沉管灌注樁豎向承載力研究

牛國(guó)生，王斐慶，劉 興

(北京振沖工程股份有限公司，北京 100102)

沉管灌注樁豎向承載力研究

牛國(guó)生，王斐慶，劉 興

(北京振沖工程股份有限公司，北京 100102)

以駐馬店市政府搬遷區(qū)某小區(qū)的一棟民用住宅樓基礎(chǔ)沉管灌注樁試樁的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果為依托，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)確定單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值以及承載力特征值，對(duì)比當(dāng)前《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94－2008)的計(jì)算值，提出了適合于駐馬店地區(qū)沉管灌注樁設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式。該方法在保障安全、經(jīng)濟(jì)、適用的基礎(chǔ)上可節(jié)約大量材料，同時(shí)也可為其他地區(qū)樁基設(shè)計(jì)提供合理的參考經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

沉管灌注樁;靜載試驗(yàn);單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

0 引言

靜壓沉管灌注樁由于具有造價(jià)低、工期短、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。沉管灌注樁屬于擠土灌注樁，樁尖在豎向作用力下對(duì)四周的土體進(jìn)行擠壓，改變土體的結(jié)構(gòu)排列，使周?chē)翆訑D密，樁管由此迅速沉入土中，形成樁孔，然后放入鋼筋籠，澆注樁身混凝土，拔出鋼管形成所需的灌注樁。與此同時(shí)，靜壓沉管灌注樁受地質(zhì)條件限制，出現(xiàn)斷樁、縮徑等問(wèn)題［1］卻日益突出，這就要求地區(qū)應(yīng)用推廣前，必須檢測(cè)基樁豎向抗壓承載力，為工程質(zhì)量控制提供可靠的、準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

沉管灌注樁具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低，無(wú)泥漿污染;施工速度快、工期短，隨地質(zhì)條件變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是:由于樁管直徑的限制，影響單樁承載力，承載力偏差較大，施工方法和施工工藝不當(dāng)，將會(huì)造成縮頸、斷層、斷樁、夾泥和吊腳等質(zhì)量問(wèn)題，遇淤泥層時(shí)處理較難，在N＞30擊的砂層沉樁困難。本次載荷試驗(yàn)就是對(duì)上述缺點(diǎn)具有針對(duì)性的解決。

就目前而言，還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)計(jì)算沉管灌注樁單樁極限承載力的公式，現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94－2008)提出的單樁極限承載力計(jì)算公式結(jié)果往往偏低，有時(shí)甚至比實(shí)際承載力小1倍，從而造成設(shè)計(jì)偏于保守，這會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)［2］。通過(guò)對(duì)靜壓沉管灌注樁荷載作用下的荷載傳遞性狀進(jìn)行研究，利用JCQ－503A型靜載荷測(cè)試儀觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)分級(jí)荷載下樁身沉降確定單樁極限承載力;利用顆粒流軟件PFC2D，在不考慮土體應(yīng)力歷史條件下，計(jì)算單樁靜載試驗(yàn)分級(jí)荷載作用下樁身沉降，進(jìn)而得到樁模型單樁承載力數(shù)值解;利用現(xiàn)行計(jì)算單樁承載力的規(guī)范計(jì)算公式計(jì)算分級(jí)荷載作用下單樁沉降量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析對(duì)比試驗(yàn)值和數(shù)值解以及規(guī)范計(jì)算值，進(jìn)而提出了適合于該地區(qū)的靜壓沉管灌注樁單樁承載力計(jì)算公式，也可為工程質(zhì)量控制提供準(zhǔn)確、可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，確保工程質(zhì)量。

1 單樁豎向靜載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定單樁豎向荷載作用下的荷載及變形特征。荷載作用于樁頂，樁將產(chǎn)生位移(沉降)，可得到每根試樁的Q－s曲線(xiàn)，它是樁破壞機(jī)理和破壞模式的宏觀反映。此外，靜載荷試驗(yàn)過(guò)程中還可獲得每級(jí)荷載下樁頂沉降隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，也有助于對(duì)試驗(yàn)成果的分析。故以此靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果來(lái)校核駐馬店市政府搬遷區(qū)某小區(qū)民用住宅樓基樁承載力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.2 試樁及地層情況

