巖土工程勘察中樁基參數(shù)的綜合取值方法

張學(xué)飛

(1. 江蘇省地礦局巖土工程應(yīng)用技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212021；2. 江蘇省巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212021)

0 引 言

目前，高層建筑通常有多層地下室，基礎(chǔ)埋深大，為滿足設(shè)計(jì)對(duì)變形控制的要求，多采用樁筏地基基礎(chǔ)形式，單樁豎向極限承載力依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)由靜載荷試驗(yàn)確定，作為設(shè)計(jì)依據(jù)的巖土勘察所提供的各巖土層的樁基參數(shù)取值的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。

目前，樁基參數(shù)的取值方法有原位測(cè)試法和規(guī)范經(jīng)驗(yàn)法。原位測(cè)試法主要有：① 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果估算混凝土預(yù)制樁豎向極限側(cè)阻力(《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 72—2017)附錄D)；② 根據(jù)單(雙橋)靜力觸探資料估算混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法主要根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)中關(guān)于土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)提供的估算單樁豎向極限承載力所需的側(cè)阻力、端阻力，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值提供參數(shù)的方法。

實(shí)際工作中，因勘察人員水平參差不齊，即使是同一個(gè)項(xiàng)目，不同的勘察人員往往會(huì)給出不同的樁基參數(shù)。為有效降低甚至避免人為因素的影響，嘗試?yán)镁C合參數(shù)法對(duì)樁基參數(shù)進(jìn)行取值，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 樁基參數(shù)綜合取值方法

1.1 樁基參數(shù)取值法分析

1.1.1 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法 根據(jù)土的物理指標(biāo)，依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)提供樁基參數(shù)。土的物理指標(biāo)常因勘察質(zhì)量的好壞而存在一定的差異，勘察人員使用此物理指標(biāo)按樁基規(guī)范表5.3.5-1、表5.3.5-2來提供樁基參數(shù)，但為了安全，往往提供取值范圍內(nèi)的小值，并沒有按內(nèi)插法去取值，這就是大量試樁結(jié)果比按勘察報(bào)告提供的樁基參數(shù)計(jì)算的極限承載力要高很多的主要原因，如果工藝試樁滿足設(shè)計(jì)要求卻不做破壞性試驗(yàn)，利用勘察報(bào)告提供的樁基參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工往往會(huì)造成建設(shè)浪費(fèi)。

1.1.2 靜力觸探法 按靜力觸探探頭端阻力和側(cè)壁摩阻力來提供樁基參數(shù)。該方法較為準(zhǔn)確(張學(xué)飛等，2011)，前提是靜力觸探試驗(yàn)的貫入速度必須按規(guī)范要求進(jìn)行。目前，雙橋靜力觸探基本上是機(jī)械式的，施工速度多快于規(guī)范要求(≤1.0 m/min)，會(huì)造成土的瞬時(shí)破壞，其超靜孔隙水壓力未起作用，探頭的側(cè)壁阻力偏小，因此在利用側(cè)壁摩阻力時(shí)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行糾偏。

1.1.3 標(biāo)貫成果估算法 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)易出現(xiàn)誤差，尤其是砂層中和較深的標(biāo)貫(>30 m)試驗(yàn)中，因塌孔或未清理浮土，或預(yù)打擊數(shù)不規(guī)范，造成實(shí)打標(biāo)貫擊數(shù)偏大。按此時(shí)的標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)提供的混凝土預(yù)制樁極限側(cè)阻力偏大，顯然不安全，這是預(yù)制樁(管樁)試樁結(jié)果達(dá)不到按勘察報(bào)告樁基參數(shù)估算的豎向極限承載力的主要原因。

上述經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法與靜力觸探法雖有一些研究(程紅梅等，2008；王宗文等，2013)，但對(duì)靜力觸探指標(biāo)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法及根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ/T 72—2017)附錄D提供的樁基參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析研究較少。

1.2 樁基參數(shù)綜合取值方法

樁基參數(shù)綜合取值方法利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法、雙橋靜力觸探法和標(biāo)貫法，分別提供樁側(cè)極限摩阻力、樁端極限端阻力，取3種方法的加權(quán)平均值為樁側(cè)極限摩阻力、樁端極限端阻力，步驟如下。

(1)根據(jù)分層后土層的物理力學(xué)指標(biāo)平均值e、IL、N，依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法表5.3.5-1、表5.3.5-2，按內(nèi)插法取值提供樁側(cè)極限摩阻力qsik、樁端極限端阻力qpk。

