調(diào)節(jié)樁身豎向剛度的實用方法

朱建輝

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

1 概述

樁基是由樁和連接樁頂?shù)臉冻信_組成的深基礎或由柱與樁基連接的單樁基礎。承臺下基樁通過樁側(cè)摩阻力和樁端阻力將上部結(jié)構(gòu)荷載傳至基礎以下深層土體之中，通過改變樁長和樁徑，為基樁選擇不同的樁端持力層，可以得到滿足于設計要求的單樁豎向極限承載力標準值。對單樁豎向極限承載力標準值進行理論計算時，可按式(1)取值。

Quk=Qsk+Qpk

(1)

其中，Quk為單樁豎向極限承載力標準值；

Qsk為單樁總極限側(cè)阻力標準值；

Qpk為單樁總極限端阻力標準值。

在實際工程中進行樁基基礎設計時，設計人員往往關(guān)注的是柱下、承臺下或者筏板下的基樁豎向極限承載力標準值是否滿足上部結(jié)構(gòu)的受力要求，即滿足式(2)的要求。

Nk≤αR

(2)

其中，Nk為標準組合下，基樁所受的豎向力；

α為不同工況的標準組合下，R的調(diào)節(jié)系數(shù)；

R為基樁豎向承載力特征值。

按式(3)計算。

(3)

K為安全系數(shù)；

Quk為單樁豎向極限承載力標準值[1]。

對于多樁承臺和筏板基礎，基樁在上部豎向荷載的作用下，通過承臺或筏板協(xié)調(diào)樁頂變形來達到共同承擔結(jié)構(gòu)上部荷載的目的。在基樁的單樁豎向極限承載力滿足設計要求的前提下，基樁的實際受力情況與其自身豎向剛度有密切關(guān)系。如式(4)所示。

F=ks

(4)

F為基樁受力大??；

k為基樁豎向剛度；

s為樁身豎向變形量。

通過各基樁所連接的基礎的變形協(xié)調(diào)作用，各基樁的豎向變形量s趨于一致，則當樁身豎向剛度k相差較大時，F(xiàn)將相差較大，即在承臺或者筏板內(nèi)產(chǎn)生應力集中的現(xiàn)象，對承臺或者筏板產(chǎn)生不利影響，降低基礎的安全性和可靠性。

2 影響樁身豎向剛度的因素

在不考慮樁身材料的豎向塑性變形的前提下，樁身豎向剛度k可按式(5)表示[2]。式中k1為不考慮樁側(cè)巖土層及樁端持力層影響的樁身豎向彈性剛度，按式(6)計算；k2為樁身串聯(lián)剛度，按式(7)計算，用來考慮樁身豎向剛度調(diào)節(jié)構(gòu)件對樁身剛度的影響。

(5)

(6)

(7)

從式(6)可知，k1隨樁長l的增加而降低，隨樁身彈性模量E的增加而提高，隨樁身截面面積A的增加而提高。樁身彈性模量E與樁身混凝土等級和鋼筋等級有關(guān)，而樁身截面面積與樁身直徑或邊長有關(guān)[3]。在實際工程中，當需要考慮基樁豎向剛度對上部結(jié)構(gòu)的影響時，則應采用考慮了樁側(cè)巖土層及樁端持力層影響的基樁豎向彈塑性剛度。故現(xiàn)場應根據(jù)基樁樁徑、樁長、樁身材料強度及樁端持力層的不同，分別進行靜載試驗。根據(jù)單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)設計軟件理論分析得出的基樁頂部荷載，提取基樁工作荷載大小范圍內(nèi)的豎向剛度，作為k1代入(5)式中。

對于已施工完成的基樁，可通過增設樁頂豎向剛度調(diào)節(jié)構(gòu)件來調(diào)節(jié)樁身豎向剛度。從式(5)可知，樁身豎向剛度調(diào)節(jié)構(gòu)件無論自身豎向剛度k2的大小，都會使得基樁豎向剛度減少。

3 調(diào)節(jié)樁身豎向剛度的實用方法

3.1 樁頂褥墊層的設置及剛度計算方法

在進行地基處理時，調(diào)節(jié)樁身豎向剛度的方法，一般采用在樁頂設置一定厚度的褥墊層措施，此方法在軟弱地基采用剛性或半剛性樁進行復合地基設計時，得到廣泛的應用[4]。

