劉 丹 周玉鳳

（1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101）

0 引言

靜載試驗作為目前最直接、最可靠的基樁承載力確定方法，因其造價高、工期長、實施難度大，多用于基樁工后檢測，在確定樁基設(shè)計參數(shù)時僅少數(shù)重要工程會采用工前試樁和靜載試驗，并將試樁資料作為驗證設(shè)計樁長可行性的支撐文件[1-3]。目前對于樁基樁側(cè)土層的側(cè)阻力、樁端土層的端阻力、深部土層的承載力的確定一般依據(jù)室內(nèi)土工試驗或通過標貫、動探試驗數(shù)據(jù)，通過查取《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）等規(guī)范并綜合地區(qū)經(jīng)驗獲取，均是間接取值方法。根據(jù)現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）、《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》（DBJ 11-501-2009，2016 年版）等，利用靜力觸探數(shù)據(jù)計算單樁豎向極限承載力標準值均針對預制樁，尚缺少針對鉆孔灌注樁的公式[4-8]。目前僅上海、天津兩個軟土地區(qū)在利用靜力觸探試驗數(shù)據(jù)計算鉆孔灌注樁承載力的公式方面有一定的研究，其他地區(qū)此項研究相對較少[9-11]。

北京地區(qū)在20 世紀80 年代以前對三環(huán)以內(nèi)、深度30 m 以上的地層進行了較多現(xiàn)場原位測試試驗，包括靜力觸探、旁壓試驗等，對該范圍內(nèi)地層的物理力學參數(shù)包括樁基參數(shù)積累了豐富的研究成果和經(jīng)驗，但對三環(huán)以外區(qū)域，尤其是對深部地層的研究較少。通常認為深部地層尤其是深部砂卵石層的樁基參數(shù)偏于保守，但因缺乏研究，該問題一直未得到有效解決。北京地區(qū)現(xiàn)有壓樁試驗成果表明，按地勘報告提供的地層參數(shù)設(shè)計的樁基，實際沉降變形絕大部分都較小，說明與樁基設(shè)計有關(guān)的地層參數(shù)有較大的優(yōu)化空間。但受制于費用、可實施性和工期等影響因素，勘察階段一般不進行壓樁試驗。為此，需研究可在勘察階段實施、費用經(jīng)濟、工期等方面均有較大優(yōu)勢的勘察手段來替代壓樁試驗，達到在勘察階段就能優(yōu)化樁基設(shè)計參數(shù)、準確確定樁基承載力的目的。深層靜力觸探儀的研制成功解決了常規(guī)靜力觸探不易穿透較厚砂層的難題，使得將靜力觸探應(yīng)用于深長鉆孔灌注樁單樁承載力估算成為可能[12]。

本文根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中混凝土預制樁和泥漿護壁鉆（沖）孔樁的土層阻力經(jīng)驗值間的相對關(guān)系，開展兩者極限側(cè)阻力標準值和極限端阻力標準值的對比分析，提出了適用于北京地區(qū)的利用靜探數(shù)據(jù)計算鉆孔灌注樁承載力的公式。工程實例表明，在深部砂層利用靜力觸探數(shù)據(jù)估算鉆孔灌注樁承載力較經(jīng)驗參數(shù)查表法有很大的優(yōu)勢。

1 鉆孔灌注樁承載力參數(shù)取值及承載力公式確定

1.1 靜力觸探法確定混凝土預制樁單樁極限承載力

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008），當根據(jù)雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值時，對于黏性土、粉土和砂土，如無當?shù)亟?jīng)驗時可按式（1）計算。

式中：fsi為第i層土的探頭平均側(cè)阻力，kPa；qc為樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面以上4d（d為樁的直徑或邊長）范圍內(nèi)按土層厚度的探頭在阻力加權(quán)平均值，再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力進行平均，kPa；α為樁端阻力修正系數(shù)，對于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2；βi為第i層土樁側(cè)阻力綜合正系數(shù)，黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.55，砂土：βi=5.05(fsi)-0.45。

1.2 鉆孔灌注樁承載力參數(shù)的分析確定

根據(jù)現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）、《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》（DBJ 11-501-2009，2016 年版）、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019），當根據(jù)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系確定單樁極限承載力標準值時，都是分別計算樁側(cè)阻力和樁端阻力后再疊加[13]，其計算公式如式（2）所示。

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標準值和總極限端阻力標準值；u為樁身周長；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值；li為樁周第i層厚度；qpk為極限端阻力標準值；Ap為樁端面積。

在對鉆孔灌注樁單樁極限承載力公式和參數(shù)的確定中，關(guān)鍵是分析確定鉆孔灌注樁與混凝土預制樁兩者側(cè)阻及端阻的差異及關(guān)系。鉆孔灌注樁通常為一種非擠土樁，而混凝土預制樁屬擠土樁，兩者的樁端受力機理不完全一樣，灌注樁與預制樁的樁端也有明顯的不同，所以，鉆孔灌注樁的樁端阻力修正系數(shù)不能與混凝土預制樁一樣取一個定值，需要通過建立鉆孔灌注樁與混凝土預制樁兩者之間的相互關(guān)系，提出適用于鉆孔灌注樁的修正系數(shù)計算公式[14-15]。

1.2.1 鉆孔灌注樁樁側(cè)阻力的分析確定

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008），若無當?shù)亟?jīng)驗時，土的極限側(cè)阻力標準值可按表1 取值。