本次靜載荷試驗(yàn)的試樁數(shù)量為3根。因場(chǎng)區(qū)淺層地基土層較軟，住宅樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用沉管灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度C25，總樁數(shù)261根，試樁樁位及試樁擬建場(chǎng)地地層參數(shù)分別見(jiàn)圖1、表1。

圖1 靜載荷試驗(yàn)樁位示意圖

表1 場(chǎng)區(qū)的工程土體參數(shù)

1.3 試樁制備及試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

沉管灌注樁的試樁，先鑿掉樁頂部的破碎層和軟弱混凝土，樁頭頂面進(jìn)行整平，使樁頭中軸線(xiàn)與樁身上部的中軸線(xiàn)重合，樁頭主筋全部直通至樁頂混凝土保護(hù)層下，各主筋在同一高度上。距樁頂1.5倍樁徑范圍內(nèi)設(shè)置箍筋，箍筋間距為100 mm，樁頂設(shè)置鋼筋網(wǎng)片3層，間距100 mm，樁頭混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，與樁頂混凝土澆成整體，樁頂面用砂漿抹平。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及原理

基樁靜載試驗(yàn)是通過(guò)反力裝置對(duì)試驗(yàn)樁施加豎向荷載，通過(guò)測(cè)定特定荷載作用下樁的沉降量，分析獲得所需要的有關(guān)樁的目的參數(shù)。反力裝置采用錨樁主次梁法，加載通過(guò)千斤頂完成。沉降通過(guò)安裝在樁頂?shù)奈灰朴?jì)(圖2)和安裝在地面上的穩(wěn)定支架完成。荷載測(cè)量采用并聯(lián)于千斤頂油路的壓力表測(cè)定油壓，根據(jù)千斤頂率定曲線(xiàn)換算出荷載。當(dāng)樁在荷載作用下，樁身連同樁頭上位移計(jì)產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)，安裝在地面上的穩(wěn)定支架固定不動(dòng)且阻止了應(yīng)變計(jì)的運(yùn)動(dòng)，這樣使得應(yīng)變計(jì)的滑動(dòng)桿產(chǎn)生壓縮，準(zhǔn)確測(cè)定樁的沉降量。試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)樁的極限荷載選擇，主要包括:錨樁、反力裝置、儀表、加荷及觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)設(shè)備(圖3)、基準(zhǔn)裝置。

圖2 位移計(jì)的安裝

圖3 JCQ－503A型靜載荷測(cè)試儀

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

1.5.1 加載卸載方法

加載采用慢速維持荷載法，即逐級(jí)加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，再加下一級(jí)荷載，直至試驗(yàn)破壞，然后按每級(jí)加載量的2倍卸載到零。

慢速維持荷載法實(shí)驗(yàn)步驟遵守下列規(guī)定操作:

(1)每級(jí)荷載施加后按第5、15、30、45、60 min測(cè)讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測(cè)讀一次。

(2)試樁沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):每1 h內(nèi)的樁頂沉降量≯0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次(從每級(jí)荷載施加后第30 min開(kāi)始，由3次或3次以上每30 min的沉降觀測(cè)值計(jì)算)。

(3)當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，再施加下一級(jí)荷載。

(4)卸載時(shí)，每級(jí)荷載維持1 h，按第5、15、30、60 min測(cè)讀樁頂沉降量;卸載至零后，應(yīng)測(cè)讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為3 h，測(cè)讀時(shí)間為5、15、30 min，以后每隔30 min測(cè)讀一次。

1.5.2 靜載荷試驗(yàn)終止加載的條件

為了便于應(yīng)用，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，即可終止加載:

(1)某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍(當(dāng)沉降能相對(duì)穩(wěn)定且總沉降量＜40 mm時(shí)，宜加載至總沉降量＞40 mm)。

