淺議液化土地區(qū)灌注樁的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

趙躍亭，李耀杰，張吉寧

（山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

目前高層、超高層建筑的基礎(chǔ)常常采用樁基礎(chǔ)形式，確定樁基礎(chǔ)的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要問題之一。由于樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)屬于巖土工程和結(jié)構(gòu)工程的交叉學(xué)科內(nèi)容，不少初學(xué)者對(duì)確定樁基礎(chǔ)單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的影響因素了解得不夠全面，在確定樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可能過高地估計(jì)了單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，使工程的后期使用存在一定的安全隱患。目前在勘察報(bào)告中同行通用的做法是根據(jù)場地地層情況和設(shè)計(jì)單位提供的上部荷載參照 JGJ 94－2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［1］（以下簡稱“JGJ 94－2008”）提供的參數(shù)進(jìn)行單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值預(yù)估。由于后注漿技術(shù)對(duì)樁周和樁端阻力的提高較大，導(dǎo)致決定單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的因素可能由土層的側(cè)阻、端阻向樁身強(qiáng)度轉(zhuǎn)變，加之液化土層的液化效應(yīng)會(huì)加速這種轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響后注漿效果的發(fā)揮。對(duì)液化土地區(qū)確定單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值需要全面考慮樁周、樁端土層阻力、樁身強(qiáng)度、液化土層對(duì)側(cè)阻及端阻的影響，液化土層對(duì)樁身強(qiáng)度的影響等各種因素。

本文根據(jù)太原某工地試樁結(jié)果，結(jié)合場地的詳細(xì)巖土工程勘察報(bào)告，按現(xiàn)行規(guī)范 JGJ 94－2008 提供的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行一些探討，對(duì)今后液化土地區(qū)確定灌注樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

山西太原某工地?cái)M建超高層公寓，基礎(chǔ)埋深11.9 m，樁徑 800 mm，主筋 16Φ14，保護(hù)層厚度 50 mm，樁長 51.5 m，采用灌注樁+后注漿，成孔工藝為旋挖成孔，根據(jù)場地詳細(xì)巖土工程勘察報(bào)告及設(shè)計(jì)要求和JGJ 94－2008，場地地下水位埋深-7.0 m，第 ③、④ 層為液化土層，擬建場地的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)值如表 1 所示。

2 試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的基底壓力估算的單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)場地巖土工程勘察報(bào)告提供的巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表和設(shè)計(jì)擬采用的樁身混凝土強(qiáng)度，結(jié)合現(xiàn)場載荷試驗(yàn)共同確定單樁試樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

2.1 采用巖土參數(shù)計(jì)算試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

由于試樁時(shí)樁周土層不液化，應(yīng)采用注漿效果不考慮土層液化影響的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，考慮注漿效果的不確定性，根據(jù) JGJ 94－2008 第 5.3.10 條，計(jì)算公式如式（1）所示，注漿增強(qiáng)系數(shù)取低值、均值、高值的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值如表 2 所示。

表2 不同注漿系數(shù)下的試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u 為樁身周長，m；qsik、qpk分別為后注漿豎向增強(qiáng)段第 i 土層初始極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、初始極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；βsi、βp分別為后注漿側(cè)阻力、端阻力增強(qiáng)系數(shù)；Ap為樁端面積；lj為樁周第 j 層的厚度，m；lgi為樁周第 i 層土的厚度，m。

2.2 采用樁身強(qiáng)度反算試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

按照設(shè)計(jì)要求，試樁采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C60，根據(jù) JGJ 94－2008 第 5.8.2～5.8.3 條及其條文說明，計(jì)算公式如式（2）～（3）所示。

成樁工藝系數(shù)φc分別取 0.7、0.8，反算得到的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值如表 3 所示。

表3 樁身強(qiáng)度反算的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

式中：Rp為樁身受壓承載力設(shè)計(jì)值，kN；φc為成樁工藝系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；f ′y為主筋受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；A′s為主筋截面面積，mm2；Aps為樁身截面面積，mm2。

