靜鉆根植樁設(shè)計應(yīng)用中若干問題探討

張會

靜鉆根植樁設(shè)計應(yīng)用中若干問題探討

張會

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

基于靜鉆根植樁的特點(diǎn)，探討了此先進(jìn)樁基技術(shù)的設(shè)計選型和設(shè)計配樁方法，地方規(guī)程與國家標(biāo)準(zhǔn)一致性問題，研究了計算過程中單樁承載力計算公式及計算參數(shù)的選用，對如何合理確定單樁承載力等設(shè)計問題提出建議，說明此樁型具有單樁承載力高，適用深度大，樁身受力合理，質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn)，并就靜鉆根植樁推廣應(yīng)用問題進(jìn)行探討。

靜鉆根植樁；配樁；單樁承載力；推廣

1　概述

隨著我國工程建設(shè)領(lǐng)域快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)工程大量運(yùn)用，新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，樁基技術(shù)也在不斷改進(jìn)和提高，使用較少混凝土方量、造價低、承載力高、沉降變形小、地基穩(wěn)定性強(qiáng)的新型樁基技術(shù)成為巖土工程界迫切需要解決的問題之一［1］。靜鉆根植樁技術(shù)已在我國浙江、上海地區(qū)率先采用，是一種采用埋入法施工預(yù)應(yīng)力預(yù)制管樁的技術(shù)，施工按照鉆孔、樁端擴(kuò)孔、注入水泥漿、提鉆、植樁等步驟，制成由預(yù)制樁身、樁端水泥漿和土體共同承擔(dān)荷載的樁基礎(chǔ)，詳見圖1。靜鉆根植樁施工具有施工工期短、無沉渣、塌孔和縮頸現(xiàn)象，對地質(zhì)復(fù)雜土層適應(yīng)性好，無擠土效應(yīng)，泥漿排放少，噪音振動小，環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。開創(chuàng)了預(yù)制樁擴(kuò)底的先河，并通過注入水泥漿與土體形成整體，制成由預(yù)制樁身、樁端水泥漿和土體共同承擔(dān)荷載的樁基礎(chǔ)。靜鉆根植樁繼承了預(yù)應(yīng)力管樁和鋼筋混凝土灌注樁的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了它們的缺點(diǎn)，從而達(dá)到樁基礎(chǔ)工程質(zhì)量提高，施工工期縮短，工程成本節(jié)約的效果。與預(yù)應(yīng)力管樁相比，靜鉆根植樁具有單樁抗壓、抗拔和抗水平承載力均較高，對周邊地下設(shè)施無影響，適應(yīng)樁端持力層變化大的地質(zhì)條件，樁長可控，無需截樁，無損傷樁身等技術(shù)優(yōu)勢。與鉆孔灌注樁相比，靜鉆根植樁具有樁身質(zhì)量可控，混凝土強(qiáng)度高，節(jié)省材料，工程造價低，施工無沉渣、塌孔和縮頸現(xiàn)象，施工速度快，環(huán)境污染小等技術(shù)優(yōu)勢，如圖1所示。隨著這一新型樁基技術(shù)的普及，相關(guān)規(guī)范的配套和計算參數(shù)的完善，將會推廣到全國更多地區(qū)，取得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是從全國范圍來看，靜鉆根植樁技術(shù)并未得以大面積普及和推廣，本文將探討此樁型在設(shè)計應(yīng)用中存在的主要問題及對應(yīng)措施。

