昆明古滇池湖積層與沖積層工程樁荷載傳遞特性研究

陳云濤，蔡瑞剛

(1.昆明鋼鐵控股有限公司，云南 昆明 650051；2.建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司，北京 100071)

0 引言

昆明城區(qū)所處的原始地貌基本屬于古滇池湖積盆地，一般地基土淺表層局部為第四系全新世人工活動層不等厚的素填土，淺部為第四系全新統(tǒng)坡洪積形成的黏性土及砂類土，中部為第四系全新統(tǒng)湖積形成的礫石土(粉砂、圓礫)，下部為第四系坡殘積形成的黏性土，下伏基巖為上寒武統(tǒng)陡坡寺組泥質(zhì)粉砂巖及龍王廟組白云巖等[1]。軟硬土層交替出現(xiàn)，其持力層及下臥層有較好的承載潛能及抗變形能力，可以滿足小高層建筑地基強(qiáng)度及變形要求，但由于圓礫層中無規(guī)律地分布有厚薄不均的軟弱黏土夾層，使地基均勻性受到了影響，且可能會導(dǎo)致不均勻沉降。因此本地區(qū)的高層建筑，為了規(guī)避風(fēng)險，大多采用樁基礎(chǔ)型式[2-11]。

鉆孔灌注樁的荷載傳遞形狀、側(cè)摩阻力和端阻力的發(fā)揮特性不僅受到上部結(jié)構(gòu)特性和水文地質(zhì)條件的影響，還因區(qū)域地質(zhì)條件的差異和復(fù)雜的土體力學(xué)性質(zhì)而表現(xiàn)出不同形狀，因此研究工程樁受力后其荷載在第四系古滇池湖積層中傳遞性狀，有助于深入了解該地區(qū)土層與工程樁相互作用關(guān)系，為該地區(qū)建筑基礎(chǔ)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)[12-17]。以昆明市某標(biāo)志性超高層建筑為例，通過采用靜載加壓和樁身應(yīng)力測試方法[18-20]，以獲取樁端承載力及樁側(cè)摩阻力，進(jìn)行分析研究。

1 項目概況

1.1 工程簡述

項目位于昆明市南市區(qū)。場地高程介于1888.63～1891.21 m之間，建筑物高度為218 m，地上50層，地下3層，建筑面積約17萬 m2，基樁采用鉆孔灌注樁。試驗樁根據(jù)建筑物所在位置，選擇具代表性的主樓樁3顆(SZ1、SZ2、SZ1-3)，裙樓3顆(SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3)進(jìn)行試驗，具體見圖1。主樓3顆樁樁長均為62.5 m，持力層為第⑧層黏土，樁徑800 mm，設(shè)計單樁抗壓豎向承載力特征值6800 kN；裙樓及地下車庫樁長42.4 m，持力層為第⑥2層粉土層，樁徑800 mm，設(shè)計單樁抗壓豎向承載力特征值4550 kN。

圖1 試驗樁平面布置示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

場地原始地貌位于古滇池湖積盆地中部，由上至下出露地層見表1。

表1 古滇池湖積盆地中部出露地層Table 1 The outcrop strata at the central part of ancient Dianchi Lake in the lacustrine basin

1.3 土的物理力學(xué)指標(biāo)及樁基參數(shù)

土的物理力學(xué)指標(biāo)及樁基參數(shù)見表2。

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)及樁基參數(shù)Table 2 Physical and mechanical indexes of soil layer and pile foundation parameters

2 研究方法

工程采用靜載加壓+樁身應(yīng)力測試方法，以獲取樁端承載力和樁側(cè)摩阻力。

2.1 靜載加壓采用單樁豎向抗壓靜載試驗(慢速維持荷載法)

1)逐級加載，每一級加載達(dá)到相對穩(wěn)定后加下一級荷載，達(dá)到最大加載量后分級卸載到零。每級加載為最大加載量的10%，第一次加載可為最大加載量的20%。

2)沉降觀測，每1h內(nèi)的樁頂沉降量不超過0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定可加下一級荷載。

