昆明地區(qū)靜壓樁承載力的探討

張華明，李志江

(1.云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局814隊(duì)，云南 富民 650400；2.云南國土建設(shè)工程總公司，云南 昆明 650041)

靜壓樁單樁承載力高，施工質(zhì)量可靠，施工速度快，效率高，基礎(chǔ)部分成本相對較低[1-2]。昆明地區(qū)從1998年施工靜壓預(yù)制方樁，2002年施工靜壓預(yù)制管樁，至今，靜壓樁施工技術(shù)在昆明已是成熟工藝。設(shè)計(jì)單位和業(yè)主普遍采用，工藝比較流行，跟其他樁型相比已占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢。但在實(shí)際施工中，設(shè)計(jì)、監(jiān)理、甲方普遍認(rèn)為：壓樁力必須接近或達(dá)到設(shè)計(jì)極限承載力。

因此經(jīng)常遇到以下問題：

(1)在壓試樁時，因壓樁力小于設(shè)計(jì)值，要求將樁超送，直到壓樁力接近設(shè)計(jì)值時為止，這樣就給測樁造成了困難，也增加了測樁費(fèi)用。

(2)在工程樁施工時，因壓樁力小于設(shè)計(jì)值，要求增加樁長或?qū)冻?，直到壓樁力接近設(shè)計(jì)值時為止。結(jié)果大部分樁的實(shí)際樁頂標(biāo)高遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)高，這樣就產(chǎn)生了接樁，給承臺施工造成困難。增加樁長或?qū)冻投冀o建設(shè)方增加了成本。

(3)昆明地區(qū)靜壓樁施工，發(fā)生了多起浮樁質(zhì)量事故。2007年新南亞風(fēng)情園發(fā)生浮樁[3]。2008年子君村經(jīng)濟(jì)適用房小區(qū)發(fā)生浮樁、樁位發(fā)生偏移。處理費(fèi)用達(dá)80余萬元。

為此，筆者總結(jié)了10余年靜壓樁的施工經(jīng)驗(yàn)和體會，給出利用壓樁力估算單樁豎向極限承載力的方法，供相關(guān)人員參考。

1 單樁豎向極限承載力預(yù)估實(shí)例

大理全民健身中心位于點(diǎn)蒼山東麓洪積扇前沿與高原湖沼堆積地貌相交地帶，由西向東呈緩坡狀展布。地基土由洪積、湖積地層組成。場地西部主要由沖洪積而成的粘性土、粉土(夾粉砂)、角礫等組成，局部受原始地形影響，形成透鏡體狀淤泥質(zhì)土、有機(jī)質(zhì)土及高壓縮性的粘性土。場區(qū)東部均為湖相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土及高壓縮性的飽和軟粘土、粉土組成，連續(xù)厚度達(dá)50余米。場區(qū)中部為上述兩種成因的地層交錯組成，垂直和水平方向均很復(fù)雜?？傊麄€地層軟硬不均，差異變化大。地層概況見表1。

1.1 單樁豎向極限承載力預(yù)估

表1 大理全民健身中心地層概況Table 1 Geologic outline at Dali National Fitness Center

試樁結(jié)束后，應(yīng)建設(shè)單位的委托，對3根試樁做承載力計(jì)算分析，結(jié)合實(shí)際壓樁情況，根據(jù)筆者多年的施工經(jīng)驗(yàn)，作土體恢復(fù)后單樁豎向極限承載力預(yù)估，見表2。

根據(jù)承載力預(yù)估結(jié)果，對工程樁設(shè)計(jì)的建議：(1)選擇400 t(4000 kN)壓樁機(jī)已能滿足壓樁要求;(2)應(yīng)根據(jù)地層的分布規(guī)律合理確定樁長，單樁承載力不宜選擇過高；(3)應(yīng)選擇較厚的層位作為持力層。