圖1　靜鉆根植樁施工方法示意圖

2　靜壓根植樁推廣應(yīng)用中存在問題

靜鉆根植樁在浙江及上海地區(qū)已廣泛應(yīng)用，浙江省已發(fā)行兩本建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)圖集：《復(fù)合配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［2］，《靜鉆根植先張法預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁》［3］；上海市已發(fā)行一本技術(shù)規(guī)程和兩本建筑產(chǎn)品推薦性應(yīng)用圖集：《ZC靜鉆根植樁應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［4］，《ZC復(fù)合配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［5］，《ZC靜鉆根植先張法預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁》［6］。對于國內(nèi)其它地區(qū)來說，相對應(yīng)的樁基規(guī)范和配套圖集的缺失是目前最主要的問題?，F(xiàn)階段并無與靜鉆根植樁相對應(yīng)的國標(biāo)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)圖集，而現(xiàn)有的《建筑樁基設(shè)計規(guī)范》、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和《巖土工程勘察規(guī)范》并未針對靜鉆根植樁施工工法提供準(zhǔn)確的樁基計算參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計計算單樁承載力準(zhǔn)確度不高，從而只能過多地依賴于現(xiàn)場樁基檢測數(shù)據(jù)。而建筑工程設(shè)計初期最主要的地質(zhì)勘察報告推薦樁基礎(chǔ)的樁型一般是鉆孔灌注樁或者預(yù)應(yīng)力管樁，并無針對靜鉆根植樁工法的相關(guān)樁基側(cè)阻、端阻計算參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計單位無法預(yù)估靜鉆根植樁單樁承載力，從而在設(shè)計源頭就放棄了此樁型。

除了以上主要問題以外，還有一些配套問題需要逐步解決：

1）隨著國家對環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排的日益重視及相關(guān)制度的落實(shí)，對先進(jìn)技術(shù)的政策扶持和幫助，將有效推動新型技術(shù)推廣和普及；

2）隨著靜鉆根植樁市場的普及和生產(chǎn)的規(guī)模的擴(kuò)大，產(chǎn)品成本的降低，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的性價比（現(xiàn)階段靜鉆根植樁工程造價比鉆孔灌注樁工程造價低10%左右）和市場占有率；

3）加大新型樁基產(chǎn)品優(yōu)秀性能的宣傳力度，加大已建成工程的節(jié)能減排效果的宣傳力度，讓工程建設(shè)各環(huán)節(jié)相關(guān)單位和部門如工程建設(shè)管理部門、質(zhì)監(jiān)部門、設(shè)計單位、施工單位、業(yè)主能夠了解并掌握相關(guān)知識，主動推動新型樁基技術(shù)的工程應(yīng)用。

3　靜鉆根植樁設(shè)計規(guī)范對比及設(shè)計配樁

由劉漢龍教授、丁選明博士研制的現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁，代號PCC樁，樁長25m以內(nèi)，主要用于復(fù)合地基的處理，已在我國江蘇、浙江、上海、湖南、天津和河北等省市和地區(qū)推廣應(yīng)用，并有配套國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程》，編號JGJ/T213-2010。

相對于現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁技術(shù)的普及，靜鉆根植樁相關(guān)規(guī)范及規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)圖的配套完善有所滯后。除了上述浙江省已發(fā)行的兩本標(biāo)準(zhǔn)圖集和上海市已發(fā)行一本技術(shù)規(guī)程和兩本建筑產(chǎn)品推薦性應(yīng)用圖集外，全國其它地區(qū)鮮有相關(guān)配套規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)圖。

根據(jù)上海市《ZC靜鉆根植樁應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，對靜鉆根植樁的設(shè)計、施工和驗(yàn)收進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，設(shè)計方面主要包括了靜鉆根植樁一般規(guī)定，抗壓、抗拔承載力計算以及構(gòu)造要求等，并明確了適用范圍：

1）抗震設(shè)防烈度小于等于7度地區(qū)的乙、丙、丁類建筑物承受豎向抗壓、抗拔及水平荷載的低承臺樁基礎(chǔ)，鐵路、公路、港口、水利、市政等工程在技術(shù)條件相同時也可適用。

2）粘性土、粉土、砂土、填土以及地質(zhì)情況復(fù)雜、夾層多、軟硬變化及樁端持力層層頂標(biāo)高變化較大的土層。

3）需控制擠土效應(yīng)的建筑場地。需要注意上海市《ZC靜鉆根植樁應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》以下內(nèi)容與現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［7］的不同之處：

