載體樁復(fù)合地基豎向承載性能試驗(yàn)研究

曹 海，葉恭寶，邵忠心

(1.黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽黃山245041;2.合肥工大地基工程有限公司，安徽合肥230009)

載體樁是在夯擊式沉管擴(kuò)底樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新樁型［1－3］，國內(nèi)對載體樁單樁的設(shè)計(jì)研究較多，但是，對于載體樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)，在《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ135－2007)中僅規(guī)定參照CFG樁復(fù)合地基進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對它的研究論文也很少看到。本文通過黃山市某實(shí)際工程為例，進(jìn)行載體樁單樁靜載試驗(yàn)、樁間土靜載試驗(yàn)和單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)研究，并觀測建筑物沉降量，對載體樁復(fù)合地基豎向承載性能進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 工程背景

擬建項(xiàng)目位于黃山市屯溪區(qū)屯光鎮(zhèn)，場地整體較平整，北高南低，呈一級臺(tái)階狀。擬建建筑為商業(yè)住宅、酒店及商業(yè)店鋪。由于該地塊地質(zhì)條件和建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，建筑物為二十六層、三十二層不等，屬高層建筑，為保證地基沉降均勻，基礎(chǔ)采用載體樁復(fù)合地基［4］。本文選取其中的1#、2#、3#樓載體樁復(fù)合地基作為研究對象。載體樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)樁徑均為430 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級均為C30。1#樓樁長3.2 m，樁數(shù)174根，設(shè)計(jì)單樁復(fù)合地基承載力特征值550 kPa;2#樓樁長2.2～3.3 m，樁數(shù)195根，設(shè)計(jì)單樁復(fù)合地基承載力特征值520 kPa;3#樓樁長2.6～3.7 m，樁數(shù)209根，設(shè)計(jì)單樁復(fù)合地基承載力特征值520 kPa。

本次巖土工程勘察［5］將深度范圍內(nèi)所分布的地質(zhì)土質(zhì)劃分為七大層。各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。場地地下水位埋深1.70～6.20 m，地下水和土對鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性微小。

2 豎向靜載荷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

每棟樓隨機(jī)抽取3根單樁靜載荷試驗(yàn)、3點(diǎn)樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)和3點(diǎn)單樁復(fù)合地基試驗(yàn)，檢測單樁、樁間土和單樁復(fù)合地基承載力。樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)采用圓形鋼質(zhì)承壓板，承壓板剛度滿足試驗(yàn)要求，承壓板直徑為1 m。單樁復(fù)合地基試驗(yàn)采用方形鋼質(zhì)承壓板，承壓板剛度滿足試驗(yàn)要求，承壓板面積為一根樁承擔(dān)處理的面積。試驗(yàn)具體布置見表2所示。

表1 地基土的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 靜載荷試驗(yàn)樁號布置

2.2 試驗(yàn)裝置及儀器

本次試驗(yàn)采用800T(樁間土100T)油壓千斤頂加載，采用油壓傳感器控制每級加載值，承壓板四周布置位移傳感器測量承壓板沉降量，其中單樁試驗(yàn)布置兩只、樁間土試驗(yàn)布置三或四只位移傳感器、單樁復(fù)合地基試驗(yàn)布置四只。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用“慢速維持荷載法”，即逐級加載，在每級荷載作用下達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后(連續(xù)一小時(shí)的沉降量不超過0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次)，再施加下一級荷載。本次荷載按照2倍設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行加載，荷載共分10級，首級荷載為2倍設(shè)計(jì)荷載的1/5，以后每級加載增量為1/10。單樁靜載荷試驗(yàn)每級加載后，間隔5 min、10 min、15 min、15 min、15 min測讀一次沉降量，以后每隔30 min測讀一次沉降量，直至達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)每級加載后，每隔30 min測讀一次沉降量，直至達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)每級加載后，間隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min測讀一次沉降量，以后每隔30 min測讀一次沉降量，直至達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

(1)單樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果。

對單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制Q－S曲線如圖1所示。從圖1中可以看出9根單樁試驗(yàn)點(diǎn)Q－S關(guān)系曲線均屬于緩變型，無明顯的比例極限和陡降段。從表3可知除52#樁(沉降量未超過60 mm)外其他各樁沉降量均未超過40 mm，按照《載體樁設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ135－2007)規(guī)定Q－S曲線呈緩變形時(shí)，取樁頂總沉降量為60 mm所對應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限承載力。由上述分析可知:9根單樁極限承載力特征值均不小于2 200 kN，證明載體樁復(fù)合地基單樁承載力較高。

