特殊地層條件對PHC管樁單樁豎向承載力的影響分析

牟曉成，劉倫芳，黨發(fā)寧

(西安理工大學(xué)，陜西 西安710048)

近年來，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(簡稱PHC管樁)因其相對于鉆孔灌注樁具有樁身質(zhì)量易控制、生產(chǎn)及施工工藝便捷、成本較低等優(yōu)點(diǎn)而在建筑工程地基處理中得到了廣泛的應(yīng)用[1－3]。但由于不同地區(qū)地層條件的差異，初步設(shè)計估算選擇的試樁參數(shù)經(jīng)試驗檢測其單樁豎向承載力特征值能否合理滿足設(shè)計要求，避免重復(fù)試樁延誤工期和造成浪費(fèi)[4]，就需要在設(shè)計時重點(diǎn)考慮地層條件是否存在特殊性。如松散填土、欠固結(jié)土、液化土及流塑狀土等特殊地層會使PHC管樁樁側(cè)阻力降低，更有自重濕陷性黃土等特殊地層還會產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力[5]，這些都會使得PHC管樁的實際承載力低于估算承載力，需要通過增加樁的入土長度或增大樁徑來提高樁的承載力[6－8]。若初步設(shè)計未考慮特殊地層影響而估算的試樁參數(shù)，經(jīng)試驗檢測與設(shè)計要求相差過大時，就需要調(diào)整參數(shù)重新進(jìn)行試樁。本文以西安東郊某工程為例，分析了處于中密流塑狀土層對PHC管樁豎向承載力的降低影響，對同類工程的設(shè)計及施工有一定的參考作用。

1 特殊地層條件下PHC管樁的設(shè)計理論

單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過單樁豎向靜載荷試驗確定，在初步設(shè)計時可按下式進(jìn)行估算[9]:

式中:Ra為單樁豎向承載力特征值(kN);Ap為樁底端橫截面面積(m2);qpa，qsia分別為樁端阻力特征值、樁側(cè)阻力特征值(kPa)，由當(dāng)?shù)仂o載荷試驗結(jié)果統(tǒng)計分析算得;up為樁身周邊長度(m);li為第i層巖土的厚度(m)。

其中，在軟土或濕陷性黃土地區(qū)，對于摩擦型基樁穿越特殊地層進(jìn)入相對較硬土層時，其對單樁豎向承載力的影響通?？砂慈N情況考慮:一是當(dāng)樁周軟土在自重濕陷、樁側(cè)堆載或降水等情況下產(chǎn)生的下拉荷載使得樁周土的沉降大于基樁的沉降時，需要視具體情況分析考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力對基樁的影響[5，10];二是當(dāng)樁周填土或軟弱土層較厚，力學(xué)性質(zhì)很差，除自重外無其它下拉荷載作用，樁周土層沉降很小且小于基樁的沉降時，可取樁身相應(yīng)土層側(cè)阻力為零;三是樁周存在填土或軟弱土層，力學(xué)性質(zhì)較差，除自重外無其它下拉荷載作用時，可視具體情況對樁身相應(yīng)側(cè)阻力取一定的折減系數(shù)[11]。

2 工程實例

2.1 勘察資料

2.1.1 工程背景與場地條件

擬建工程位于西安東郊興慶湖周邊，六層框架結(jié)構(gòu)，總高度23.95 m，場地地面標(biāo)高介于415.63 m～416.73 m 之間，設(shè)計 ±0.000 標(biāo)高為 417.00 m，基底壓力標(biāo)準(zhǔn)組合220 kPa，基礎(chǔ)埋深3.00 m。地層結(jié)構(gòu)自上而下分層描述如下:

填土①Q(mào)ml4:由雜填土①1及素填土①2組成。雜填土①1以建筑垃圾為主，層厚0.60 m～1.10 m;素填土①2主要成分為粉質(zhì)粘土，褐黃色為主，含少量建筑垃圾，具濕陷性，層厚1.00 m ～5.00 m，層底深度 1.10 m ～5.00 m。

黃土(粉質(zhì)粘土)②Qeol3:褐黃 ～黃褐色，可塑，稍密，濕。層頂局部呈塊狀結(jié)構(gòu)，具濕陷性，屬高壓縮性土。層厚0.90 m ～2.20 m，層底深度2.90 m ～3.50 m。

黃土(粉質(zhì)粘土)③Qeol3:褐黃 ～黃褐色，流塑，中密，很濕～飽和。土質(zhì)均勻，偶見蝸牛殼及鈣質(zhì)結(jié)核，屬中偏高壓縮性土。層厚6.60 m～9.00 m，層底深度 10.90 m ～12.00 m。

古土壤(粉質(zhì)粘土)④Qel3:褐紅色，可塑，密實，飽和。塊狀結(jié)構(gòu)，含白色鈣質(zhì)條紋及少量鈣質(zhì)結(jié)核，底部鈣質(zhì)結(jié)核富集成層、厚20 cm～30 cm，屬中壓縮性土。層厚3.90 m ～4.40 m，層底深度15.00 m ～16.30 m。