表1 巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

2.3 采用載荷試驗(yàn)確定試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

試樁完成后，休止期達(dá)到檢測條件時(shí)，依據(jù)JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》［2］4.3～4.4節(jié)進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，加載方法采用慢速維持荷載法，典型樁部分試驗(yàn)結(jié)果如圖 1 所示。

圖1 典型試樁 p-s 曲線圖

根據(jù)曲線圖 1 可以得到試樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可取 16 000 kN、單樁極限承載力特征值可取 8 000 kN。

由上述計(jì)算分析可知：由巖土參數(shù)設(shè)計(jì)的試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值比樁身強(qiáng)度反算和現(xiàn)場載荷試驗(yàn)的試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值略低，滿足一定的安全裕度，本工程試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取 16 000 kN、特征值可取 8 000 kN；本工程勘察報(bào)告提供的巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)較合理，采用的后注漿工藝效果良好，現(xiàn)場施工管理水平較高，故可采用勘察報(bào)告提供的巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行工程樁的設(shè)計(jì)。

3 工程樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)

3.1 僅考慮液化影響計(jì)算工程樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

工程樁在工程使用年限內(nèi)，樁周土層可能液化，承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮液化土的影響，根據(jù) JGJ 94－2008第 5.3.5 條，計(jì)算公式如式（4）所示。

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u 為樁身周長，m；qsik、qpk分別為第 i 土層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Ap為樁端面積，m2；lj為樁周第 j 層土的厚度，m。

結(jié)合5.3.12條，由于基礎(chǔ)位于液化土層中，土層液化影響折減系數(shù)中 φl取 0，可得 Quk=6 548 kN。

3.2 同時(shí)考慮液化和注漿影響計(jì)算工程樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

由于液化土層的液化效應(yīng)導(dǎo)致單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值較低，為進(jìn)一步提高單樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，液化土地區(qū)一般建議采用后注漿工藝的樁基礎(chǔ)。根據(jù) JGJ 94－2008 第 5.3.10 條計(jì)算公式如式（5）所示。

式中各參數(shù)取值同式（1）。

結(jié)合 5.3.12 條，由于基礎(chǔ)位于液化土層中，土層液化影響折減系數(shù) φl取 0。注漿增強(qiáng)系數(shù)取低值、均值、高值，分別計(jì)算得單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，如表 4 所示。

表4 不同注漿系數(shù)下的試樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值 kN

3.3 采用樁身強(qiáng)度反算工程樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

3.3.1 樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)的確定

根據(jù) GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］8.5.3 條及 JGJ 94－2008 第 4.1.2條，設(shè)計(jì)使用年限不少于 50 年時(shí)，灌注樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 C25；二 b 類環(huán)境及三類及四類、五類微腐蝕環(huán)境中不應(yīng)低于 C30；水下灌注混凝土的樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜高于 C40。結(jié)合當(dāng)前實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用的樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般不超過 C50。本文分別按樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí) C30、C40、C50 反算單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3.2 不考慮液化土對(duì)樁身強(qiáng)度影響的工程樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的確定

根據(jù) JGJ 94－2008 第 5.8.2～5.8.3 條及其條文說明，當(dāng)不考慮樁身配筋僅考慮成樁工藝系數(shù)φc時(shí)，按φc分別取 0.7、0.8，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí) C30、C40、C50 反算的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值如表 5 所示。

表5 單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值表 kN

3.3.3 考慮液化土對(duì)樁身強(qiáng)度影響的工程樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的確定

1）地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù) m 的確定

根據(jù) JGJ 94－2008 5.7.5條及 C.0.2 條，由于基樁側(cè)面主要影響深度范圍內(nèi)的土層為④細(xì)砂，稍密狀態(tài)，不考慮液化時(shí) m 取 14～35 MN/m4；考慮液化時(shí)，應(yīng)乘以 JGJ 94－2008 表 5 中的數(shù)值中相應(yīng)的系數(shù)。