表3 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

(2)樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)結(jié)果。

對樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制P－S曲線如圖2所示。從圖中可以看出9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)P－S曲線均屬于緩變形，無明顯的比例極限和陡降段。9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在豎向荷載作用下的沉降量及沉降比結(jié)果見表4，由表4可知:各試驗(yàn)點(diǎn)在荷載300 kPa作用下沉降比均小于0.015。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007 －2011)規(guī)定，當(dāng)壓板面積為0.25 ～0.5 m2時(shí)，可取s/b=0.01 ～0.015 所對應(yīng)的荷載作為樁間土地基承載力特征值。由上述分析可知:9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地基土承載力特征值均可取300 kPa。且其中7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)沉降比小于0.01，說明經(jīng)過地基處理后樁間土圓礫層地基承載力明顯提高。

表4 樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)各試驗(yàn)點(diǎn)變形分析表

(3)單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果。

對單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制的P－S曲線如圖3所示。從圖3中可以看出9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)P－S曲線均屬于緩變形，無明顯的比例極限和陡降段。9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在豎向荷載作用下的沉降量及沉降比結(jié)果見表5，由表5可知:各試驗(yàn)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載作用下沉降比均小于0.008。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2011)規(guī)定，由高強(qiáng)度樁、樁間土和褥墊層一起組成復(fù)合地基的地基處理方法，當(dāng)以卵石、圓礫、密實(shí)粗中砂為主的地基，可取s/b=0.008所對應(yīng)的壓力為復(fù)合地基承載力特征值。由上述分析可知:1#樓3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基承載力特征值均可取550 kPa，2#和3#樓6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)單樁復(fù)合地基承載力特征值均可取520 kPa。

(4)λ和β的取值。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79－2012)第7.1.5條的規(guī)定，對有粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力的計(jì)算公式為

式中:λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值;β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值。將本文中的27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)代入計(jì)算，并根據(jù)文獻(xiàn)［6］，利用逆斜率法、最小二乘法將Q－S與P－S數(shù)據(jù)曲線擬合為雙曲線的計(jì)算方法求解極限承載力，得出黃山市屯溪區(qū)屯光鎮(zhèn)本段地塊λ可取值0.9，β可取值 0.85。

圖1 單樁靜載荷試驗(yàn)Q－S曲線

圖2 樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)P－S曲線

圖3 單樁復(fù)合基靜載荷試驗(yàn)P－S曲線

3 沉降觀測

為了解載體樁復(fù)合地基在工程不同時(shí)期的沉降，對1#、2#和3#的角點(diǎn)和中間重要部位進(jìn)行了沉降觀測，觀測時(shí)間從該項(xiàng)目工程施工開始，經(jīng)分析1#、2#和3#建筑物在完工300 d后的累計(jì)平均沉降量分別為33.07 mm、22.55 mm和16.30 mm，變形穩(wěn)定，可見載體樁復(fù)合地基在高層建筑中能夠有效控制基礎(chǔ)的沉降量，減少不均勻沉降。

4 結(jié)論

(1)本文工程9根試驗(yàn)樁樁徑均為430 mm，單樁豎向抗壓承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求，且載體樁Q－S曲線呈緩變型，破壞特征不明顯，除52#樁(沉降量未超過60 mm)外其他各樁沉降量均未超過40 mm，因此也無法取沉降量60 mm確定各樁的極限承載力，可以證明載體樁復(fù)合地基單樁豎向承載力較高。通過試驗(yàn)可知，本工程9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)樁間土地基土承載力特征值均可取300 kPa，且其中7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)沉降比小于0.01，說明經(jīng)過地基處理后樁間土圓礫層地基承載力明顯提高。

(2)從試驗(yàn)得知，本文工程9個(gè)單樁復(fù)合地基試驗(yàn)點(diǎn)豎向承載力均高于設(shè)計(jì)要求，說明經(jīng)載體樁復(fù)合地基處理后地基承載能力得到較大提高，本文根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79－2012)的計(jì)算公式，給出了λ和β的參考取值，可供工程設(shè)計(jì)中參考使用。

(3)從沉降觀測可知，載體樁復(fù)合地基將荷載通過載體樁傳遞到深層土體，有效地控制了復(fù)合地基的沉降量。

表5單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)各試驗(yàn)點(diǎn)變形分析表

［1］ 王繼忠.載體樁技術(shù)的誕生與發(fā)展［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(4):118 －119.

［2］ 高春榮，楊啟安，齊雪妍.載體樁設(shè)計(jì)施工中承載力影響因素的研究分析［J］.施工技術(shù)，2012，41(362):63－66.

［3］ 陳洪運(yùn)，馬建林，王功博.高速鐵路載體樁復(fù)合地基施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2013，42(17):104－107.

［4］ 巖土工程勘察規(guī)范:GB50021－2001［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］ 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50007－2011［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［6］ 羅明遠(yuǎn)，吳明軍.求解載體樁極限承載力的研究［J］.四川建筑科學(xué)研究，2013，39(4):120－122.