單樁豎向極限承載力確定方法

肖 欣

(天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300181)

1 概述

估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值是詳細(xì)勘察階段的主要任務(wù)之一，也是甲、乙級勘察擬建物試樁設(shè)計的前提，作為未來工程樁樁基設(shè)計的依據(jù)，單樁承載力的估算必須客觀、準(zhǔn)確，避免產(chǎn)生浪費(fèi)。確定單樁承載力的常用方法有:1)原位試驗(yàn)法:是一種通過現(xiàn)場直接試驗(yàn)確定單樁承載力的方法，主要指樁基載荷試驗(yàn)法;2)理論公式法:是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)利用理論公式計算單樁承載力的方法;3)規(guī)范表格法:主要指運(yùn)用靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等現(xiàn)場測試指標(biāo)或野外鑒別指標(biāo)，通過查相關(guān)規(guī)范所列表格得到對應(yīng)地基土樁基設(shè)計參數(shù)，通過規(guī)范建議的經(jīng)驗(yàn)公式計算出單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。使用過程中應(yīng)注意規(guī)范不同(包括不同部門、不同行業(yè)、不同地區(qū)的規(guī)范規(guī)程)，其單樁承載力計算方法不會完全相同，應(yīng)用時需注意各自的使用邊界條件。因此，規(guī)范規(guī)定:根據(jù)建筑樁基設(shè)計等級一般選用單樁靜載試驗(yàn)、原位測試或者經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等方法分別或綜合確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

2 單樁極限承載力確定方法

2.1 理論公式法

通常是采用取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，做出密度、含水率、液限、塑限、壓縮指標(biāo)及剪切等土質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo)。對上述指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，得出一定范圍內(nèi)指標(biāo)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)值查表得出樁側(cè)土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk。

查出樁側(cè)土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值后根據(jù)如下公式計算出單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值:

其中，qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》有關(guān)表格取值;qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時，可按表《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》有關(guān)表格取值。

2.2 靜力觸探試驗(yàn)法

靜力觸探試驗(yàn)法估算單樁承載力具體原理是根據(jù)靜力觸探試驗(yàn)中的探頭與地基土的相互作用，近似于樁與土的相互作用，因此可以根據(jù)靜探測試出單橋的比貫入阻力或雙橋探頭中的錐尖阻力與側(cè)壁摩阻力估算單樁承載力。不能直接用靜探測得端阻與摩阻作為實(shí)際單樁的端阻力和摩阻力計算單樁承載力，而必須經(jīng)過一定程度的修正，這是因?yàn)殪o力觸探的探頭與土作用和實(shí)際樁體的工作性能差別較大。主要受尺寸效應(yīng)、材料性能、應(yīng)力特點(diǎn)等因素影響，因此需要對測試結(jié)果進(jìn)行修正。用靜力觸探試驗(yàn)法確定單樁承載力也是一種經(jīng)驗(yàn)估算，具體方法是:根據(jù)土層統(tǒng)計靜力觸探探頭側(cè)阻力平均值及樁端平面上、下探頭阻力加權(quán)平均值，用如下公式計算后得出預(yù)制樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。目前單橋使用較少，下面僅介紹雙橋靜力觸探試驗(yàn)法。

根據(jù)雙橋探頭靜力觸探結(jié)果確定混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，可按下式計算:

其中，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)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值，kPa，然后再和樁端平面以下1d范圍內(nèi)的探頭阻力進(jìn)行平均;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)阻力綜合修正系數(shù)，根據(jù)不同的土性，采用不同的公式進(jìn)行計算。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法

對粘性土、粉土或砂土進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，記錄貫入30 cm實(shí)際貫入擊數(shù)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)程查出地基土極限側(cè)阻力qsik及樁端土極限端阻力qpk，再根據(jù)如下公式計算預(yù)制樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值:

其中，qsis為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力，可根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，亦可按《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》附表取值;qps為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)范規(guī)程查表，亦可按《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》附表取值。

2.4 靜載荷試驗(yàn)法

該方法確定單樁極限承載力較為客觀、準(zhǔn)確，可直接作為施工圖設(shè)計依據(jù)。但是規(guī)范要求靜載荷試驗(yàn)法每個單體擬建物不少于3個檢測點(diǎn)。具體是:根據(jù)樁基檢測結(jié)果，計算出平均值，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，若極差小于平均值的30%，可直接采用平均值作為樁基設(shè)計依據(jù);若極差不小于測試結(jié)果平均值的30%，分析原因，并增加檢測根數(shù)，取最小值作為單樁承載力設(shè)計值。該方法周期較長、成本較高。

