨在為青島地區(qū)以該地層為持力層的預(yù)制混凝土樁樁基設(shè)計及施工提供借鑒。

        1 工程概況

        青島高新區(qū)某地塊預(yù)制樁工程,包括7個樓座,分別為2#至8#樓座。其中,2#、3#、6#和7#為住宅樓;4#、5#和8#為人才公寓;其他樓座為商業(yè)辦公樓,采用天然地基。7個樓座樁基均采用低預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土實心方樁,型號NFZ-400-a,長度為10~14m,樁數(shù)共計1102個。設(shè)計單樁豎向承載力特征值均為2200kN,即單樁豎向極限承載力標準值4400kN。樁端入第16-1層(泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化下亞帶)不小于4m。樓座平面布置見圖1。

        圖1 平面布置圖

        2 地質(zhì)條件

        地層編號采用了青島市建委推廣的《青島市區(qū)第四系層序劃分》標準地層層序編號,共揭示了5 個主層、5個亞層,地層描述以層及亞層為單位。從上至下分為第①1層粗顆粒素填土、第①2層細顆粒素填土、第⑥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第?1層黏土、第?層黏土、第?層泥質(zhì)粉砂巖全風(fēng)化帶、第?層泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化上亞帶、第?1層泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化下亞帶,詳見表1。

        表1 預(yù)制樁設(shè)計參數(shù)

        樁端持力層為第?1層泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化下亞帶,該層廣泛分布,揭露厚度1.00~10.00m。紫紅色,泥質(zhì)—粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,以黏土礦物為主,含少量白云母,巖芯呈柱狀,內(nèi)含大量碎塊狀巖芯,手掰不易碎,可擊碎,擊聲較悶。該層進行標準貫入試驗66 次,50 擊貫入深度12~27cm。地基承載力特征值fak=700kPa,變形模量E0=40MPa。巖石堅硬程度為軟巖,巖體完整性指數(shù)Kv<0.15,巖體極破碎,巖體基本質(zhì)量等級Ⅴ級。

        勘察單位結(jié)合場區(qū)工程地質(zhì)情況,選取代表性鉆孔39#鉆孔,對推薦各樁型進行單樁豎向極限承載力估算,結(jié)果見表2所示。

        表2 單樁豎向極限承載力標準值估算統(tǒng)計

        3 施工過程

        施工時,采用預(yù)制樁錘擊沉樁法施工,錘重8.2t,采用有效樁長和貫入度雙控,并以貫入度為主。最后,三陣每陣10錘的貫入度不大于30mm。

        4 載荷試驗

        施工完后,進行單樁豎向抗壓靜載試驗[17]。先對2#、3#、6#樓座各取1 根樁進行了靜載試驗,對7#樓取兩根樁進行靜載試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),單樁豎向抗壓極限承載力為2500~3720kN,5個樁均不滿足設(shè)計單樁豎向極限承載力標準值4400kN的要求,隨即停止對其他樁進行驗收工作。其中,7#樓試驗樁荷載為3080kN 時,累積沉降量為12.38mm;當荷載加載到3520kN 時,沉降量迅速增大,1h內(nèi)累積沉降量達到23.06mm,試驗樁沉降未能達到相對穩(wěn)定標準,最后試驗樁直接下沉。最終,單樁豎向抗壓極限承載力2964.4kN,未達到設(shè)計要求的4400kN,見表3和圖2。

        圖2 7#樓樁荷載—沉降曲線圖

        表3 靜載試驗分級加載沉降值

        5 分析原因

        5.1 單樁豎向承載力特征值取值太高

        2018年7月5日,建設(shè)單位委托其他施工單位對該地塊進行預(yù)應(yīng)力混凝土方樁試樁,試樁尺寸為400mm×400mm,樁長14.5m,試樁單樁豎向抗壓極限承載力為5280kN。設(shè)計單位取單樁豎向抗壓極限承載力為4400kN,即單樁豎向承載力特征值為2200kN,設(shè)計值符合試樁測試結(jié)果,試樁結(jié)果見圖3和表4。

        表4 靜載試驗分級加載沉降值

        圖3 2#樁荷載—沉降曲線圖

        而根據(jù)前述勘察報告建議取值進行計算如下。

        (1)樁身周長u、樁端面積Ap計算。

        u=0.40×4=1.60m,Ap=0.40×0.40=0.16m2。

        (2)單樁豎向極限承載力標準值估算。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)5.3.5式[18]計算:

        單樁極限側(cè)阻力標準值為:Qsk=uqsikli=1.60×(60×1.00+75×2.00+120×2.00+180×4)=1872kN。

        單樁極限端阻力標準值為:Qpk=qpkAp=0.16×7500=200kN。

        單樁豎向極限承載力標準值為:Quk=Qsk+Qpk=1872+1200=3072kN。

        單樁豎向承載力特征值Ra根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)5.2.2式[18]計算:

        Ra=3072/2=1536kN。

        根據(jù)實際施工樁長計算,同樣樁截面尺寸為400mm×400mm的預(yù)制混凝土方樁,入持力層4m,樁長9m的單樁豎向極限承載力標準值Quk為3072kN。表2中勘察單位給的入持力層1m,樁長8.4m的單樁豎向極限承載力標準值Quk為2393kN,兩者均小于設(shè)計單位提出的單樁豎向極限承載力標準值4400kN。