（1）靜鉆根植樁的中心距不應(yīng)小于3D2（D2為鉆孔直徑）?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》規(guī)定的樁中心距不小于3d（d為圓樁設(shè)計直徑），且與鉆孔擴(kuò)大端直徑D也相關(guān)。（2）用作摩擦型樁時，樁的長徑比不宜大于120；用作端承型樁時，樁的長徑比不宜大于100?！督ㄖ痘夹g(shù)規(guī)范》和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》均取消了長細(xì)比限制。長細(xì)比限值主要是保證樁身不出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)，以及考慮施工條件的要求，對于端承樁因有較堅硬、不變形的持力層，在樁頂豎向荷載作用下，樁身若過于細(xì)長，可能會像壓桿一樣出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。而對于摩擦型樁，樁身應(yīng)力向下衰減，且樁會隨著荷載加大而產(chǎn)生沉降，一般不會產(chǎn)生壓屈失穩(wěn)。根據(jù)我國的實(shí)際情況，迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量正常的低承臺樁在使用過程中出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)的例子，所以兩本規(guī)范不再提長細(xì)比的要求了。一些設(shè)計者在工程設(shè)計中仍以長細(xì)比來控制樁長或樁徑，造成工程樁的不必要的浪費(fèi)。而國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》［8］中第7.2.6條，管樁用作摩擦型樁時，其長徑比不宜大于100；管樁用作端承型樁時，其長徑比不宜大于80，也與上海規(guī)程要求不同。（3）計算值的不同，以下僅以單樁豎向承載力計算為例進(jìn)行說明：上海規(guī)程第5.2.5條中，單樁豎向承載力設(shè)計值的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：單樁豎向承載力設(shè)計值須通過靜載荷載試驗(yàn)按下式確定：Rd=Rk/rR，式中Rk是單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，可取單樁極限承載力試驗(yàn)統(tǒng)計值Rkt，按上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)內(nèi)容確定；rR是單樁豎向承載力分項(xiàng)系數(shù)，可取1.9。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.2.2條規(guī)定的單樁豎向承載力特征值Ra按下式確定，R=Qvk/k式中QVK是單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，K是安全系數(shù)，取K=2。從以上計算公式可以得出結(jié)論，按上海規(guī)程計算的單樁豎向承載力設(shè)計值要大于按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算的值。（4）構(gòu)造要求中靜鉆根植樁擴(kuò)底直徑不大于鉆孔直徑的1.6倍，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中對于預(yù)應(yīng)力管樁并無擴(kuò)底的可能。其余不同之處不再贅述。

靜鉆根植樁樁身混凝土強(qiáng)度等級高，一般為C80及以上，樁身直徑范圍300mm～1200mm，最大施工深度可達(dá)80m，擴(kuò)底直徑最大可達(dá)鉆孔直徑的1.6倍，通過注入樁端和樁側(cè)內(nèi)外水泥漿，提高樁基承載力，同時水泥漿與土體形成整體，有效控制樁基沉降及場地不均勻沉降。靜鉆根植樁有兩種樁型：（1）復(fù)合配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，代號PRHC；較國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC）增加了非預(yù)應(yīng)力鋼筋，且施工中管樁內(nèi)外均增加水泥土包裹，提高了樁身抗彎、抗剪及抗拉性能，設(shè)計中復(fù)合配筋管樁主要設(shè)置在樁基工程的中、上部，可以用于承擔(dān)豎向受壓、受拉荷載和水平側(cè)向荷載。（2）靜鉆根植先張法預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁，代號PHDC，采用竹節(jié)狀外徑，提高了樁與周邊混凝土的咬合力，設(shè)計中竹節(jié)樁主要設(shè)置在樁基工程的端部，與樁端擴(kuò)大頭相結(jié)合，主要用于承擔(dān)豎向受壓荷載。此兩種樁型均可與預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC）配套使用。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁因?yàn)椴贿m合承擔(dān)水平側(cè)向荷載，設(shè)計中預(yù)應(yīng)力混凝土管樁考慮設(shè)置在樁基工程的中部，主要用于承擔(dān)豎向受壓荷載。靜鉆根植樁設(shè)計配樁示意如圖2所示。

