建筑樁基技術(shù)規(guī)范中單樁、單排樁沉降計(jì)算方法之商榷

方 成，林 柏，章 華，徐和財(cái)，王青松，黃 超

(浙江省工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 311200)

樁基礎(chǔ)因其具有承載力可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，成為土木工程領(lǐng)域廣泛采用的基礎(chǔ)形式[1-2].樁基礎(chǔ)的工作可靠性很大程度上取決于其沉降位移[3-6]，因此合理預(yù)計(jì)樁基礎(chǔ)的沉降量是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在.目前，我國JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)中對(duì)于單樁、單排樁的沉降計(jì)算，是根據(jù)試樁沉降量估計(jì)的，即單樁、單排樁的實(shí)際預(yù)計(jì)值與靜載荷試樁沉降計(jì)算值的比值建議取為1.0[7].然而，靜載荷試樁沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)2次在每小時(shí)內(nèi)沉降量小于0.1 mm，實(shí)際建筑物沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)卻是連續(xù)2次半年沉降量不超過2 mm，平均每小時(shí)沉降量為0.000 457 mm，兩者顯然完全不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上.所以，《規(guī)范》中這種預(yù)計(jì)方法的準(zhǔn)確性非常值得商榷.鑒于上述情況，首先依據(jù)上海、遼寧、山西等地的2例單樁長期靜載試樁與6例小樁群(6樁以下)承臺(tái)工程的實(shí)測(cè)沉降資料[8]，對(duì)《規(guī)范》中“單樁、單排樁沉降計(jì)算法”的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行討論，然后結(jié)合主裙樓連接樁基工程中裙樓沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，探討利用該法進(jìn)行單樁、單排樁沉降計(jì)算的適用條件問題，以求對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)中單樁、單排樁的沉降計(jì)算提供技術(shù)參考.

1 《規(guī)范》中單樁、單排樁沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的準(zhǔn)確性問題

1.1 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)照案例

在多年的工程實(shí)踐中，收集到了上海、遼寧、山西等地的2例單樁長期靜載試樁與6例小樁群(6樁以下)承臺(tái)工程的實(shí)測(cè)沉降資料，下面對(duì)這些資料予以介紹，并與《規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以探討《規(guī)范》計(jì)算方法的準(zhǔn)確性.

案例1：靜載荷試壓維持3個(gè)月的上海某跨線橋工程φ0.8 m×23 m單樁試樁工程，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8].該工程單樁試樁靜載荷為1 320 kN，樁端持力層為第5-1層黏土，穩(wěn)定3個(gè)月后實(shí)測(cè)累計(jì)沉降21.0 mm，第3個(gè)月的沉降速率約為0.049 mm/d，尚未達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此預(yù)計(jì)最終沉降量不超過30.0 mm.另一方面，單樁極限承載力Quk=1 216 kN，端阻比α=0.145.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為31.1 mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)沉降基本相符.

案例2：靜載荷試壓維持3個(gè)月的上海某跨線橋工程φ0.8 m×29 m單樁試樁工程，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8].該工程單樁試樁靜載荷為1 800 kN，樁端持力層為第5-2層砂質(zhì)粉土，穩(wěn)定3個(gè)月后實(shí)測(cè)累計(jì)沉降13.0 mm，第3個(gè)月的沉降速率約為0.038 mm/d，尚未達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此預(yù)計(jì)最終沉降量不超過20.0 mm.另一方面，單樁極限承載力Quk=2 166 kN，端阻比α=0.278.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為20.4 mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降與實(shí)測(cè)沉降基本吻合.

案例3：上海某跨線橋工程1號(hào)墩，采用4根φ0.8 m×19.5 m鉆孔灌注樁，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8].該工程單樁試樁靜載荷為595 kN，樁端持力層為第4層淤泥質(zhì)黏土，117 d實(shí)測(cè)沉降8.9 mm，第4個(gè)月沉降速率為0.023 mm/d，尚未達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此預(yù)計(jì)最終沉降量為10.0 mm左右.另一方面，單樁極限承載力Quk=1 287 kN，端阻比α=0.165，承臺(tái)尺寸為8.0 m×3.8 m，埋深為1.7 m.扣除承臺(tái)底土自重壓力后的平均附加樁頂荷載為368.1 kN.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為15.7 mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降明顯大于實(shí)測(cè)沉降.