1.2 靜載荷試樁檢測結(jié)果

大理全民健身中心試樁靜載荷試驗(yàn)檢測[5]結(jié)果見表3。

表2 大理全民健身中心試樁單樁豎向極限承載力預(yù)估Table 2 Estimating maximum vertical bearing capacity of test single piles at Dali National Fitness Center

1.3 數(shù)據(jù)分析

(1)預(yù)估3根試樁的極限承載力基本接近靜載荷試驗(yàn)壓力值。

(2)6號、7號試樁的樁端持力層為角礫層，其壓樁力遠(yuǎn)高于10號試樁的粉土層。

(3)3根試樁雖然單樁豎向極限承載力相同，但6號、7號試樁的沉降量比10號試樁低。

(4)10號試樁的壓樁力與靜載荷試驗(yàn)壓力值差異較大，壓力比為3.83。

表3 大理全民健身中心試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 3 Static load test results of test piles at Dali National Fitness Center

2 實(shí)際工程中壓樁力與單樁豎向極限承載力的關(guān)系

對南方公園、昆明三中呈貢新校、云南山灞遠(yuǎn)程基地、新南亞風(fēng)情園等4個工程的壓樁力與單樁豎向極限承載力的關(guān)系進(jìn)行對比。各工程概況見表4。

表4 工程概況Table 4 Project outline

2.1 南方公園

南方公園地層情況見表5。

由于缺鉆孔剖面圖，用平均地層厚度計(jì)算單樁豎向極限承載力[4]，樁長26 m。

Quk=Qsk+Qpk

=u∑qsikLi+qpkAp

=1115+118=1233 kN

式中：Quk——單樁豎向極限承載力；Qsk——樁側(cè)極限摩阻力總和；Qpk——樁端極限端阻力；u——樁身周長；qsik——樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Li——樁側(cè)第i層土的厚度；qpk——樁端第i層土極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap——樁端面積。

表5 南方公園地層概況Table 5 Geologic outline at South Park

單樁極限承載力取1200 kN，單樁承載力特征值取600 kN。工程樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果見表6。

由表6可知，壓力比為1.36～5.33。

2.2 昆明三中呈貢新校

昆明三中呈貢新校試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果見表7。

表6 南方公園工程樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 6 Static load test results of engineering piles at South Park

表7 昆三中呈貢新校試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 7 Static load test results of test piles at Kunming No.3 Middle School Chenggong New Campus

由表7可知，壓力比為1.28～2.93，正常壓力比為1.30以上。

2.3 云南山灞遠(yuǎn)程基地

云南山灞遠(yuǎn)程基地地層情況見表8。

根據(jù)巖土勘察報(bào)告，選取12個勘察孔的地層剖面圖，計(jì)算單樁豎向極限承載力，見表9。

表8 云南山灞遠(yuǎn)程基地地層概況 Table 8 Geologic outline at Yunnan Shanba Remote Base

表9 云南山灞遠(yuǎn)程基地計(jì)算單樁豎向極限承載力Table 9 Calculating maximum vertical bearing capacity ofthe single piles at Yunnan Shanba Remote Base

云南山灞遠(yuǎn)程基地試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果見表10。

數(shù)據(jù)分析如下：

(1)以上試樁符合土體恢復(fù)后，端阻力和摩阻力共同發(fā)揮作用這一規(guī)律。

(2)A-2號試樁，靜載荷試驗(yàn)壓力值是壓樁力的10.41倍，其摩阻力已發(fā)揮到極致。除了D-2試樁壓樁力略顯偏高外，其余7根樁的承載力主要是樁周的摩阻力在起作用。說明在飽和軟土地層，土體恢復(fù)后，樁的承載力增長較大，壓力比高。

表10 云南山灞遠(yuǎn)程基地試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 10 Static load test results of test piles at Yunnan Shanba Remote Base