圖2　靜鉆根植樁配樁示意圖

4　靜鉆根植樁按規(guī)范計算示例

4.1國標(biāo)相關(guān)規(guī)定

根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》［9］第3.1.2條，設(shè)計有要求或有下列情況之一時，施工前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)樁檢測并確定單樁極限承載力：

1）設(shè)計等級為甲級的樁基；

2）無相關(guān)試樁資料可參考的設(shè)計等級為乙級的樁基；

3）地基條件復(fù)雜、基樁施工質(zhì)量可靠性低；

4）本地區(qū)采用的新樁型或采用新工藝成樁的樁基。

對于沒有對應(yīng)靜鉆根植樁規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)圖集的全國其他地區(qū)，只能依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》來參考選用，并利用樁基檢測數(shù)據(jù)來匹配計算結(jié)果。根據(jù)規(guī)范5.3.1條要求：設(shè)計采用的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）設(shè)計等級為甲級的建筑樁基，應(yīng)通過單樁靜載試驗(yàn)確定；

2）設(shè)計等級為乙級的建筑樁基，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件簡單時，可參照地質(zhì)條件相同的試樁資料，結(jié)合靜力觸探等原位測試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合確定；其余均應(yīng)通過單樁靜載試驗(yàn)確定；

3）設(shè)計等級為丙級的建筑樁基，可根據(jù)原位測試和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定。

按照規(guī)范5.3.1條采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，宜按（1）式估算：

靜鉆根植樁計算較其它類型樁不同，就是其采用幾種不同類型樁基組合，式中u值為各類型樁身周長，對于竹節(jié)樁按節(jié)外徑計算周長，其他類型樁按樁外徑計算周長，上敘計算公式相應(yīng)調(diào)整為：

（2）式明確了對應(yīng)于不同的樁型，不同的土層，分別計算單樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

式中：qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，建議按混凝土預(yù)制樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值取值；Qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，建議按混凝土預(yù)制樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的二分之一取值。

以上兩個參數(shù)qsik和Qpk若按照干作業(yè)鉆孔樁取值，則計算結(jié)果QUk更小，更加保守。因?yàn)榈刭|(zhì)勘察報告中給出的兩個參數(shù)qsik和Qpk值是針對預(yù)制管樁和鉆孔灌注樁的，并無針對靜鉆根植樁的參數(shù)取值，所以只能采用以上方式取值。Ap建議取值為樁端擴(kuò)底部分的投影面積。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究資料，在寧波、溫州數(shù)十根靜鉆根植樁抗壓靜載試驗(yàn)，極限承載力試驗(yàn)值均較采用上述公式計算值偏大，偏大范圍在2%～22%之間，可見采用上述公式計算是偏于安全的。

4.2計算案例

上海S26公路東延伸（G15-G1501）新建工程為全程高架橋梁，橋梁下為雙向地面道路，如圖3所示，線路全長約10.6km。采用靜鉆根植樁基礎(chǔ)，試樁S1直徑0.8m，樁長62m，配樁方式詳如圖4所示。

本項(xiàng)目靜鉆根植樁試驗(yàn)樁由上海中測行工程

檢測咨詢有限公司進(jìn)行檢測，試樁S1豎向抗壓承載力極限值為11600kN，檢測結(jié)果詳如圖5所示，見表1。

圖3　工程效果圖

圖4　試樁S1配樁示意圖

圖5　試樁S1單樁豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果

表1　試樁S1單樁豎向靜載試驗(yàn)匯總表

從圖表可知，S1樁的Q-s曲線為緩變型，無明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)加載到11600kN后，達(dá)到其最大沉降量，因此其豎向抗壓極限承載力可取為11600kN。采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的公式來計算試樁S1豎向抗壓承載力極限值，計算過程及結(jié)果詳見表2。

