某高層建筑灌注樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉少武

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 廣州510060）

1 工程概況

某高層建筑項(xiàng)目場(chǎng)地位于粵東沿海地區(qū)，東面臨近河流，屬第四系沖積相和海陸交互相沉積地貌?？傆玫孛娣e為45 492 m2，總建筑面積為27 萬(wàn)m2，建筑設(shè)計(jì)為14 棟28～31 層的高層住宅樓，地下室2 層。項(xiàng)目于2013 年進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。地質(zhì)報(bào)告揭示的場(chǎng)地土層分布情況及承載力如表1所示。

2 基礎(chǔ)選型

2.1 場(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn)

場(chǎng)地地質(zhì)有以下特點(diǎn)：⑴地質(zhì)條件較為復(fù)雜，砂層與粘性土互層，層厚變化大；⑵土層中部有較為穩(wěn)定的⑥粗砂層及⑦礫砂層，其下方普遍存在較厚的軟弱下臥層；⑶花崗巖全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層厚度變化大，中風(fēng)化巖埋置深。

本工程屬高層建筑，對(duì)地基的承載力和變形要求較高，因此適合采用樁基礎(chǔ)。

2.2 樁基礎(chǔ)選型

若考慮作為預(yù)應(yīng)力管樁的樁端持力層，存在以下問(wèn)題：⑴常用的預(yù)應(yīng)力管樁難以穿越⑥粗砂層及⑦礫砂層，雖然樁端承載力比較高（qpa=4 000 kPa），但是這時(shí)樁的有效樁長(zhǎng)只有11～16 m 左右，預(yù)應(yīng)力管樁直徑φ500 mm，單樁承載力特征值計(jì)算值為1 200 kN。無(wú)法滿(mǎn)足本項(xiàng)目高層住宅的荷載要求；⑵粗砂層及礫砂層厚度變化幅度大，其中粗砂層厚度約為1.10～8.00 m，礫砂層厚度約為0.90～11.50 m。同時(shí)由于場(chǎng)地砂層與粘性土互相交錯(cuò)，部分地段礫砂層厚度不大，樁端持力層厚度可能會(huì)不足，樁基礎(chǔ)也可能會(huì)穿越該層進(jìn)入軟弱下臥層⑧砂質(zhì)粘性土，對(duì)樁的承載力及沉降產(chǎn)生一定的影響，可能會(huì)造成群樁的不均勻沉降。

若采用鉆孔灌注樁，樁端則可穿越較厚的砂層，進(jìn)入承載力較高且壓縮性較低的強(qiáng)風(fēng)化巖層（qpa=1 000 kPa）。灌注樁直徑1 200 mm，樁端入強(qiáng)風(fēng)化巖10 m，有效樁長(zhǎng)約36～40 m。按表1 提供的側(cè)摩阻力、端阻力特征值，計(jì)算得出單樁豎向承載力特征值為7 500 kN（其中總端阻力特征值為1 130 kN，總側(cè)阻力為6 370 kN，總側(cè)阻力占樁總承載力的85%）。

最終選定采用鉆孔灌注樁進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)樁承載力驗(yàn)證與分析

工程樁正式施工前，先施工2根試驗(yàn)樁，分別采用基樁自平衡靜載試驗(yàn)、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)2 種方法進(jìn)行承載力檢測(cè)。

3.1 基樁自平衡靜載試驗(yàn)

表1 土層分布情況及承載力建議值一覽Tab.1 List of Soil Layer Distribution and Recommended Values of Bearing Capacity

3.1.1 試驗(yàn)原理［1，2］

基樁自平衡靜載試驗(yàn)在受力特點(diǎn)上比較接近樁的實(shí)際工作條件。試驗(yàn)的加載設(shè)備為荷載箱，荷載箱與鋼筋籠連接后安裝在樁身的中下部，同時(shí)將高壓油管和位移測(cè)量裝置一起引到地面。試驗(yàn)過(guò)程中，從樁頂高壓油管對(duì)荷載箱內(nèi)部施加壓力，隨著箱頂與箱底被推開(kāi)，就產(chǎn)生了向上與向下的推力，隨之調(diào)動(dòng)了樁周土的側(cè)阻力與端阻力的發(fā)揮，直到設(shè)計(jì)要求的最大試驗(yàn)荷載，或者達(dá)到破壞。單樁抗壓極限承載力由樁側(cè)土摩阻力與樁端土阻力相加得到。根據(jù)巖土勘察資料及巖土參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定荷載箱埋設(shè)位置。計(jì)算的原則為荷載箱位置處的上、下段樁的承載力相等。試驗(yàn)樁的樁身平衡點(diǎn)計(jì)算情況如表2所示。