(2)根據(jù)分層后土層的雙橋探頭錐尖阻力平均值qc和側(cè)壁摩阻力平均值fs提供樁側(cè)極限摩阻力qsik、樁端極限端阻力qpk。

(3)根據(jù)分層后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)平均值，依據(jù)《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 72—2017)附錄D的表D.0.1和表D.0.2，按內(nèi)插法取值提供樁側(cè)極限摩阻力qsik、樁端極限端阻力qpk。

(4)對(duì)上述步驟(1)—(3)樁側(cè)極限摩阻力qsik、樁端極限端阻力qpk分別求和，取其平均值作為此次樁基的樁側(cè)極限摩阻力qsik、樁端極限端阻力qpk。

該法可有效消除勘察中的參數(shù)取值誤差，相較于按某一種方法提供樁基參數(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，不但安全性有保障，而且提供的樁基參數(shù)往往十分接近土層的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。

按此法提供樁基參數(shù)，其單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式(1)中，Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Qsk為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Qpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；u為樁身周長(zhǎng)，m；qsik為綜合取值后樁周第i層土的極限側(cè)阻力，kPa；li為樁周第i層土的厚度，m；qpk為綜合取值后樁周第i層土的極限端阻力，kPa；Ap為樁端面積，m2。

該方法適用范圍較廣，黏性土、粉土、砂土及全風(fēng)化土層均適合。

2 工程實(shí)例

某工程(張學(xué)飛，2018)總建筑面積約為16.3萬(wàn)m2，其中地上建筑面積約為11.8萬(wàn)m2，地下建筑面積約為4.6萬(wàn)m2，住宅樓地上8～28層，地下1～2層，單柱最大荷載為10 420 kN，采用樁筏基礎(chǔ)，各建筑均設(shè)有1層地下室(局部2層)，與純地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)通過大底盤連為一體，其中高層建筑與多層及地下室層差超過10層。按相關(guān)規(guī)范判定其勘察等級(jí)、樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)均為甲級(jí)，地下車庫(kù)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為三級(jí)，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)≥0.90；抗震設(shè)防類別為丙類。勘察查明的場(chǎng)地土層分布及有關(guān)巖土參數(shù)見表1。

該工程天然地基不能滿足設(shè)計(jì)要求，勘察查明場(chǎng)地內(nèi)⑦、⑧、⑨、⑩等層土為中等壓縮性為主的土層，其下臥層均為中偏低壓縮性土層，分布穩(wěn)定，強(qiáng)度較高，是較好的樁端持力層?？辈靾?bào)告建議對(duì)地下室抗浮、多層建筑和小高層建筑采用預(yù)制樁(竹節(jié)樁)，以⑦層粉砂或⑧層粉質(zhì)黏土為樁端持力層；對(duì)高層建筑建議采用鉆孔灌注樁，以⑨層粉質(zhì)黏土為樁基持力層，以上樁型均按摩擦樁設(shè)計(jì)。

對(duì)表1按綜合取值法步驟(1)、(2)、(3)、(4)分別提供預(yù)制樁的樁基參數(shù)(表2)。

同理，按上述方法求得泥漿護(hù)壁灌注樁的綜合取值法樁基參數(shù)，將2種取值法求得的樁基參數(shù)作為勘察報(bào)告最終提交的樁基參數(shù)(表3)。

土層的液化折減系數(shù)、樁周土的負(fù)摩阻力系數(shù)、抗拔樁的抗拔系數(shù)等按相關(guān)規(guī)范提供(表3)。

3 樁基參數(shù)的精確性及其驗(yàn)證

按規(guī)范要求在地質(zhì)情況較差的勘探孔部位進(jìn)行工藝性試樁，樁基持力層為⑦層粉砂層，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)從自然地面往下21.0 m，樁基齡期滿28天后進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，結(jié)果工藝試樁最大加載為3 100 kN，滿足設(shè)計(jì)單樁極限承載力3 100 kN要求，檢測(cè)合格，故未做破壞性檢測(cè)，但試樁結(jié)果只能表明勘察提供的樁基參數(shù)是安全的，其合理性和經(jīng)濟(jì)性無法進(jìn)行推測(cè)。

表1 土層分布及原位測(cè)試結(jié)果

表2 綜合取值法預(yù)制樁樁基參數(shù)

表3 勘察報(bào)告樁基參數(shù)(綜合取值法)

由于1#、2#樓(淮安市水勘院工程檢測(cè)有限公司，2019a)工程樁(竹節(jié)樁)檢測(cè)不合格，可用于驗(yàn)證勘察報(bào)告提供的樁基參數(shù)的合理性。