(2)某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

(3)當(dāng)荷載－沉降曲線(xiàn)呈緩變型時(shí)，可加載至樁頂總沉降量＞60 mm。

(4)總加載量已達(dá)到最大加載量900 kN。

本次靜載荷試驗(yàn)3組試驗(yàn)均按900 kN分10級(jí)，每級(jí)加載值為90 kN，第一次加載值為180 kN。當(dāng)每級(jí)荷載作用下達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后可加下一級(jí)荷載。每級(jí)荷載施加后至少維持1 h。

1.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與判定

本次靜載荷試驗(yàn)對(duì)各種試驗(yàn)曲線(xiàn)形態(tài)進(jìn)行描述分析，必要時(shí)借助輔助解釋曲線(xiàn)對(duì)曲線(xiàn)特征進(jìn)行證明，主要靜載荷試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)能夠通過(guò)多項(xiàng)參數(shù)獲得一致性結(jié)論。當(dāng)出現(xiàn)主要靜載荷試驗(yàn)結(jié)果多參數(shù)出現(xiàn)大差異性結(jié)論時(shí)，應(yīng)分析原因，剔除錯(cuò)誤的靜載荷數(shù)據(jù)重新進(jìn)行分析判斷。

每組靜載荷試驗(yàn)的原始記錄經(jīng)整理后形成單樁豎向靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制匯總表(表2～4)。每組靜載荷試驗(yàn)的原始記錄經(jīng)整理后繪制單樁豎向靜載荷試驗(yàn)曲線(xiàn)圖(圖4～6)。

表2 145號(hào)樁單樁豎向靜載荷試驗(yàn)匯總表

(1)單樁豎向抗壓極限承載力Qu的判定:145、127、114號(hào)樁靜載荷試驗(yàn)成果曲線(xiàn)均屬于緩變型Q－s曲線(xiàn)，最大荷載值900 kN穩(wěn)定沉降量未超出規(guī)范允許范圍。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范(JGJ 106－2003)》第4.4.2條注記中的規(guī)定，3組靜載荷試驗(yàn)的單樁豎向抗壓極限承載力值均為900 kN。

圖4 145號(hào)樁單樁豎向靜載荷試驗(yàn)荷載位移

表3 127號(hào)樁單樁豎向靜載荷試驗(yàn)匯總表

圖5 127號(hào)樁單樁豎向靜載荷試驗(yàn)荷載位移

表4 114號(hào)樁單樁豎向靜載荷試驗(yàn)匯總表

(2)單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值的確定:本工程3組試驗(yàn)的值差不超過(guò)平均值的30%，根據(jù)規(guī)范JGJ 106－2003第4.4.3條第1款的規(guī)定，本試驗(yàn)單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值為900 kN。

圖6 114號(hào)樁單樁豎向靜載荷試驗(yàn)荷載位移

(3)單樁豎向抗壓極限承載力特征值Ra的確定:根據(jù)規(guī)范JGJ 106－2003第4.4.4條的規(guī)定確定本試驗(yàn)單樁豎向抗壓承載力特征值為900/2=450 kN(同一條件)。

2 沉管灌注樁單樁豎向承載力設(shè)計(jì)公式的確定

沉管灌注樁的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)樁頂荷載情況以及需要處理的地質(zhì)條件，因此在設(shè)計(jì)之前，必須熟悉上部建筑荷載情況以及對(duì)樁的要求，仔細(xì)分析承受樁的工程地質(zhì)情況參數(shù)。沉管灌注樁適用于一般粘性土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、稍密及松散的砂土及填土等復(fù)雜地層，不受持力層起伏和地下水位高低的限制。多年的實(shí)踐證明，應(yīng)用于軟土地基處理具有較好的效果。駐馬店地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以軟土為主，因此沉管灌注樁在該地區(qū)具有良好的推廣前景。在該地區(qū)推廣前進(jìn)行試樁試驗(yàn)以確定沉管灌注樁在該地區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)，由于規(guī)范JGJ 106－2003規(guī)定了混凝土預(yù)制樁、泥漿護(hù)壁鉆(沖)孔樁、干作業(yè)鉆孔樁所對(duì)應(yīng)土體極限側(cè)限力、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，而沉管灌注樁施工工藝特點(diǎn)介于混凝土預(yù)制樁和泥漿護(hù)壁鉆(沖)孔樁之間，故而具體沉管灌注樁基設(shè)計(jì)參數(shù)可取兩者平均值(表5)，其中持力層為第⑦層。