3 案例

3.1 工程概況

該項目位于天津市靜海區(qū)，擬建物為14棟11層洋房，框架結(jié)構(gòu)，地基基礎(chǔ)擬采用條形基礎(chǔ)，下面為預(yù)應(yīng)力管樁。

詳細(xì)勘察階段采用原狀取土試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及靜力觸探試驗(yàn)等多種方法進(jìn)行單樁極限承載力估算，估算結(jié)果作為樁基初步設(shè)計依據(jù)，并隨后進(jìn)行了場外試樁。

該項目樁基試樁設(shè)計為樁徑為300 mm，有效樁長22.0 m的預(yù)應(yīng)力管樁。

3.2 地層巖性特征及分布規(guī)律

根據(jù)本次勘察資料，該場地埋深30.0 m深度范圍內(nèi)，場地地層皆屬第四系松散堆積物，以人工填土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂為主。根據(jù)《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》，按其沉積年代、成因類型初步劃分為10個工程地質(zhì)層，現(xiàn)將各土層自上而下分述如表1所示。

表1 地層巖性特征及分布規(guī)律

3.3 地基土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計

對于各層土的一般物理力學(xué)指標(biāo)，當(dāng)子樣個數(shù)不小于6時，提供最大值、最小值、算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)值。統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。

表2 物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表(平均值)

3.4 單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算

1)樁基設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 樁基設(shè)計參數(shù)

2)單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。通過估算用理論公式法確定單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 345 kPa;靜力觸探法確定單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 433 kPa;標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法確定單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 371 kPa。3種方法確定單樁承載力平均值為1 383 kPa(特征值為692 kPa)，取該值作為樁基試樁設(shè)計值。

3.5 靜載荷試驗(yàn)法

施工前先進(jìn)行場外試樁4根，樁長為22.0 m，樁徑300 mm的預(yù)應(yīng)力管樁。通過現(xiàn)場試樁，4根試樁的單樁極限承載力分別為1 467 kPa，1 517 kPa，1 481 kPa，1 506 kPa，其平均值為 1 493 kPa，極差為50 kPa，50 kPa/1 493 kPa=0.033 5=3.35% ＜30%。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定取試樁平均值作為施工圖設(shè)計依據(jù)，即單樁豎向承載力特征值為747 kPa。

綜合分析，當(dāng)極差小于平均值的30%時，可選用3種方法估算單樁承載力平均值作為初步設(shè)計依據(jù)，當(dāng)極差大于平均值的30%時，可選用最小值作為初步設(shè)計依據(jù)。本項目擬采用單樁承載力740 kPa作為樁基工程樁設(shè)計值，這樣處理既安全科學(xué)，又經(jīng)濟(jì)合理。在不做樁基靜載荷試驗(yàn)時，用其他3種方法確定單樁承載力也可以滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論與建議

確定單樁豎向承載力的途徑和方法很多，目前理論方法總結(jié)為兩方面:一是按照樁體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確定單樁承載力，二是按地基對樁體的支撐力確定，取二者最小值作為樁基設(shè)計值。正常情況樁體強(qiáng)度易滿足結(jié)構(gòu)荷載要求，一般需要地基土對樁體支撐力滿足要求即可。而按地基對樁體的支持力確定樁承載力的方法包括現(xiàn)場試驗(yàn)方法、經(jīng)驗(yàn)公式方法、理論計算方法及經(jīng)驗(yàn)值方法等。實(shí)際施工圖設(shè)計中地基土對樁體承載能力應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況分析，且根據(jù)不同的行業(yè)要求及受力邊界條件分別確定?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》對單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的確定作了如下規(guī)定:1)一級建筑樁基應(yīng)采用現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，并結(jié)合靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入等原位測試方法綜合確定;2)二級建筑樁基應(yīng)根據(jù)靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等估算，并參照地質(zhì)條件相同的試樁資料，綜合確定，當(dāng)缺乏可參照的試樁資料或地質(zhì)條件復(fù)雜時，仍應(yīng)由現(xiàn)場靜載試驗(yàn)確定;3)對三級建筑樁基，如無原位測試資料時，可利用承載力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)估算。上述規(guī)定明確了靜載試驗(yàn)是確定單樁豎向承載力的第一標(biāo)準(zhǔn)，其他方法是靜載試驗(yàn)的補(bǔ)充。因此，在樁基設(shè)計時應(yīng)根據(jù)擬建物樁基設(shè)計等級及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)選用不同的方法進(jìn)行單樁承載力設(shè)計值計算。

［1］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］JGJ 72-2004，高層建筑巖土工程勘察規(guī)程［S］.