黃土(粉質(zhì)粘土)⑤Qeol2:褐黃～黃褐色，軟～可塑，密實，飽和。土質(zhì)均勻，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，偶見蝸牛殼，屬中壓縮性土。層厚7.70 m～8.4 m，層底深度 23.00 m ～24.00 m。

古土壤(粉質(zhì)粘土)⑥Qel2:褐黃～黃褐色，硬塑，密實，飽和。土質(zhì)均勻，含鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及鈣質(zhì)結(jié)核，偶見蝸牛殼，底部鈣質(zhì)結(jié)核富集成層、厚約20 cm，屬中壓縮性土。層厚2.90 m～3.50 m，層底深度26.40 m ～27.00 m。

粉質(zhì)粘土⑦Qal2:黃褐 ～灰黃色，硬塑，密實，飽和。土質(zhì)均勻，含鈣質(zhì)結(jié)核及少量鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，偶見蝸牛殼，屬中壓縮性土?？辈煳唇掖┰搶?，最深鉆至30.20 m，最大揭露厚度3.80 m。

場地地下水屬潛水類型，由于受到興慶湖水的影響，地下水位埋深3.70 m ～4.65 m，相應(yīng)高程介于411.95 m～412.16 m之間，各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.1.2 巖土工程評價

根據(jù)土工試驗結(jié)果，判定場地濕陷等級為Ⅰ級(輕微)[12]，經(jīng)分析，擬建建筑不宜采用天然地基或墊層法處理，建議采用灌注樁或PHC管樁方案，可優(yōu)先采用PHC管樁方案。結(jié)合原位測試及本地經(jīng)驗，確定各層地基土PHC管樁側(cè)阻力特征值qsia及樁端端阻力特征值qpa按表2采用。

表2 PHC管樁側(cè)阻力及端阻力建議值

2.1.3 地基處理方案分析

擬建建筑基底壓力220 kPa，基底標(biāo)高414.00 m，根據(jù)該場地土層分布，由表2值計算的不同樁長、不同樁徑的PHC管樁單樁豎向承載力特征值估算及建議如表3所示。

2.2 試樁參數(shù)與檢測結(jié)果

初設(shè)據(jù)此選定4組參數(shù)為PHC－AB500(125)－22a的試樁，其中樁型為管樁，樁徑500 mm，壁厚125 mm，有效樁長L=22 m，帶樁尖，樁頂埋深為 －2.45 m(標(biāo)高為 414.55 m)，混凝土強(qiáng)度等級為C80，設(shè)計單樁豎向抗壓極限承載力值為2 400 kN(特征值為1 200 kN)，通過試驗檢測以確定地基土在天然狀態(tài)下的單樁豎向抗壓極限承載力值是否滿足2 400 kN的設(shè)計要求。

施工機(jī)具選用ZYJ680T靜力壓樁機(jī)，施工流程為:對點(diǎn)→壓樁。待固結(jié)期滿，按規(guī)范要求進(jìn)行檢測，其單樁豎向抗壓靜載荷試驗沉降量匯總見表4，荷載(Q)－沉降(s)曲線見圖1。

據(jù)試驗結(jié)果可以看出，四組試樁在加載未達(dá)到設(shè)計要求之前均呈沉降破壞，其單樁豎向抗壓承載力極限值之一為1 680 kN，另三組均為1 440 kN，平均值為1 500 kN，未達(dá)到設(shè)計要求。

2.3 初步設(shè)計存在的問題分析

從以上所選試樁參數(shù)及檢測結(jié)果看，實際承載力極限值1 500 kN比設(shè)計所需達(dá)到的2 400 kN相差甚遠(yuǎn)，從勘察資料不難看出，第①層填土和第②層黃土(粉質(zhì)粘土)的力學(xué)性質(zhì)很差，但這兩層的厚度較小，且處于基底以上，對樁基的承載力影響很小，可忽略不計;第④層及以下土層分別為古土壤(粉質(zhì)粘土)、黃土(粉質(zhì)粘土)、古土壤(粉質(zhì)粘土)Q2el和粉質(zhì)粘土 Q2al，均處于密實狀態(tài)，均屬中壓縮性土，含白色鈣質(zhì)條紋及少量鈣質(zhì)結(jié)核，底部鈣質(zhì)結(jié)核富集成層，對樁的側(cè)摩阻力貢獻(xiàn)較大[13]。因此，主要問題應(yīng)出在第③層黃土(粉質(zhì)粘土上，該土層存在四大不利影響因素，第一，密實狀態(tài)為中密，密度低;第二，屬中偏高壓縮性土，可壓縮性大;第三，層厚 6.60 m ～9.00 m，層厚大，影響大;第四，因其受興慶湖水影響，地下水位較淺，呈流塑狀，這種流塑狀土層的力學(xué)性質(zhì)很差，承載力極低[14]。