        大多數(shù)的樁基設(shè)計普遍以試樁為主要參考依據(jù),以勘察報告提供的參數(shù),利用經(jīng)驗參數(shù)法進行估算單樁豎向承載力特征值為輔。本工程以試樁結(jié)果作為設(shè)計依據(jù),設(shè)計取值太大,不符合實際情況。若當初以該勘察報告為設(shè)計依據(jù),反而較能反映現(xiàn)場實際情況。這是該工程的特殊之處,對其進行原因分析如下。

        5.2 地下水浸泡泥巖

        經(jīng)勘察揭露,樁端巖層存在地下巖石裂隙水,且打樁時為7~8月份,處于青島地區(qū)的豐水期。為減少設(shè)備進出場成本、加快施工進度,現(xiàn)場采用錘擊沉樁?,F(xiàn)場泥巖具有遇水軟化的特性,詳見圖4和圖5。錘擊過程中,樁端泥巖被水浸泡,持力層的泥質(zhì)粉砂巖被反復(fù)振動,導(dǎo)致持力層巖基面軟化,巖石強度下降。后期變更設(shè)計后進行補樁,送樁深度普遍比之前施工的樁深0.8~1.5m,可從側(cè)面解釋持力層巖基軟化破壞的可能性。

        圖4 泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化下亞帶硬塊巖芯

        圖5 泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化下亞帶風(fēng)化后巖芯

        5.3 未進行復(fù)打

        設(shè)計樁間距多數(shù)為1600mm×1750mm,預(yù)制樁間距較密集。施工時,采用蛇形往返迂回打樁順序,未進行嚴格意義上的從中間向四周的順序施打,擠土效應(yīng)導(dǎo)致樁身上浮,詳見圖6。經(jīng)現(xiàn)場觀測統(tǒng)計,2d 后,上浮量為31~79mm,多數(shù)樁上浮大于40mm。施工完后,因工期緊,單個樓座預(yù)制樁已多數(shù)施工完畢,樁機只能對周邊樁進行復(fù)打,對里面的樁,樁機無工作面,無法進行復(fù)打。泥巖遇水軟化膨脹的特點加劇了樁身上浮。后期設(shè)計變更進行補樁過程中,復(fù)打后,預(yù)制樁平均可多入土1m。雖然設(shè)計中單樁豎向極限承載力標準值滿足試樁結(jié)果,但試樁時未考慮擠土效應(yīng),且持力層泥巖振動小,未浸水軟化破壞。

        圖6 預(yù)制混凝土方樁現(xiàn)場施工圖

        6 解決措施

        6.1 已施工樁基礎(chǔ)改為復(fù)合地基

        預(yù)制樁基工程包括7個樓座,其中,對已施工完的2#、3#、6#、7#和8#樓進行了補樁。仍采用低預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土實心方樁,規(guī)格400mm×400mm,樁身混凝土強度不低于C60,并全部改為剛性樁復(fù)合地基。

        例如,2#樓復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場單樁或多樁復(fù)合地基荷載試驗確定,要求復(fù)合地基承載力特征值fspk≥370kPa。地基采用低預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土實心方樁處理的復(fù)合地基,以第?1層黏土層為持力層,天然地基承載力特征值fak=170kPa。樁距1650mm×1800mm,矩形布置,有效樁長8.5~10m,樁端持力層均為第?1層(泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化下亞帶)。單樁豎向承載力特征值通過現(xiàn)場單樁豎向抗壓靜載試驗確定,要求單樁豎向承載力特征值不小于900kN,即單樁豎向極限承載力標準值不小于1800kN。設(shè)計樁頂鋪設(shè)200mm 厚的褥墊層,褥墊層材料可選用5∶5 級配砂石,最大粒徑不大于30mm。褥墊層鋪設(shè)采用靜力壓實法,壓實后的褥墊厚度與虛鋪厚度之比小于0.9,復(fù)合地基基礎(chǔ)開挖時,預(yù)留樁頂應(yīng)預(yù)留200mm以上由人工開挖。褥墊層寬出相應(yīng)基礎(chǔ)墊層300mm,詳見圖7。

        圖7 2#樓復(fù)合地基示意圖

        2#樓補樁155 根,單樁豎向承載力特征值降為900kN。3#樓補樁159,單樁豎向承載力特征值降為900kN。6#樓單樁豎向承載力特征值降為1100kN。7#樓補樁20根,單樁豎向承載力特征值降為1100kN。8#樓補樁155根,單樁豎向承載力特征值降為1800kN。

        6.2 未施工樁基礎(chǔ)改為管樁

        4#樓改為采用直徑500mm的管樁,單樁豎向承載力特征值降為1800kN。5#樓改為采用直徑500mm 的管樁,單樁豎向承載力特征值降為1800kN。管樁樁端端口不封閉,可適當釋放部分樁端超靜水壓力,防止樁身上浮。設(shè)計變更前后對比見表5。