案例4：上海某跨線橋工程2號(hào)墩，采用5根φ0.8 m×27 m鉆孔灌注樁，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8]，樁端持力層為第5-2層砂質(zhì)粉土.該工程單樁試樁靜載荷為988 kN，117 d實(shí)測(cè)沉降5.5 mm，第4個(gè)月沉降速率為0.020 mm/d，尚未達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此預(yù)計(jì)最終沉降量為8.0 mm左右.另一方面，單樁極限承載力Quk=2 129 kN，端阻比α=0.283，承臺(tái)尺寸為10.8 m×3.8 m，埋深2.0 m.扣除承臺(tái)底土自重壓力后的平均附加樁頂荷載為696.5 kN.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為10.7 mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降大于實(shí)測(cè)沉降.

案例5：上海某跨線橋工程3號(hào)墩，采用4根φ0.8 m×19.5 m鉆孔灌注樁，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8]，樁端持力層為第4層淤泥質(zhì)黏土.該工程單樁試樁靜載荷為657 kN，117 d實(shí)測(cè)沉降6.6 mm，第4個(gè)月沉降速率為0.023 mm/d，尚未達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此預(yù)計(jì)最終沉降量為9.0 mm左右.另一方面，單樁極限承載力Quk=1 287 kN，端阻比α=0.183，承臺(tái)尺寸為8.0 m×3.8 m，埋深1.7 m，扣除承臺(tái)底土自重壓力后的平均附加樁頂荷載為430.1 kN.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為14.3 mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)沉降.

案例6：遼寧某公路橋工程1號(hào)橋墩，采用5根φ0.3 m×15 m鋼筋混凝土預(yù)制管樁，樁距1.5 m，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8].該工程單樁試樁靜載荷為680 kN，340 d實(shí)測(cè)累計(jì)平均沉降為38.6 mm，且已達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn).另一方面，承臺(tái)尺寸為3.0 m×3.0 m，埋深2.0 m，扣除承臺(tái)底土自重壓力后的平均附加樁頂荷載為610.9 kN.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為28.9mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)沉降.

案例7：山西某單層廠房的1號(hào)小樁群承臺(tái)，地下水位埋深4.5 m，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8].采用4根0.4 m×0.4 m×14 m鋼筋混凝土預(yù)制方樁，樁距為1.6 m，455 d實(shí)測(cè)累計(jì)平均沉降為10.8 mm，已接近穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn).另一方面，承臺(tái)尺寸為2.8 m×2.8 m，承臺(tái)埋深6.0 m，承臺(tái)總荷載為2 200.7 kN，單樁平均荷載為550.2 kN，扣除承臺(tái)底土自重壓力后的平均附加樁頂荷載為320 kN.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為4.9 mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)沉降.

案例8：山西某單層廠房的2號(hào)小樁群承臺(tái)，地下水位埋深4.5 m，其地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[8].采用4根0.4 m×0.4 m×14 m鋼筋混凝土預(yù)制方樁，樁距為2.0 m，455 d實(shí)測(cè)累計(jì)平均沉降為10.2 mm，已接近穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn).另一方面，承臺(tái)尺寸為2.8 m×2.8 m，承臺(tái)埋深6.0 m，承臺(tái)總荷載為2 335 kN，單樁平均荷載為583.7 kN，扣除承臺(tái)底土自重壓力后的平均附加樁頂荷載為353.4 kN.根據(jù)《規(guī)范》，可以計(jì)算出單樁沉降量為5.7 mm.顯然，該工程的計(jì)算沉降遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)沉降.

1.2 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)照結(jié)果討論

將上述上海、遼寧、山西等地8例單樁與小群樁工程的實(shí)測(cè)沉降值與《規(guī)范》計(jì)算結(jié)果的對(duì)比匯總于表1.

表1 單樁與小群樁基礎(chǔ)沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

續(xù)表

由表1可以計(jì)算出《規(guī)范》計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之比的平均值為1.04，且發(fā)現(xiàn)離散性很大，其變化范圍為0.45～1.59.因此，直接采用《規(guī)范》建議的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.0計(jì)算單樁、小樁群沉降量，不僅是不可靠的，而且在很多情況下是不安全的.

通過深入考察上述多個(gè)案例的對(duì)比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)《規(guī)范》計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值與樁入土深度之間具有較為明顯的相關(guān)性，即樁入土深度越小，二者比值也越小(如圖1中的期望值線所示)，計(jì)算值越偏于不安全.