表4 初設(shè)單樁豎向抗壓靜載荷試驗沉降量匯總表

圖1 S1、S2、S3、S4的荷載(Q)－沉降(s)曲線

由于該場地濕陷等級為Ⅰ級(輕微)，且不存在樁側(cè)堆載或降水等產(chǎn)生的下拉荷載作用，根據(jù)文章第1節(jié)分析知該流塑狀土層屬于其所述的第二種情況，因此，在進(jìn)行單樁豎向承載力特征值估算時，可取樁身相應(yīng)土層側(cè)阻力為零進(jìn)行估算。由于第③層黃土的厚度為6.60 m～9.00 m，在其它參數(shù)不變的情況下，樁長應(yīng)至少增加7.00 m進(jìn)行核算。根據(jù)式(1)估算如表5。

表5 單樁豎向承載力特征值Ra估算表

根據(jù)估算表5可知，如將古土壤⑥作為樁端持力層、樁長24.9 m估算出的單樁豎向承載力特征值1 013.64 kN不能滿足設(shè)計要求;而將粉質(zhì)粘土⑦作為樁端持力層、樁長29 m估算出的單樁豎向承載力特征值1 317.27 kN能夠滿足設(shè)計要求。

2.4 調(diào)整后的試樁及檢測

調(diào)整后的試樁參數(shù)為 PHC－AB500(125)－29a，有效樁長L=29 m，樁型及其它參數(shù)不變。按規(guī)范要求進(jìn)行試樁施工、固結(jié)，做單樁豎向抗壓靜載荷試驗及基樁低應(yīng)變動力檢測試驗。根據(jù)試驗結(jié)果判定，在天然狀態(tài)下，當(dāng)樁徑500 mm、樁長29 m、帶樁尖，樁頂標(biāo)高為 －2.45 m(標(biāo)高為 414.55 m)時，單樁豎向抗壓極限承載力值為2 640 kN，滿足單樁豎向抗壓極限承載力值2 400 kN(特征值1 200 kN)的設(shè)計要求。調(diào)整后的單樁豎向抗壓靜載荷試驗沉降量匯總見表6，荷載(Q)－沉降(s)曲線見圖2?；鶚兜蛻?yīng)變動力檢測出的樁身波傳播平均速度一般為4 028 m/s～4 394 m/s，平均值為4 185 m/s，為Ⅰ類樁[15]，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

表6 調(diào)整后單樁豎向抗壓靜載荷試驗沉降量匯總表

圖2 S5、S6、S7、S8的荷載(Q)－沉降(s)曲線

3 結(jié)語

通過對該工程PHC管樁試樁參數(shù)的估算和試驗研究可知，在特殊地層諸如雜填土、自重濕陷性黃土、液化土及流塑狀土層條件下，在進(jìn)行單樁豎向承載力估算時，應(yīng)當(dāng)按照樁側(cè)土的性質(zhì)及受力不同，分析是否需要考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響，或依據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗考慮是否需要對樁側(cè)阻力進(jìn)行適當(dāng)折減，尤其對于流塑狀土或淤泥質(zhì)土層通?？扇渡硐鄳?yīng)土層側(cè)阻力為零進(jìn)行估算，確保選擇的試樁參數(shù)合理滿足設(shè)計要求，避免重復(fù)試樁影響工期和造成浪費(fèi)。

[1]王戍平.深厚軟土中PHC長樁的時效性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2003，25(2):239-241.

[2]陶燕春.PHC管樁施工常見問題的分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003，(9):80-81.

[3]任文峰，王星華，陳劍華.軟土地區(qū)PHC管樁承載力試驗研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2012，10(1):60-63，87.

[4]李 晉，謝永利，馮忠居.自重濕陷性黃土地區(qū)合理樁長初探[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(9):1629-1634.

[5]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ94－2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[6]張齊興，沈小金，儲呈冬.樁身尺寸對超長摩擦樁承載性狀的影響[J].水電能源科學(xué)，2008，26(2):122-125.

[7]熊巨華，蔣益平，楊 敏.自平衡試樁結(jié)果的解析轉(zhuǎn)換法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，35(2):161-165.

[8]陶茂之，韓云喬.高層建筑剛性樁復(fù)合地基的設(shè)計與研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，1998，(5):38-42.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50007－2011.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[10]唐 漾.單樁負(fù)摩阻力形成機(jī)理分析及單樁豎向承載力計算[D].湘潭:湘潭大學(xué)，2013.

[11]趙洪波.軟土地層中影響樁基承載力的特殊因素分析[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2006，(3):11-12.

[12]陜西省計劃委員會.GB50025－2004.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[13]許旭堂，吳能森，崔廣強(qiáng)，等.PHC管樁極限承載力影響因素敏感性分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，29(2):29-32.

[14]周續(xù)業(yè)，何 沖，胡 濤，等.隱伏巖溶地區(qū)攪拌樁施工的異常與處理[J].西部探礦工程，2005，(2):141.

[15]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ106－2003.建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.