        表5 設(shè)計變更前后對比統(tǒng)計表

        6.3 優(yōu)化打樁順序并及時復(fù)打

        采取從中間向四周施打的施工順序。當天完工預(yù)制樁,第二天全部復(fù)打一遍,直至樁身不再上浮為止。

        經(jīng)采取以上措施,施工后驗收通過,質(zhì)量合格。

        7 其他兩項類似工程案例

        某工程位于青島市高新區(qū),濱海沉積地貌,場區(qū)地層自上而下依次為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、全風(fēng)化安山巖、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強風(fēng)化安山巖、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,其中樁端持力層現(xiàn)場標準貫入試驗數(shù)據(jù)見表6。

        表6 現(xiàn)場標準貫入試驗數(shù)據(jù)

        該樁基工程預(yù)制混凝土管樁型號為PHC-500-AB-125-11a,采用有效樁長和貫入度雙控,并以貫入度為主。最后三陣每陣10 錘的貫入度不大于30mm。在現(xiàn)場共檢測管樁7 根,其中,有3 根樁的單樁豎向承載力特征值小于設(shè)計值,具體檢測數(shù)據(jù)如下。

        73#樁,加載至第9 級時,沉降量72mm,應(yīng)判定為第8級,單樁豎向極限承載力為4160kN,見圖8。

        圖8 第73#試驗樁沉降曲線

        98#樁,加載至第8 級時,沉降量80mm,應(yīng)判定為第7級,單樁豎向極限承載力為3640kN,見圖9。

        圖9 第98#試驗樁沉降曲線

        45#樁,加載至第9 級時,沉降量58mm,應(yīng)判定為第8級,單樁豎向極限承載力為4160kN,見圖10。

        圖10 第45#試驗樁沉降曲線

        該工程的單樁豎向承載力特征值為1820~2080kN。

        另一某樁基工程位于青島市李滄區(qū)滄安路與安順路交匯處。項目總建筑面積約11萬m3,地下一層局部4 層,有高層住宅、人才公寓、商業(yè)Loft、底商、綜合體等。預(yù)制混凝土持力層為第?1下層泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化下亞帶。磚紅至棕紅色,泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,主要礦物成分為砂屑和黏土礦物,巖芯呈塊狀至短柱狀,錘擊聲悶、易斷,具有浸水易軟化的特點。該層選取巖芯中部分硬塊進行點荷載試驗,并換算成飽和單軸抗壓強度,結(jié)果統(tǒng)計見表7。

        表7 試驗成果統(tǒng)計表

        根據(jù)巖芯性狀判定,該巖石屬軟巖—極軟巖,巖體極破碎,基本質(zhì)量等級V 級。該層地基承載力特征值fak=500kPa,變形模量E0=40MPa。該樁基工程預(yù)制混凝土管樁(PHC-500-AB-125-11a),采用樁長以貫入度控制為主,最后三陣每陣10 錘的貫入度不大于30mm。設(shè)計單樁豎向承載力特征值為1200kN。經(jīng)施工后,驗收合格。

        通過以上3個青島地區(qū)工程案例和黃凱[2]在青島泥巖持力層上嵌巖打入樁承載力研究與工程分析得出:在青島泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)條件進行預(yù)制樁(400mm×400mm低預(yù)應(yīng)力方樁或直徑500mm的預(yù)應(yīng)力管樁)施工,采取貫入度控制樁深時,單樁豎向承載力特征值一般取值范圍為900~2080kN,具體根據(jù)地質(zhì)條件、樁型號、樁長等因素考慮。若超過2080kN,需要格外引起重視。因為泥巖在同一場地的不同位置處,泥巖性質(zhì)在一定程度上會存在差異,且地下水的分布情況也并不完全相同,泥巖提供的承載力有所差別。若樁基設(shè)計時只根據(jù)某位置處的地層資料進行計算,而不考慮整個場區(qū)地層的實際情況,實際承載力會有較大差別。3根試樁的偶然性太大,在進行設(shè)計時,應(yīng)多增加試樁數(shù)量,并全面考慮,不能只從單一方面的因素進行判斷。

        8 結(jié)論

        (1)泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)條件下,青島地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土樁樁基工程經(jīng)常出現(xiàn)試樁承載力合格,施工完后,樁基驗收不合格,承載力普遍降低的現(xiàn)象。在此地質(zhì)條件下進行預(yù)應(yīng)力混凝土樁設(shè)計及施工,要格外引起重視。

        (2)青島地區(qū)樁端持力層為泥質(zhì)粉砂巖條件下,采取貫入度控制樁深時,預(yù)應(yīng)力混凝土樁(400mm×400mm低預(yù)應(yīng)力方樁或直徑500mm的預(yù)應(yīng)力管樁)單樁豎向承載力特征值一般取值范圍為900~2080kN,若設(shè)計值超過2080kN,需格外引起注意。

        (3)在預(yù)應(yīng)力混凝土樁樁基設(shè)計時,不能過分依靠試樁結(jié)果,應(yīng)充分考慮擠土效應(yīng)、泥巖軟化等因素,并建議增加試樁數(shù)量,設(shè)計時,留有一定的安全儲備。

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