(3)壓力比為2.58～10.41。

(4)表9中，計(jì)算的平均樁端極限端阻力Qpk為485 kN，幾乎與表10中A-1、B-1、B-2、B-3的壓樁力480 kN相同。即說明在飽和軟土地層，壓樁力幾乎就是樁的端阻力。

2.4 新南亞風(fēng)情園 [3]

新南亞風(fēng)情園地層情況見表11。

表11 新南亞風(fēng)情園地層概況Table 11 Geologic outline at New South Asia Folk Garden

由于缺鉆孔剖面圖，用平均地層厚度計(jì)算單樁豎向極限承載力，樁長29 m。

Quk=Qsk+Qpk

=u∑qsikLi+qpkAp

=2419+255=2674 kN

單樁豎向極限承載力取2600 kN，單樁承載力特征值取1300 kN。

2.4.1 試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果

新南亞風(fēng)情園基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為靜壓預(yù)制管樁，試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果見表12。

表12 新南亞風(fēng)情園試樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 12 Static load test results of test piles at New South Asia Folk Garden

注：試樁頂平自然地面，賓館有4根截樁。而工程樁是在-4 m左右的基坑內(nèi)施工。

2.4.2 工程樁檢測結(jié)果

2007年10月工程樁施工完畢，11月承臺土方開挖，賓館和公寓預(yù)先各抽取2根樁做靜載荷試驗(yàn)，檢測結(jié)果見表13。

表13 新南亞風(fēng)情園工程樁靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 13 Static load test results of engineering piles at New South Asia Folk Garden

從以上數(shù)據(jù)判斷：單樁極限承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓樁力，也小于計(jì)算的單樁極限承載力2600 kN，已發(fā)生浮樁。

2.4.3 浮樁的主要原因和預(yù)防措施

在壓樁時，地層中的孔隙水(土體)被擠壓，形成孔隙水壓力，產(chǎn)生一個向上的浮力，導(dǎo)致已施工的樁上浮，樁的端阻力喪失，摩阻力損失，單樁承載力顯著降低[6-7]。

預(yù)防措施[8]：(1)施工砂袋井，釋放孔隙水壓力；(2)引孔取土，取出地層中部分土體，減小擠土效應(yīng)；(3)控制施工速度，采取合理的施工順序(打樁先深后淺，送樁先深后淺，打樁先中間后周邊、先大樁后小樁、跳打)。

2.4.4 復(fù)壓后檢測結(jié)果

根據(jù)小應(yīng)變檢測和靜載荷試驗(yàn)結(jié)果(見表14、15)，復(fù)壓完全達(dá)到了預(yù)期效果。

表14 新南亞風(fēng)情園復(fù)壓后小應(yīng)變檢測結(jié)果Table 14 Small-strain test results after re-jacking at New South Asia Folk Garden

表15 新南亞風(fēng)情園復(fù)壓后靜載荷試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 15 Static load test results after re-jacking at New South Asia Folk Garden

3 壓樁力與單樁豎向極限承載力的關(guān)系分析

(1)壓樁力是壓樁終止瞬間所顯示的荷載，是為克服樁端土層阻力和樁周土摩阻力所施加的作用在樁頂上的壓力。而單樁極限承載力是指樁能抵抗上部結(jié)構(gòu)長期荷載作用而處于穩(wěn)定狀態(tài)的能力，它取決于土對樁的支承阻力和樁身材料強(qiáng)度。

(2)壓樁力和承載力的關(guān)系隨不同地區(qū)的地層而變化，并無確定的比率。但對于不同地區(qū)的相似地層，還是有規(guī)律可循，可作參考和借鑒[9-10]。

在試樁階段，處于飽和軟土(粉土、粘土、粉質(zhì)粘土等地層)的摩擦樁，對于預(yù)制樁來說，在壓樁的瞬間，摩阻力已被克服，趨于最小，主要為端阻力，等于說當(dāng)時壓樁力基本上就是端阻力，一般壓樁力較小。等到土體休止期過后，孔隙水壓力消散，土體重新固結(jié)和內(nèi)聚力的再恢復(fù)，即摩阻力恢復(fù)，樁的承載力增長較大，樁的承載力主要來自土體恢復(fù)后樁側(cè)的摩阻力[11-13]。