根據(jù) GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］4.3.4 條、4.4.3 條，Ncr及 λN計(jì)算公式如式（6）～（7）所示。

可得：Ncr=18.8，λN=0.72。

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，取 12；N為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測值；λN為實(shí)測值/臨界值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分比，取 3；β為調(diào)整系數(shù)，取 0.95。

根據(jù) JGJ 94－2008 表 6：0.6≤λN≤0.8，得φl=2/3，則 m 取 9.3～23.3 MN/m4。

2）樁的水平變形系數(shù) α 的確定

根據(jù) JGJ 94－2008 第 5.7.5 條，計(jì)算公式如式（8）～（9）所示。

式中：m 為樁側(cè)水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；d 為樁身直徑，m；EI 為樁身抗彎剛度，N/mm2；b0為樁身的計(jì)算寬度，m。

樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30、C40、C50 時(shí)樁的水平變形系數(shù) α 如表 6 所示。

表6 不同樁身強(qiáng)度等級(jí)下樁的水平變形系數(shù) α

3）樁身穩(wěn)定系數(shù)φ及工程樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的確定

根據(jù) JGJ 94－2008 第 5.8.4 條，樁周土層的液化深度 dl=8.9 m，φl=2/3，計(jì)算公式如式（10）～（11）所示。

式中：l′0為樁露出地面的長度，m；lc為樁身壓曲計(jì)算長度，m；

結(jié)合表 6，可得：樁頂鉸接時(shí)，樁身穩(wěn)定系數(shù)φ的計(jì)算如表 7 所示。

表7 不同樁身強(qiáng)度等級(jí)下的φ

根據(jù) JGJ 94－2008 第 5.8.4 條：對(duì)樁身穿越可液化土的基樁，應(yīng)考慮壓曲影響，可按文中式（2）～（3）計(jì)算所得樁身正截面受壓承載力乘以φ（穩(wěn)定系數(shù)）折減，折減后的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值如表 8 所示。

表8 考慮穩(wěn)定系數(shù)的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值 kN

若基礎(chǔ)埋深調(diào)整為-7.0m，φl=1/3，其他條件不變的情況下，則樁周土層的液化深度為 dl=13.0 m，l′0=8.67 m，樁頂鉸接的情況下，樁身的穩(wěn)定系數(shù)及單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值如表 9 所示。

表9 調(diào)整基礎(chǔ)埋深后的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值 kN

由以上計(jì)算分析可知，未考慮后注漿工藝的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值最低；當(dāng)考慮后注漿工藝后，由樁周、樁端巖土層確定的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值介于由樁身強(qiáng)度反算的單樁極限承載力之間。單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值由樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)與采用了后注漿工藝的巖土層參數(shù)共同確定。

4 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)復(fù)核了場地巖土工程勘察報(bào)告提供巖土參數(shù)的合理性，根據(jù) JGJ 94－2008 的相關(guān)條文對(duì)液化土地區(qū)樁基礎(chǔ)在各種影響因素的單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析。對(duì)太原液化土地區(qū)確定單樁極限承載力的確定有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值，得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于未采用后注漿工藝的樁基礎(chǔ)，其單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值由樁周、樁端巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)決定，樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)不起控制作用。

2）對(duì)于采用了后注漿工藝的灌注樁，其單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的控制因素存在由樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)值到巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的轉(zhuǎn)變，當(dāng)樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)≤C40時(shí)，單樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值由樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)確定，后注漿效果不能充分發(fā)揮。當(dāng)樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)＞C40 時(shí)，當(dāng)不考慮液化效應(yīng)對(duì)樁身強(qiáng)度的影響時(shí)，單樁的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值由采用了后注漿工藝的巖土層參數(shù)確定，當(dāng)場地的液化程度嚴(yán)重且樁周穿越液化土層較大時(shí)，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值的控制因素完全可能由樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)值控制。

因此，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)人員在確定單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)一定要綜合考慮樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，避免給工程的使用留下安全隱患。Q