樁基礎可參考復合地基的處理方式在樁頂設置褥墊層，具體如圖1所示。褥墊層采用級配砂卵石，壓實系數(shù)不小于0.94。為防止后期在地下水升降過程中，褥墊層的流失和破壞，在褥墊層局部加厚區(qū)兩側(cè)增設120厚磚胎膜，增設高度同褥墊層局部加厚區(qū)高度。

圖1 樁頂褥墊層大樣圖

褥墊層的壓縮變形量s可參照式(8)進行計算[5]，其中壓縮變形量計算深度取褥墊層設計厚度，壓縮模量Es根據(jù)樁頂附加應力P0的大小，由現(xiàn)場淺層平板載荷試驗確定。則褥墊層豎向剛度k2可按式(9)確定，其中A為褥墊層實際受壓面積，按圖1所示，褥墊層平面布置為方形，則A=(D+400)2，D為褥墊層處基樁直徑(mm)。

(8)

k2=P0As

(9)

3.2 基樁頂部縱筋伸入承臺的細部構(gòu)造

樁基礎若僅在樁頂設置褥墊層，雖能起到調(diào)節(jié)樁身豎向剛度的作用，但與復合地基不同，基樁縱向鋼筋應深入承臺或筏板一定深度，以滿足鋼筋錨固和基礎傳力的要求。若不加處理，則基樁頂部縱筋暴露于褥墊層之中，受地下水和其他腐蝕物質(zhì)的影響，無法滿足耐久性的要求，且鋼筋縱向伸縮變形無法與承臺(筏板)和樁身變形相協(xié)調(diào)，使得鋼筋亦無法滿足傳遞荷載的要求。故當采用在樁頂設置褥墊層的方法來調(diào)節(jié)樁身豎向剛度時，應對基樁頂部縱筋進行適當處理，在滿足樁頂與承臺或筏板連接要求的前提下，使得褥墊層范圍內(nèi)的基樁頂部縱筋能夠規(guī)范對鋼筋耐久性的要求，同時可以同褥墊層一起協(xié)調(diào)變形，傳遞荷載。

基樁頂部縱筋伸入承臺的細部構(gòu)造具體如圖2所示。在基樁縱筋外包裹塑料薄膜，并涂一層黃油后，在塑料薄膜外套內(nèi)徑32波紋鋼管。波紋鋼管自身抗腐蝕性應不小于基樁頂部縱筋，故波紋鋼管材質(zhì)推薦采用304不銹鋼。波紋鋼管下口埋入樁頂混凝土內(nèi)不少于100mm，其上口伸入承臺或筏板內(nèi)，長度同鋼筋設計錨入長度，并用環(huán)氧樹脂將波紋鋼管上口處與鋼筋間的縫隙粘結(jié)封口。通過一系列措施保證基樁頂部縱筋滿足規(guī)范對鋼筋耐久性的要求。

當褥墊層在基礎底部荷載的作用下發(fā)生一定的沉降變形時，為保證基樁頂部縱筋能同褥墊層一起協(xié)調(diào)變形，基樁頂部縱筋在褥墊層及錨入承臺(筏板)基礎的范圍內(nèi)應具備相當程度的豎向變形的能力。根據(jù)圖2所示，褥墊層范圍內(nèi)基樁縱筋下部已與樁身混凝土整澆，無單獨變形的能力，而樁頂以上縱筋置于波紋鋼管內(nèi)，波紋鋼管與承臺或筏板混凝土整澆后，在波紋管內(nèi)部形成單獨變形通道，同時在波紋鋼管和基樁頂部縱筋頂部設置錨板和橡膠，如圖3所示。其中橡膠的豎向剛度與褥墊層的豎向剛度相當，在褥墊層發(fā)生豎向變形時，基樁縱筋頂部的橡膠可在混凝土內(nèi)發(fā)生相應的變形，使得基樁頂部縱筋存在一個完整的可壓縮變形的空間，保證基樁頂部縱筋和褥墊層變形協(xié)調(diào)。

如圖2～圖3所示，基樁頂部縱筋端部通過塞焊與錨板連接，而橡膠與錨板用環(huán)氧樹脂粘結(jié)。圖3中所示錨板的作用在于當基樁縱筋受拉時，在基礎內(nèi)形成錨固力，滿足受拉縱筋與混凝土間的錨固要求。