在目前尚無充分依據(jù)修正《規(guī)范》計(jì)算方法的情況下，基于上述8個(gè)工程案例對(duì)比結(jié)果，近似考慮計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值與樁入土深度之間呈線性關(guān)系，其平均關(guān)系模型為

γm=0.035 7l+0.231 6，

(1)

式中：γm為《規(guī)范》計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比值的期望值；l為樁入土深度，單位為m.

同時(shí)，從偏于安全的角度考慮，進(jìn)一步給出具有95%保證率的比值模型，為此，借用正態(tài)分布0.95分位值的計(jì)算方法，即

x=μ(1-1.645δ)，

(2)

式中：x為0.95分位值，μ為平均值，δ為變異系數(shù).于是，用式(1)函數(shù)值作為平均值，同時(shí)算得γm的均方差σm為0.382 4，據(jù)此可得到平均值所對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)，然后將其代入式(2)中，即可得到具有95%保證率的比值模型，如式(3)所示.其圖像如圖1中的0.95分位值線所示.

γk=0.035 7l+0.397 4，

(3)

式中γk為具有95%保證率的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比值.于是，在單樁與小群樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算中，在按照《規(guī)范》方法計(jì)算以后，再根據(jù)樁入土深度，將計(jì)算結(jié)果除以式(1)或式(3)的對(duì)應(yīng)函數(shù)值，即可得到更為合理的沉降量取值.其中,式(1)給出的結(jié)果是一種平均預(yù)期結(jié)果，而式(3)給出的結(jié)果是一種偏于安全的、具有95%保證率的預(yù)期結(jié)果.

圖1 《規(guī)范》計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值與樁入土深度的相關(guān)性

2 《規(guī)范》中單樁、單排樁沉降計(jì)算方法的適用范圍

通過以上討論可以知道，單樁、單排樁沉降計(jì)算值的準(zhǔn)確性與樁入土深度有關(guān)聯(lián)，并建議了基于樁入土深度修正的沉降計(jì)算方法.然而，上述建議所依據(jù)的工程案例均為常規(guī)疏密程度的樁群，其結(jié)果是否適用于非常規(guī)疏密程度樁群，尚值得進(jìn)一步探討.

上海某12層主裙樓連結(jié)樁基工程中的裙樓樁基屬于疏樁基工程，且該工程有可靠沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[9-10].下面利用該工程校驗(yàn)《規(guī)范》中的方法計(jì)算其樁基沉降量的適用性問題.

該工程的12層主樓(1層地下室)采用預(yù)制鋼筋混凝土方樁，樁長25.5 m ，樁斷面450 mm×450 mm，共82根，采用第7層粉質(zhì)黏土作為樁端持力層；2層裙樓(無地下室)采用預(yù)制鋼筋混凝土方樁，樁長16 m ，樁斷面200 mm×200 mm，共44根，采用第6層粉質(zhì)黏土作為樁端持力層.地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2.主樓基底附加壓力為145.73 kPa，裙樓樁頂平均荷載為381 kN，基礎(chǔ)埋深均取3.8 m.樁位與基礎(chǔ)平面如圖2所示.

表2 上海某12層主裙樓連結(jié)樁基工程地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖2 上海某12層主裙樓連結(jié)樁基工程樁位與基礎(chǔ)平面圖

該工程的主樓沉降實(shí)測(cè)歷時(shí)6.4 a，實(shí)測(cè)推算最終沉降量為93 mm.裙樓實(shí)測(cè)最后平均沉降量與主樓接近.然而，根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算所得的裙樓沉降值為25.2 mm，遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)值93 mm.顯然，《規(guī)范》中的計(jì)算方法對(duì)該工程的適用性極差，由此可以推斷其計(jì)算方法不適用于疏樁基礎(chǔ).

3 結(jié)語

1)《規(guī)范》由單樁、單排樁靜載荷試樁的實(shí)測(cè)沉降得出“考慮樁徑影響的明德林應(yīng)力解法”及計(jì)算單樁、單排樁沉降的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為1.0的結(jié)論，而這至少與非硬土地區(qū)的工程實(shí)踐有一定差別，其準(zhǔn)確性值得商榷.

2)在目前尚無充分依據(jù)修正《規(guī)范》計(jì)算方法的情況下，基于8個(gè)工程案例對(duì)比結(jié)果，得到了考慮計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比值與樁入土深度之間呈線性關(guān)系的近似結(jié)果，并分別給出了基于平均預(yù)期和95%保證率預(yù)期的修正系數(shù)模型.

3)《規(guī)范》給出的單樁、單排樁沉降計(jì)算方法，不適用于疏樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算.

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