表2　試樁S1單樁豎向抗壓承力極限值計算表

從表2計算可見，S1樁側(cè)摩擦力8399kN，樁端承載力1884kN，合計單樁豎向抗壓極限承載力計算值為8399+1884=10283kN。樁基試驗(yàn)結(jié)果與樁基計算結(jié)果相比較：單樁豎向抗壓極限承載力的試驗(yàn)值較采用上述公式計算值偏大，偏大值為11600-10283=1317kN，偏大范圍為1317/10283=12.8%，可見采用上述公式計算靜鉆根植樁單樁豎向抗壓極限承載力是可行的，也是偏于安全的。

5　靜鉆根植樁推廣應(yīng)用的建議

靜鉆根植樁技術(shù)的出現(xiàn)，推動了我國樁基技術(shù)的進(jìn)步，但是在全國范圍的推廣和應(yīng)用中存在諸多問題，包括規(guī)范滯后的問題、地勘資料配套的問題、設(shè)計計算的準(zhǔn)確度問題等等，只有通過規(guī)范配套完善，更多工程的設(shè)計、應(yīng)用和檢驗(yàn)，才能得到來自工程建設(shè)領(lǐng)域的各部門單位的認(rèn)可和接受。我國樁基行業(yè)市場巨大，近年來一直處于較快的增長，樁基技術(shù)也在不斷進(jìn)步中，樁基發(fā)展向著高承載、低污染、節(jié)能減排方向發(fā)展。靜鉆根植樁工法獲得二十多項(xiàng)國家專利，也獲得中國建材聯(lián)合會科技進(jìn)步二等獎、全國建材行業(yè)技術(shù)革新獎一等獎等榮譽(yù)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。在浙江和上海地區(qū)的率先應(yīng)用，也為我國的樁基事業(yè)不斷開拓創(chuàng)新，積累工程經(jīng)驗(yàn)。對于這一先進(jìn)樁基技術(shù)的推廣，建議能夠從國家標(biāo)準(zhǔn)上明確靜鉆根植樁設(shè)計計算參數(shù)、完備地質(zhì)勘察、樁基

檢測數(shù)據(jù)，做到設(shè)計、施工、檢測均有章可循，加大新型樁基技術(shù)的宣貫和普及，同時也逐步滿足建筑工程高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保、節(jié)能降耗要求。

［1］ 劉漢龍，丁選明.現(xiàn)澆鋼筋混凝土大直徑管樁復(fù)合地基設(shè)計與施工［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［2］ 浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院.2012浙G36復(fù)合配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.浙江：浙江工商大學(xué)出版社，2012.

［3］ 浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院.2012浙G37靜鉆根植先張法預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁［S］.浙江：浙江工商大學(xué)出版社，2012.

［4］ 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司、上海申標(biāo)建筑設(shè)計有限公司.DBJ/CT179-2013ZC靜鉆根植樁應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］.上海市建筑建材業(yè)市場管理總站備案，2013.

［5］ 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司、上海申標(biāo)建筑設(shè)計有限公司.2013滬G/T-504ZC復(fù)合配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.上海市建筑建材業(yè)市場管理總站備案，2013.

［6］ 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司、上海申標(biāo)建筑設(shè)計有限公司.2013滬G/T-505ZC靜鉆根植先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.上海市建筑建材業(yè)市場管理總站備案，2013.

［7］ 中國建筑科學(xué)研究院.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.

［8］ 中國建筑科學(xué)研究院.10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［9］ 中國建筑科學(xué)研究會.JGJ106-2014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，2014.

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