圖2 基樁頂部縱筋細部大樣圖

圖3 基樁頂部縱筋端部大樣

3.3 注意事項

以上基樁頂部細部構(gòu)造在進行工程應用時，還需注意以下4點：

(1)因工程樁先行施工，故為保證波紋鋼管下口埋入樁頂混凝土內(nèi)不少于100mm，應在波紋鋼管置入前自基樁設計樁頂標高往下鑿除不少于100mm，待將波紋鋼管套入后，再重新澆搗混凝土至設計樁頂標高。

(2)當基樁頂部縱筋存在搭接接頭時，應搭接接頭位置為兩根鋼筋并行，故內(nèi)徑為32mm波紋鋼管無法同時將兩根鋼筋包裹住，此時可根據(jù)需要置換更大內(nèi)徑的波紋鋼管，同時基樁頂部縱筋的錨板平面幾何尺寸應相應增大，保證錨板與混凝土有足夠的接觸面積，以滿足受拉鋼筋的錨固要求。

(3)因波紋鋼管同基樁縱筋的材質(zhì)不同，波波紋鋼管上口處與鋼筋間的縫隙不可采用焊接進行封口，故本文推薦采用環(huán)氧樹脂進行粘結(jié)封口。

(4)錨板頂部橡膠在選擇時，除應保證其豎向剛度與褥墊層相當外，其使用年限應同基礎設計使用年限，且在基礎混凝土振搗過稱中，避免過度振動導致橡膠與錨板脫離，以及發(fā)生嚴重歪斜。

基樁頂部縱筋細部構(gòu)造的成品圖如圖4～圖5所示。

圖4 基樁頂部縱筋細部成品圖

圖5 基樁頂部縱筋端部成品圖

4 工程應用

某工程位于泉州市，建筑結(jié)構(gòu)為地上21層，地下3層，為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，原設計除核心筒范圍內(nèi)采用樁筏基礎外，其余范圍采用柱下獨立樁基承臺的基礎型式，設計要求各基樁的樁端持力層均設置于中風化花崗巖。因工程場地范圍內(nèi)的樁端持力層埋藏深度起伏較大，且存在中風化夾層，后經(jīng)單樁豎向抗壓靜載試驗及現(xiàn)場樁身鉆芯取樣，大部分基樁樁端持力層及基樁豎向承載力均不滿足設計的要求，導致同一承臺或筏板基礎下的基樁豎向承載力不足，且各基樁間豎向剛度相差較大。

為充分利用已施工基樁的豎向承載力，根據(jù)樁土共同作用的原理對基礎進行重新設計，即在地下室全部范圍內(nèi)采用平板式樁筏基礎，將殘積粘性土或全風化花崗巖作為地下室底板板底持力層，樁和樁間土共同承擔上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載。為調(diào)節(jié)基礎的不均勻沉降，避免在筏板內(nèi)產(chǎn)生應力集中的現(xiàn)象，采用本文第3章節(jié)的方法，調(diào)節(jié)個別基樁的樁身豎向剛度，并采用式(5)確定的基樁豎向剛度進行理論計算分析。

根據(jù)理論計算分析的結(jié)果，平板式樁筏基礎的沉降計算結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，在主樓范圍內(nèi)基礎沉降為以核心筒為中心的碟形沉降。根據(jù)傾斜方向兩端點的沉降差和距離計算的建筑物的理論最大傾斜率為0.0013，滿足規(guī)范要求[4]。

圖6 基礎理論分析沉降曲線圖(單位：mm)

圖7為建筑結(jié)構(gòu)封頂后各建筑沉降變形觀測點中沉降數(shù)值最大點的時間-沉降量曲線圖，從圖中可知，2017年8月13號至2017年12月31號的140d里，建筑最大沉降速率均小于0.01mm/d，說明樁基已達到穩(wěn)定狀態(tài)[6]。根據(jù)建筑物傾斜觀測數(shù)據(jù)，各測點中最大傾斜率為1/6063，滿足規(guī)范要求[5]。

圖7 建筑沉降觀測時間-沉降量曲線圖

5 結(jié)語

綜上所述，當同一基礎承臺或筏板下基樁剛度相差過大時，為避免出現(xiàn)基樁和基礎之間應力集中的現(xiàn)象，保證基礎的安全性和可靠性，可在需要調(diào)整豎向剛度的基樁頂部設置樁頂褥墊層，并對基樁頂部縱筋進行細部處理，以在調(diào)整基樁豎向剛度的同時，保證基樁縱筋的耐久性和與基礎協(xié)調(diào)變形的能力，理論分析及實際工程監(jiān)測結(jié)果均能滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求。

參考文獻

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[6] JGJ 8-2016 建筑變形測量規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.