王 俊, 干 鋼, 沈 金, 魏結(jié)強, 孔華偉, 周禹杉

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，杭州 310028)

0 前言

勁性復(fù)合樁為散體樁、柔性樁、剛性樁經(jīng)復(fù)合施工形成的具有互補增強作用的樁［1］。勁性復(fù)合樁通過在水泥土攪拌樁內(nèi)植入預(yù)應(yīng)力管樁,其端阻力和側(cè)阻力可以通過水泥土攪拌樁和樁側(cè)土加強,能最大限度發(fā)揮地基土和樁身的復(fù)合作用。在剛性樁插入柔性樁的過程中,水泥土向外界土體擠擴與滲透,此時形成的樁土擠擴虛界面大于柔性樁與土的理論界面,擠擴虛界面的形成及大小是勁性復(fù)合樁承載力提高的內(nèi)在因素之一［2-3］,同時水泥加入土中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使得樁側(cè)土體性能顯著改善,土體的復(fù)合強度和承載能力均有較大提高。勁性復(fù)合樁內(nèi)芯樁強度高、剛度大,可用來承擔(dān)和傳遞荷載,同時外芯水泥土攪拌樁直徑大,提供的樁側(cè)摩阻力大,是軟土地基處理中經(jīng)濟有效、施工方便的樁型,在沿海地區(qū)應(yīng)用較為廣泛。目前國內(nèi)外已有不少學(xué)者對勁性復(fù)合樁的受力特性、破壞模式及荷載傳遞機理做了相關(guān)試驗和理論研究［4-8］。本文在前人研究基礎(chǔ)上,探討了勁性復(fù)合樁作為工程樁在實際工程應(yīng)用中的優(yōu)點,以供同類工程參考。

1 工程概況

某工程位于海南省三亞市崖州灣,由1棟10層框架結(jié)構(gòu)主樓(總結(jié)構(gòu)高度49.2m)和1棟4層框架結(jié)構(gòu)裙房(結(jié)構(gòu)高度15.6m)組成,主樓和裙房之間設(shè)置防震縫脫開(圖1)。設(shè)置1層滿鋪地下室,層高5.4m。

圖1 結(jié)構(gòu)計算模型

該工程抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g),場地類別為Ⅲ類,為丙類建筑。高層結(jié)構(gòu)框架抗震等級三級,多層結(jié)構(gòu)框架抗震等級四級,屋頂大跨度框架抗震等級三級。

2 柱底荷載分析

該工程主樓標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)尺寸為9m×9m,主要功能為實驗室,活荷載≥5kN/m2,荷載相對較大。裙房柱網(wǎng)尺寸有9m×9m、9m×7.2m、9m×6m、9m×4.8m,柱網(wǎng)尺寸差異較大。各區(qū)域控制組合(恒荷載+活荷載)下柱底反力見表1。

表1 各區(qū)域控制組合下柱底反力

3 地質(zhì)情況

該場地整體地勢起伏較大,所揭露的地層自上而下分為①雜填土、②粗砂、③中砂、④粗砂、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粗砂、⑦粉質(zhì)黏土7個土層。其中③中砂層所有鉆孔均有揭露,稍密～中密,飽和,夾有粗礫砂、粉砂等,局部夾有較多粉粘粒,均勻性較差,層厚在3.10～11.00m之間,標(biāo)貫級數(shù)為12～21擊,平均為15.67擊;②粗砂、④粗砂、⑥粗砂3個粗砂層層厚不一,其中④粗砂最厚處達到19m,最薄處為4.6m,標(biāo)貫級數(shù)最大達到24擊,平均為18.93擊;⑥粗砂最厚處達到10.5m,最薄處也有2.7m,標(biāo)貫級數(shù)最大達到30擊,平均為24.94擊。典型的工程地質(zhì)剖面圖見圖2,土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖/m

由于該場地淺部土層②粗砂、③中砂的工程力學(xué)性能一般,不能滿足天然地基淺基礎(chǔ)持力層的要求,故需要采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)工程地質(zhì)勘察提供的地質(zhì)參數(shù),結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的荷載特點,考慮到場地土層起伏變化較大,經(jīng)過綜合比較選用④粗砂、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粗砂、⑦粉質(zhì)黏土作為樁端聯(lián)合持力層。

4 樁基選型及對比

4.1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁及鉆孔灌注樁設(shè)計

勘察報告提供的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［9］和鉆孔灌注樁［9］參數(shù)見表3。預(yù)應(yīng)力管樁選用PHC500AB125樁型,以④粗砂為持力層計算,單樁承載力約1 200kN,此時單樁承載力較低,對柱底荷載大的高層建筑來說樁數(shù)偏多,布樁困難;為提高單樁承載力選定預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁長約37m計算時,單樁承載力約2 200kN,此時需要穿透④粗砂層,施工時需引孔。鉆孔灌注樁直徑800mm,樁長約37m,單樁承載力3 200kN。除主樓裙房交界處采用聯(lián)合承臺布樁外,其他區(qū)域均為柱下獨立承臺布樁方式。

表3 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和鉆孔灌注樁參數(shù)