由于收集的檢測數(shù)據(jù)有限，要定量分析壓樁力與承載力的關(guān)系，難度較大，只能限于局部。本文引入一個“壓力比”的概念，即單樁極限承載力與壓樁力的比值。在昆明地區(qū)，靜壓預(yù)制管樁：正常壓力比在1.3～2之間；靜壓預(yù)制方樁：正常壓力比在2.5～5之間。若壓樁力大，則壓力比取小值，壓樁力小，則壓力比取大值。在施工中，可以用壓樁力乘以壓力比，估算單樁豎向極限承載力，此估算值應(yīng)大于或等于計(jì)算的單樁豎向極限承載力，可用于指導(dǎo)施工。

若樁端置于圓礫、礫砂、粉砂等砂性土地層，由于其極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk比較大，所以壓樁力比較高，有的接近甚至超過單樁豎向極限承載力。

(3)試樁施工時，擠土效應(yīng)不明顯，壓樁力小，樁的承載力高。但工程樁施工時，已產(chǎn)生擠土效應(yīng)，壓樁力肯定要比試樁施工時增高。根據(jù)大量的工程實(shí)踐，普遍出現(xiàn)試樁時承載力高，而工程樁壓樁力高、承載力低的現(xiàn)象。在工程樁施工時，若未采取有效的減小擠土效應(yīng)和超孔隙水壓力釋放的措施[14-15]，樁的承載力會普遍降低。

(4)壓樁力與單樁極限承載力的關(guān)系是施工、監(jiān)理、檢測、設(shè)計(jì)等各方值得研究的問題。

在早期，設(shè)計(jì)文件規(guī)定：試樁的靜載荷試驗(yàn)，不允許壓至破壞。都普遍認(rèn)為：當(dāng)樁的沉降量>40 mm后，樁就破壞了，就是廢樁，不能滿足設(shè)計(jì)要求。這明顯就是一個錯誤的概念。

實(shí)際上，若試樁做破壞性試驗(yàn)，經(jīng)過15～25 d休止期[5]，當(dāng)樁側(cè)摩阻力恢復(fù)后，端阻力和摩阻力共同發(fā)揮作用，樁的承載力不受影響。

所以，現(xiàn)目前樁基設(shè)計(jì)文件允許試樁壓至破壞。

(5)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)[4]7.5.9第2條：“終壓連續(xù)復(fù)壓次數(shù)應(yīng)根據(jù)樁長及地質(zhì)條件等因素確定。對于入土深度≥8 m的樁，復(fù)壓次數(shù)可為2～3次，對于入土深度<8 m的樁，復(fù)壓次數(shù)可為3～5次?！钡?條：“穩(wěn)壓壓樁力不得小于終壓力，穩(wěn)壓壓樁的時間宜為5～10 s?！?/p>

但實(shí)際施工中，壓樁終了大部分樁都是以標(biāo)高控制，極少用壓樁力控制。都不進(jìn)行復(fù)壓和穩(wěn)壓操作。所以7.5.9的第2、3條值得商榷。

4 結(jié)語

在樁基設(shè)計(jì)和施工中，如果掌握了單樁極限承載力的計(jì)算方法和在飽和土地層中壓樁力和單樁極限承載力的關(guān)系，就可以根據(jù)壓樁力估算單樁極限承載力。在不增加樁長的前提下，充分發(fā)揮樁在土體恢復(fù)后承載力的增長潛力，讓樁的承載力最大限度的發(fā)揮出來。使樁基設(shè)計(jì)、施工更趨于科學(xué)合理，減少樁數(shù)，降低成本，對于指導(dǎo)施工、減少投資具有重要的意義。