表1 樁的極限側(cè)阻力標準值 qsik kPa

通過表1 和混凝土預制樁的樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)求取方法（黏性土、粉土：βi=10.04(fsi)-0.55；砂土：βi=5.05(fsi)-0.45），可以反推出與樁的極限側(cè)阻力標準值qsik（kPa）相對應(yīng)的靜力觸探探頭平均側(cè)阻力fsi，繪制出鉆孔灌注樁的數(shù)據(jù)散點圖，進而擬合成曲線（見圖1）。

圖1 鉆孔灌注樁樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)擬合曲線圖

根據(jù)擬合曲線圖得到的側(cè)阻力修正系數(shù)公式見表2。

表2 樁的極限側(cè)阻力計算公式表

北京地區(qū)黏性土、粉土樁側(cè)阻力主要依據(jù)室內(nèi)土工試驗獲取的含水率、稠度、孔隙比，對照規(guī)范相關(guān)表格查取而得；砂土的樁基側(cè)阻力系依據(jù)現(xiàn)場標貫擊數(shù)確定的密實度對照規(guī)范相關(guān)表格查取。北京地標中砂土標貫擊數(shù)通常較大，遠遠大于30，砂土力學性質(zhì)的確定應(yīng)依據(jù)桿長修正后的標貫值，但砂土桿長修正公式適宜的最大深度約21 m，北京地區(qū)橋梁樁基長度一般都大于21 m，故深部砂層的側(cè)阻力的取值也是缺乏依據(jù)的，利用靜力觸探可較好地解決此類問題。

1.2.2 鉆孔灌注樁樁端阻力的分析確定

與求取鉆孔灌注樁樁側(cè)阻力方法一樣，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）中灌注樁與預制樁的樁端阻力經(jīng)驗值的關(guān)系，繪制出鉆孔灌注樁的數(shù)據(jù)散點圖，進而擬合成曲線（見圖2），擬合得到鉆孔灌注樁端阻力修正系數(shù)公式見式（3）。這里僅對樁長＞30 m 樁端為細砂的樁端修正系數(shù)公式進行推導，其他不同土層和樁長推導方式與其一致，可根據(jù)工程具體樁端持力層計算。

圖2 鉆孔灌注樁樁端阻力綜合修正系數(shù)擬合曲線圖

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008），樁端阻力為直接給定值，北京地區(qū)有通過壓樁試驗獲取樁端阻力的研究性試驗，但采用靜力觸探試驗手段直接獲取的研究極少。本公式使得樁端阻力可通過靜力觸探手段根據(jù)具體地層給出有針對性的數(shù)值。

1.3 容許承載力計算公式中的應(yīng)用

進行單樁承載力設(shè)計時，通常采用極限承載力或容許承載力兩種方法。當采用極限承載力設(shè)計時，可直接將前文得到側(cè)阻力、端阻力修正系數(shù)代入式（1）和式（2）進行計算，當采用容許承載力設(shè)計時，可依據(jù)前文成果根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）的經(jīng)驗參數(shù)表對公式形式進行轉(zhuǎn)換。

另外，依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019），樁基的端阻力系依據(jù)樁端土層的承載力按公式計算而得。深部砂土層是北京地區(qū)常選用的樁端持力土層，用于計算樁端阻力的深部砂土層的承載力系根據(jù)標貫擊數(shù)對照規(guī)范表格獲取。北京地區(qū)公路工程中土層的承載力主要參照《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》（DBJ 11-501-2009，2016 年版）中的經(jīng)驗值，并適當參考《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）中的建議值，整體靠近北京地標。北京地標中砂土標貫擊數(shù)與承載力對照表中，砂土的標貫擊數(shù)最大約39（桿長修正后），砂土桿長修正最大深度約21 m，北京地區(qū)樁端持力層深度一般都大于21 m，深部砂層的標貫擊數(shù)通常都大于39，故北京地區(qū)樁基樁端持力砂土層的承載力建議值是缺乏依據(jù)的，仍需要進行研究。

2 工程實例分析

以北京某大型高架快速路為例，基于《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG 3363-2019）推導出中砂層的鉆孔灌注樁樁側(cè)阻力和樁端阻力，計算結(jié)果見表3、表4。

表3 某工程砂土（中砂）鉆孔灌注樁側(cè)阻力計算表

表4 某工程砂土（中砂）鉆孔灌注樁端阻力計算表

計算結(jié)果顯示，在北京地區(qū)深部砂層，采用本文提出的方法利用靜力觸探試驗數(shù)據(jù)計算的鉆孔灌注樁樁側(cè)阻力和樁端阻力較經(jīng)驗參數(shù)查表法有較大提高。

3 結(jié)論

（1）深層靜力觸探具有測試深度大、數(shù)據(jù)連續(xù)等優(yōu)點，可以用于估算城市高架快速路深長鉆孔灌注樁單樁承載力。

（2）根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范混凝土預制樁和泥漿護壁鉆（沖）孔樁的土層阻力經(jīng)驗值之間的相對關(guān)系，開展兩者極限側(cè)阻力標準值和極限端阻力標準值的對比分析工作，提出了適用于鉆孔灌注樁的修正系數(shù)計算公式。

（3）對于北京地區(qū)深部砂層，利用靜力觸探數(shù)據(jù)估算鉆孔灌注樁承載力較經(jīng)驗參數(shù)查表法數(shù)值有較大提高。

（4）本研究處于工程實例開展初期，尚未取得樁基靜載試驗成果，后續(xù)將根據(jù)實際樁基靜載數(shù)據(jù)對本文提出的計算公式開展相關(guān)驗證工作。