4.2 勁性復(fù)合樁設(shè)計

勘察報告提供的勁性復(fù)合樁參數(shù)見表4。勁性復(fù)合樁構(gòu)造示意見圖3。本工程勁性復(fù)合樁采用等芯柔剛復(fù)合樁,選用M800+C500勁性復(fù)合樁,其中M800表示直徑800水泥土攪拌樁,C500表示預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC500AB125,其樁長約20m。

表4 勁性復(fù)合樁參數(shù)

圖3 勁性復(fù)合樁構(gòu)造示意

勁性復(fù)合樁單樁豎向抗壓承載力特征值Ra需取三種情況下的最小值,即Ra=min{內(nèi)外芯界面破壞時單樁抗壓承載力特征值,外芯與樁周土界面破壞時單樁抗壓承載力特征值,樁身強度控制的抗壓承載力特征值},以鉆孔ZK28位置為例,進行勁性復(fù)合樁單樁豎向抗壓承載力特征值計算。

(1)勁性復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于內(nèi)外芯界面時,單樁豎向抗壓承載力特征值Ra可按下式估算:

(1)

(2)勁性復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時,單樁堅向抗壓承載力特征值可按下式估算:

Ra=u∑ξsiqsiali+αξpqpaAp

(2)

式中:u為勁性復(fù)合樁復(fù)合段樁身周長,m;qsia為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第i土層側(cè)阻力特征值,kPa;li為勁性復(fù)合樁復(fù)合段第i土層厚度,m;qpa為勁性復(fù)合樁端阻力特征值,kPa;Ap為勁性復(fù)合樁樁身截面積,m2;α為勁性復(fù)合樁樁端天然地基土承載力修正系數(shù);ξsi、ξp分別為勁性復(fù)合樁復(fù)合段外芯第i土層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)、端阻力調(diào)整系數(shù)。

(3)根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁圖集》(10G409),PHC500AB125樁身抗壓強度設(shè)計值為3 701kN,其抗壓承載力特征值Ra=3 701/1.5=2 467kN。

綜上,勁性復(fù)合樁承載力特征值取為2 400kN。根據(jù)抗浮設(shè)計需要,取抗拔承載力Rt=400kN。

4.3 三種樁型對比分析

從經(jīng)濟性、工期和施工難度方面進行預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、勁性復(fù)合樁和鉆孔灌注樁三種樁型的對比分析,分析結(jié)果見表5。

表5 三種樁型對比分析

從表5中可以看出,勁性復(fù)合樁的總長度最小,經(jīng)濟性最高。采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁時,按照1臺機器作業(yè),15根/d,純打樁時間約31d,根據(jù)試樁結(jié)果,施工至設(shè)計樁長需引孔,因砂層較厚,引孔也可能導(dǎo)致孔壁塌陷,同時引孔后的管樁屬于部分擠土樁,在多樁承臺下,導(dǎo)致砂層擠密,仍然存在入土困難情況。采用鉆孔灌注樁時,按照2臺機器作業(yè),4根/d,純打樁時間75d,雖然鉆孔灌注樁為非擠土樁,入土容易,工藝成熟,質(zhì)量易保證,但砂層較厚,需選擇旋挖工藝,水下打樁需做泥漿護壁,因為場地較小無法支撐多臺機器共同作業(yè),施工速度較慢,并且成本較高,且對周邊環(huán)境有一定影響。采用勁性復(fù)合樁時,按照1臺機器作業(yè),15根/d,純打樁時間約31d,充分利用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與水泥土攪拌樁的共同作用可以節(jié)約材料;因勁性復(fù)合樁屬于非擠土樁,入土容易,施工速度較快,工藝較成熟,在保證施工質(zhì)量的情況下,成樁質(zhì)量易保證。綜合經(jīng)濟性、工期和施工技術(shù)分析,本工程最終選用勁性復(fù)合樁。

5 設(shè)計試樁

該工程原始場地標(biāo)高較高,要求在設(shè)計樁頂標(biāo)高基礎(chǔ)上加長6m至原始地面進行試樁,單樁豎向抗壓承載力靜載試驗值為6 800kN,試樁數(shù)量3根。圖4為3根勁性復(fù)合樁靜載試驗的荷載-沉降量(Q-s)曲線。

圖4 設(shè)計試樁荷載-沉降(Q-s)曲線圖

從圖4中可以看出,當(dāng)加載到試驗值6 800kN時,樁的最大沉降量為20.41mm;卸載后,沉降回彈率約為73%,且曲線仍表現(xiàn)為緩變型。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011),荷載-沉降曲線表現(xiàn)為緩變型時,單樁豎向抗壓極限承載力可取樁頂總沉降量s=40mm所對應(yīng)的荷載值,可見該工程勁性復(fù)合樁仍有一定承載潛力。