3.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1#試驗(yàn)樁第二級(jí)（對(duì)應(yīng)荷載箱荷載1 500 kN）、第三級(jí)（對(duì)應(yīng)荷載箱荷載2 250 kN）加載過(guò)程中油壓能穩(wěn)住，上部樁位移和樁頂位移均很小且均能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。加載第四級(jí)（對(duì)應(yīng)荷載箱荷載3 000 kN）加載過(guò)程中油壓能穩(wěn)住，上部樁位移和樁頂位移均開(kāi)始逐漸變大均但能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，此兩級(jí)荷載的累計(jì)位移量分別是7.83 mm、7.52 mm。但在進(jìn)行第五級(jí)（對(duì)應(yīng)荷載箱荷載3 750 kN）加載過(guò)程中，上部的樁位移和樁頂?shù)奈灰贫荚谒查g變大，荷載不能穩(wěn)定，在停止補(bǔ)壓情況下的荷載只能維持在3 100 kN 左右，上部的樁位移、樁頂位移及下部樁位移累計(jì)值分別達(dá)到22.61 mm、22.67 mm、13.06 mm。樁上部及樁下部荷載位移曲線如圖1所示。

為防止試驗(yàn)樁發(fā)生整體滑移破壞，停止加載轉(zhuǎn)為卸載，荷載箱上部樁的實(shí)測(cè)極限值取3 000 kN。

3.1.3 單樁豎向抗壓承載力特征值的確定

根據(jù)《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法：JT/T 738-2009》的規(guī)定，單樁豎向抗壓極限承載力為：

表2 1#試驗(yàn)樁平衡點(diǎn)的計(jì)算Tab.2 Calculation of Balance Point of Test Pile 1

式中：Qu為單樁豎向抗壓極限承載力；Qu上為荷載箱上部樁的實(shí)測(cè)極限值；Qu下為荷載箱下部樁的實(shí)測(cè)極限值；W為荷載箱上部樁自重；γ為荷載箱上部樁側(cè)阻力修正系數(shù)，取加權(quán)平均值。

圖1 上部樁U-δ曲線和下部樁Q-s曲線Fig.1 U-δ Curve of Upper Pile and Q-s Curve of Lower Pile

根據(jù)1#樁試驗(yàn)位移數(shù)據(jù)可知，Qu上=3 000 kN，Qu下≥3000kN，W=834kN，γ=0.794，則Qu=5 727.14 kN。對(duì)應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力特征值為Qa=Qu/2=2 863.50 kN。

3.2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

2#試驗(yàn)樁抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果如下：樁徑φ1 200，樁長(zhǎng)39.0 m，單樁承載力特征值為7 500 kN，終止荷載為15 000 kN，單樁極限承載力為11 000 kN，最大沉降量為129.76 mm，殘余沉降量為117.42 mm，承載力特征值對(duì)應(yīng)沉降量為20.56 mm。單樁豎向抗壓承載力特征值取11 000/2=5 500 kN。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

基樁自平衡靜載試驗(yàn)中，平衡點(diǎn)以上樁的側(cè)摩阻力極限值為3 000 kN，推算得出樁側(cè)摩阻力特征值約為14 kPa。按地質(zhì)報(bào)告中提供的參數(shù)，平衡點(diǎn)以上樁的側(cè)摩阻力特征值的加權(quán)平均值為38 kPa。樁側(cè)摩阻力特征值按試驗(yàn)結(jié)果推算僅達(dá)到按地質(zhì)報(bào)告參數(shù)計(jì)算的37%。

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)得出單樁承載力特征值為5 500 kN，端阻力按地質(zhì)報(bào)告提供的1 130 kN，推算出樁的總側(cè)摩阻力特征值約為4 370 kN。按地質(zhì)報(bào)告參數(shù)計(jì)算，原設(shè)計(jì)樁總側(cè)摩阻力特征值6 370 kN。樁側(cè)摩阻力按試驗(yàn)結(jié)果推算僅為按地質(zhì)報(bào)告參數(shù)計(jì)算的69%。

上述樁承載力試驗(yàn)，均達(dá)不到原設(shè)計(jì)的單樁承載力要求。原因是場(chǎng)地中粗砂層、礫砂層及花崗巖殘積土厚度比較大，普遍達(dá)到30 m 左右，泥漿護(hù)壁成孔灌注樁在這些土層范圍內(nèi)，樁土之間形成比較厚的軟塑狀泥皮。這些泥皮的存在，大大削弱了灌注樁的側(cè)摩阻力。巖土工程勘察報(bào)告提供的場(chǎng)地巖土層側(cè)摩阻力，實(shí)際上無(wú)法達(dá)到。從試驗(yàn)結(jié)果還可以看到，土層側(cè)摩阻力上部土層比下部土層削弱的程度更大。