1#樓、2#樓均為8層小高層，地下2層，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁，設(shè)計(jì)單樁承載力特征值為1 500 kN，樁端持力層為⑦層粉砂且進(jìn)入持力層3d，竹節(jié)樁編號(hào)為T-PC-B500-460(110)，靜壓法施工，1#、2#樓樁統(tǒng)一編號(hào)，施工日期為2018-07-27—2018-08-06，1#樓總樁數(shù)為77根，2#樓總樁數(shù)為78根。根據(jù)規(guī)范要求，1#樓、2#樓各抽測(cè)3根工程樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)(表4)。

表4 受檢樁施工記錄

表4中的6根工程樁均在加荷至2 100 kN時(shí)發(fā)生樁頂沉降量>40 mm的情況，達(dá)到了破壞性檢測(cè)要求。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)程》(DGJ32/TJ 142—2012)，取前一級(jí)荷載為單樁極限承載力實(shí)測(cè)值。樁檢測(cè)結(jié)果見表5。

6根樁所在的位置均為勘察時(shí)地層相對(duì)較差的位置，對(duì)應(yīng)在勘察報(bào)告剖面圖30-30′上，其附近可利用計(jì)算的勘探孔及樁剖面圖(圖1、圖2)。

由圖1、圖2可知，這6根試樁中僅26#樁、48#樁剛進(jìn)入⑦層粉砂層，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ 32/TJ 208—2016)未達(dá)到進(jìn)入持力層3d倍，即1.5 m，其余4根樁停留在⑥層粉質(zhì)黏土上，未進(jìn)入⑦層持力層。根據(jù)表5，這6根樁均已達(dá)到破壞性試驗(yàn)，可對(duì)③、④、⑤、⑥、⑦層土的樁側(cè)壁極限摩阻力和⑥、⑦層土的極限端阻力進(jìn)行反向計(jì)算及分析驗(yàn)證。

依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(DJ 32/TJ 109—2010)混凝土預(yù)應(yīng)力管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算公式如下：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)

(2)

取λp=0.8、d=0.50 m、d1=0.28 m，根據(jù)圖1、圖2，按樁基參數(shù)表3計(jì)算其單樁豎向極限承載力值(表6)。

可見，提供的第③、④、⑤、⑥、⑦層樁基參數(shù)接近土的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)合理。表中6根工程樁均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的進(jìn)入⑦層持力層的3d(后續(xù)處理及造成1#樓、2#樓樁基檢測(cè)不合格的原因不在探討范圍之內(nèi))。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，工藝性試樁一般需要做破壞性試驗(yàn)，然后根據(jù)工藝性試樁結(jié)果并結(jié)合勘察報(bào)告中提供的樁基參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(陳紅玲等，2014)。

綜合取值法在另外的樁基破壞性檢測(cè)中也得到了大量驗(yàn)證(驗(yàn)證方法同上)。

表5 樁基檢測(cè)結(jié)果

圖1 1#樓樁基計(jì)算參數(shù)縱剖面圖

圖2 2#樓樁基計(jì)算參數(shù)縱剖面圖

4 樁基參數(shù)合理性、安全性、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

(1)合理性：根據(jù)樁基檢測(cè)結(jié)果(表5)和估算單樁豎向極限承載力(表6)，在單樁豎向極限承載力取值為1 500 kN時(shí)，尤其是樁端進(jìn)入⑥層粉質(zhì)黏土層的4根工程樁，可以推斷本次提供的第③、④、⑤、⑥、⑦層樁基參數(shù)接近土的真實(shí)狀態(tài)，接近度為97%～100%。

(2)經(jīng)濟(jì)性：根據(jù)表5、表6，本次提供的樁基參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性基本達(dá)到最大化，最優(yōu)率達(dá)95%～99%。

(3)安全性：根據(jù)表5、表6，本次提供的樁基參數(shù)的安全性有保障，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在加載至2 100 kN時(shí)，樁基沉降量發(fā)生陡降，證明樁的實(shí)際承載力在1 500～2 100 kN范圍內(nèi)，安全系數(shù)在1.0～1.3范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

(1)采用綜合參數(shù)法，可以有效減少因勘察人員水平的高低而提供不同的樁基參數(shù)造成的影響，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

(2)采用綜合取值法提供土層的樁側(cè)極限摩阻力和樁端極限端阻力能較好地反映土的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，樁基參數(shù)滿足設(shè)計(jì)對(duì)單樁承載力特征值的要求，并在相當(dāng)多的工程實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。從工程樁破壞性試驗(yàn)的角度對(duì)該方法進(jìn)行了論證，結(jié)果表明該取值方法可靠、可行。

(3)勘察人員對(duì)于樁基參數(shù)選取時(shí)應(yīng)慎重，不僅要考慮工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，還需考慮原始數(shù)據(jù)的代表性、離散性，具體問題具體分析，使提供的參數(shù)能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需求，達(dá)到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的目的。

表6 單樁豎向極限承載力計(jì)算