表5 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)該地區(qū)預(yù)制樁沉樁經(jīng)驗(yàn)，不存在樁周土層產(chǎn)生的沉降超過(guò)基樁的沉降，故而不需計(jì)入樁側(cè)負(fù)摩阻力，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式:

式中:Quk——單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;Qsk——單樁總極限側(cè)阻力;Qpk——單樁總極限端阻力; qsik——第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qpk——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;Li——樁穿過(guò)第 i層土的厚度; Ap——樁端橫截面面積，Ap=3.14×0.25×0.25; u——樁身周長(zhǎng)，u=3.14×0.5。

由于第①層為耕填土，且厚度僅為0.50～1.10 m，樁頂承臺(tái)開(kāi)挖澆筑時(shí)需挖除，故而設(shè)計(jì)的時(shí)候不考慮第①層的側(cè)阻力作用，則:

根據(jù)規(guī)范JGJ 106－2003第4.4.4條規(guī)定，按規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算的單樁豎向抗壓承載力特征值為:

式中:R——單樁豎向抗壓承載力特征值;ηs——樁側(cè)阻抗力分項(xiàng)系數(shù);ηp——樁端阻抗力分項(xiàng)系數(shù)。

按規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算的單樁豎向承載力特征值小于現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果約13.8%，小于靜載荷試驗(yàn)數(shù)值所計(jì)算結(jié)果約10.04%，顯然這會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)，造成經(jīng)濟(jì)損失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可對(duì)現(xiàn)行規(guī)范提出的單樁承載力設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行修正，得到一個(gè)適合于駐馬店地區(qū)的計(jì)算沉管灌注樁單樁豎向承載力特征值、單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值公式:

其中β為修正系數(shù):按現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果修正，β=1.14;按數(shù)值靜載試驗(yàn)結(jié)果修正，β=1.10;通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析比較，建議修正系數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果修正。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)成果，確定了駐馬店地區(qū)沉管灌注樁的單樁豎向極限承載力，對(duì)比根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)值，提出了適合于駐馬店地區(qū)沉管灌注樁經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式。

該方法在保障安全的基礎(chǔ)上可節(jié)約大量材料，降低工程造價(jià)，節(jié)約投資，同時(shí)為其他地區(qū)以軟土為主的地質(zhì)條件的沉管灌注樁樁基設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］陳英，楊德才.沉管灌注樁施工常見(jiàn)問(wèn)題及處理措施［J］.西部探礦工程，2007，(6).

［2］王春盛.PHC管樁單樁豎向承載力試驗(yàn)研究［J］.巖土工程界，2005，8(12).

［3］楊克己，等.實(shí)用樁基工程［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］JGJ 94－2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］張忠苗.樁基工程學(xué)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［6］林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［7］JGJ 106－2003，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

Study on Vertical Bearing Capacity of Driven Grouting Pile

NIU Guo-sheng，WANG Fei-qing，LIU Xing(Beijing Vibroflotation Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China)

Relying on the data of static load test on test pile in the foundation of a residensial building of Zhumadian and by the field data of static load test，the standard value of ultimate bearing capacity of single pile and the characteristic value of bearing capacity were determined.Comparing to the calculated value in Technical Code for Building Pile Foundations(JGJ 94－2008)，empirical formula proper to the driven grouting pile design in Zhumadian area was put forward，which could ensure safe and economic construction with production materials saving，and could be the reference to other pile foundation design.

driven grouting pile;static load test;standard value of ultimate bearing capacity of single pile

TU473.1

A

1672－7428(2012)03－0065－04

2011－10－25;

2012－01－05

牛國(guó)生(1979－)，男(漢族)，河南人，北京振沖工程股份有限公司工程師，巖土工程專(zhuān)業(yè)，從事基礎(chǔ)工程施工技術(shù)工作，北京市朝陽(yáng)區(qū)望京西園221號(hào)博泰大廈12層，niuguosheng762@sohu.com。