4 后注漿灌注樁設(shè)計(jì)

4.1 后注漿灌注樁的作用原理

近年來(lái)，后注漿鉆孔灌注樁在建筑工程和交通工程中應(yīng)用比較廣泛［3-8］。為達(dá)到原設(shè)計(jì)的單樁承載力特征值，在不增加樁長(zhǎng)及樁徑的情況下，對(duì)鉆孔灌注樁考慮增加樁端后注漿的施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。在灌注樁的樁身預(yù)埋注漿管，當(dāng)樁身混凝土達(dá)到指定的強(qiáng)度后，采用高壓將水泥漿液通過(guò)注漿管注入到樁端或者樁側(cè)設(shè)定范圍的土層中。水泥漿液通過(guò)滲透、劈裂、填充、置換、壓密及固結(jié)，對(duì)樁端沉渣和樁側(cè)泥皮進(jìn)行一定程度的固化，樁端、樁側(cè)設(shè)定范圍內(nèi)土的物理力學(xué)性質(zhì)得到改善，不同程度地提高了樁端阻力和樁側(cè)阻力，減少了樁基的沉降。

4.2 后注漿灌注樁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

注漿量及注漿壓力是后注漿灌注樁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ 94-2008》［9］第5.3.10條，樁端阻力增強(qiáng)系數(shù)βp按強(qiáng)風(fēng)化巖取2.0。從樁端以上12 m 范圍內(nèi)樁側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)βsi按全、強(qiáng)風(fēng)化巖取1.4；樁側(cè)其余部分的側(cè)阻力按巖土工程勘察報(bào)告建議值的0.7 倍取值計(jì)算。在單樁豎向承載力特征值保持為7 500 kN，其中總端阻力特征值為2 260 kN，總側(cè)阻力為5 240 kN。

后注漿鉆孔灌注樁注漿量按文獻(xiàn)［9］第6.7.4 條計(jì)算。樁端注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)αp取1.5～1.8，直徑1 200 mm 的灌注樁注漿量約為2.2 t（以水泥質(zhì)量計(jì)），注漿終壓力≥3 MPa。滿(mǎn)足下列條件之一可終止注漿：①注漿壓力及注漿總量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求；②注漿總量不小于設(shè)計(jì)值的75%，同時(shí)注漿壓力不小于設(shè)計(jì)值。

實(shí)際施工中，由于場(chǎng)地砂層比較厚，對(duì)樁施工工藝試驗(yàn)時(shí)，滿(mǎn)足注漿終壓力≥3 MPa的水泥用量基本都達(dá)到3.4 t以上，約為文獻(xiàn)［9］建議范圍較高值的1.5倍。

按此推算，樁端注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ap約為2.8。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：BDJ 15-31-2016》［10］第10.1.8條，注漿量按樁徑的2～3倍估計(jì)，則實(shí)際注漿量與按文獻(xiàn)［10］建議范圍的較高值比較接近。本工程最終確定直徑1 200 mm的灌注樁注漿量約為3.4 t，注漿終壓力不低于3 MPa。

4.3 后注漿灌注樁的承載力驗(yàn)證

后注漿灌注樁施工后進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，主要結(jié)果如表3 所示。單樁豎向承載力特征值均能滿(mǎn)足不低于7 500 kN的設(shè)計(jì)要求。

表3 后注漿灌注樁單樁抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Static Load Test Results of Single Post Grouting Pile

5 結(jié)語(yǔ)

⑴泥漿護(hù)壁成孔灌注樁在花崗巖土層的樁土之間形成比較厚的泥皮，大大降低了灌注樁的側(cè)摩阻力。按巖土工程勘察報(bào)告提供的場(chǎng)地巖土層側(cè)摩阻力，應(yīng)乘以一定的折減系數(shù)采用，對(duì)花崗巖及其殘積土層，土層側(cè)摩阻力的折減系數(shù)取值應(yīng)不大于0.7。

⑵試驗(yàn)表明，采用后注漿的灌注樁，樁端阻力和樁側(cè)阻力都有不同程度的提高，并且有效減少樁基沉降。

⑶花崗巖及其殘積土層上的后注漿灌注樁，注漿量取值宜適當(dāng)放大。當(dāng)按文獻(xiàn)［9］進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，樁端注漿量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)αp可按建議值最高限值的1.5 倍取值。當(dāng)按文獻(xiàn)［10］進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可按建議值的最大值取值，即注漿量按樁徑的3倍計(jì)算確定。