6 沉降分析

按照現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)［9］,對于樁中心距不大于6倍樁徑的樁基,可按實體深基礎(chǔ)模型,采用等效作用分層總和法計算樁基沉降［10］;并通過引入樁基等效沉降系數(shù)ψe,對分層總和法計算結(jié)果進行修正［9］。采用YJK軟件對基礎(chǔ)構(gòu)件劃分網(wǎng)格,整體有限元模型通過變形協(xié)調(diào)實現(xiàn)各基礎(chǔ)單元協(xié)同作用。計算方法選擇彈性地基梁法,地基梁內(nèi)力的大小受地基土彈簧剛度的影響,基床系數(shù)通過影響基底壓力分布來影響沉降結(jié)果,并進行迭代計算,保證地基和基礎(chǔ)變形協(xié)調(diào),按規(guī)范公式考慮沉降計算經(jīng)驗系數(shù),最終得出沉降計算值。

該工程底板位于③中砂,沉降計算時考慮承臺底地基土的作用及內(nèi)芯預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的影響,不考慮外芯水泥土攪拌樁的影響,計算結(jié)果見圖5。考慮外芯水泥土攪拌樁對樁周土層的有利影響時,按復(fù)合模量法［11］修正承臺下樁長范圍內(nèi)土層參數(shù),各復(fù)合土層的復(fù)合模量Espi可依據(jù)面積加權(quán)平均法按下式計算:

圖5 未考慮外芯水泥土攪拌樁影響計算的樁基三維沉降圖/mm

Espi=mEp+(1-m)Esi

(3)

式中:Ep為樁體壓縮模量,MPa;Esi為第i層樁間土壓縮模,MPa;m為面積置換率。

考慮外芯水泥土攪拌樁影響的沉降計算結(jié)果見圖6。

圖6 考慮外芯水泥土攪拌樁影響計算的樁基三維沉降圖/mm

分析結(jié)果(圖5、6)表明,未考慮外芯水泥土攪拌樁影響時計算的樁基最大沉降量為27.9mm,考慮外芯水泥土攪拌樁影響時計算的樁基最大沉降量為18.6mm;可見,外芯水泥土攪拌樁能較大地提高場地土層力學(xué)性能,且整體沉降特征表現(xiàn)為中間大、四周小,符合本項目特征。沉降值滿足不大于《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)第5.5.4條高層建筑的變形允許值200mm的要求。

截至該項目主體結(jié)構(gòu)及裝修施工完成,對主樓四角及中部共7個沉降觀測點最新7次的觀測結(jié)果進行統(tǒng)計分析,沉降結(jié)果見表6。由表6可見,最大沉降量8.9mm,最小沉降量6.0,平均沉降量7.84mm。對比表6和圖5、6可知,觀測的沉降量小于計算的沉降量。根據(jù)沉降計算結(jié)果和現(xiàn)階段實際觀測結(jié)果,該項目樁基的沉降能滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)的要求。

表6 各觀測點總沉降量和總沉降速率

7 施工控制要點

勁性復(fù)合樁采用“等芯樁”,即內(nèi)外芯樁底標(biāo)高一致,外芯采用水泥土攪拌樁,攪拌樁停灰面比樁頂設(shè)計標(biāo)高高0.5m,施工工藝選用高壓旋噴樁。

外芯水泥土攪拌樁施工過程中需要注意以下幾方面的內(nèi)容:

(1)外芯水泥土攪拌樁采用“濕法、四攪兩噴”工藝,其施工機具必須同時具備高壓旋噴與機械攪拌功能,并需根據(jù)地層條件選擇合適的鉆具,保障成樁工藝的可行性及成樁質(zhì)量。

(2)高壓旋噴鉆機的鉆桿施工前必須全部接好,在施工過程中不能出現(xiàn)停鉆接桿,不允許采用2～4m一節(jié)的鉆桿在施工過程中一節(jié)一節(jié)地接桿。單個孔位高壓旋噴成孔時間不能超過3h,必須選用優(yōu)質(zhì)的高壓旋噴設(shè)備,確保施工過程中不會出現(xiàn)堵管、堵氣現(xiàn)象。

(3)水泥土攪拌樁垂直偏差不得超過1%;樁位偏差不得大于50mm。

內(nèi)芯預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工過程中需要注意以下幾方面的內(nèi)容:

(1)采用的預(yù)制樁為先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,不做樁尖,在樁中間和樁頂設(shè)置圓薄鋼板處理,采用水泥漿灌頂。

(2)采取可靠措施保證管樁圓心與水泥土攪拌樁圓心同心,兩圓心偏差不得大于0.05d(d為管樁直徑),管樁外圍的水泥土攪拌樁最小壁厚不得小于150mm,且不得小于設(shè)計要求。管樁應(yīng)在水泥土初凝前植入外芯水泥土攪拌樁中。

8 結(jié)語

本文以實際工程為例,從承載力、經(jīng)濟性、施工措施等方面對比分析了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、鉆孔灌注樁、勁性復(fù)合樁三種樁型在實際應(yīng)用中的優(yōu)缺點。得出以下結(jié)論:

(1)勁性復(fù)合樁適用于海南省三亞地區(qū)砂性土層的高層建筑。

(2)勁性復(fù)合樁既有管樁施工工期快,施工質(zhì)量可控的優(yōu)點,又能通過水泥土攪拌樁加強其側(cè)阻力和端阻力,從而大幅度提高單樁承載力,有良好的經(jīng)濟性優(yōu)點。