3)終止加載，當(dāng)達(dá)到設(shè)計要求荷載或者某級樁頂沉降量大于前一級沉量的5倍以上時，可終止加載。

2.2 樁身應(yīng)力測試

進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗時必須同步測試樁體應(yīng)力分布。根據(jù)每棵試樁所處的不同地層層位和樁長對應(yīng)埋設(shè)豎向應(yīng)力元件，本次采用的應(yīng)力元件為振弦式(頻率)鋼筋應(yīng)力計。SZ1埋設(shè)11層，SZ2埋設(shè)9層，SZ1-3埋設(shè)11層，SZ2-1埋設(shè)9層，SZ2-2埋設(shè)10層，SZ2-3埋設(shè)10層。樁頭、設(shè)計樁頂、樁底每層設(shè)4個元件，其他層面每層3個。各試樁元件埋設(shè)數(shù)量、布設(shè)位置及地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖2 SZ1、SZ2、SZ1-3、SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3元件埋設(shè)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of embedding position of SZ1，SZ2，SZ1-3，SZ2-1，SZ2-2，SZ2-3 components

2.3 承載力值

根據(jù)項目設(shè)計單位對本次試樁特征值及試樁終值的要求，即主樓SZ1、SZ2、SZ1-3的試驗承載力特征值為6800 kN，終值為13600 kN；裙樓SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3的特征值為4550 kN；試驗終值為9100 kN。試驗按設(shè)計要求加載到終止，未做到破壞。

3 觀測結(jié)果及成果分析

3.1 軸向壓力分布及變化特征

1)軸向應(yīng)力計算公式：

Pij=Aηfij

式中：A為樁體平均橫截面積，Pij、fij分別為第i截面在第j級荷載下的軸向壓力及頻率，η為參數(shù)。

2)試樁軸向壓力及樁端阻力試驗數(shù)據(jù)見表3～表9。

表3 SZ1軸向壓力數(shù)據(jù)

表4 SZ2軸向壓力數(shù)據(jù)Table 4 Axial pressure data of SZ2 component

表5 SZ1-3軸向壓力數(shù)據(jù)Table 5 Axial pressure data of SZ1-3 component

表6 SZ2-1軸向壓力數(shù)據(jù)Table 6 Axial pressure data of SZ2-1 component

表7 SZ2-2軸向壓力數(shù)據(jù)Table 7 Axial pressure data of SZ2-2 component

表8 SZ2-3軸向壓力數(shù)據(jù)Table 8 Axial pressure data of SZ2-3 component

表9 樁端阻力測試結(jié)果Table 9 Test result of resistance at pile end

3)試驗結(jié)果表明，樁頂區(qū)域的軸向壓力最大，約為樁頂壓力的63%以上；樁底軸向壓力最小，約為樁頂壓力的1%，見圖3。各層在不同樁頂荷載下，軸向壓力沿深度方向的分布及變化特征見圖4。

圖3 樁頂壓力與樁端阻力比例關(guān)系特征Fig.3 The curve diagram of proportional relationship between pile top pressure and pile end resistance

圖4 SZ1、SZ2、SZ1-3在不同樁頂壓力下軸向壓力沿深度方向分布及變化特征Fig.4 Distribution and variation curve of axial pressure along depth of SZ1，SZ2，SZ1-3 components under different pile top pressures

3.2 樁周側(cè)摩阻力分布及變化特征

1)樁周側(cè)摩阻力計算公式：

τij=(Pij+Pi+1，j)/ΔSj

式中：ΔSj為樁體i截面至j截面的樁周側(cè)面積，Pij、Pi+1，j分別為第i和i+1截面在第j級荷載下的軸向壓力。

2)側(cè)摩阻力試驗數(shù)據(jù)見表10～表15。

表10 SZ1側(cè)摩阻力數(shù)據(jù)Table 10 Side friction resistance data of SZ1 component

表11 SZ2側(cè)摩阻力數(shù)據(jù)Table 11 Side friction resistance data of SZ2 component

表12 SZ1-3側(cè)摩阻力數(shù)據(jù)Table 12 Side friction resistance data of SZ1-3 component

表13 SZ2-1側(cè)摩阻力數(shù)據(jù)Table 13 Side friction resistance data of SZ2-1 component

表14 SZ2-2側(cè)摩阻力數(shù)據(jù)Table 14 Side friction resistance data of SZ2-2 component

表15 SZ2-3側(cè)摩阻力數(shù)據(jù)Table 15 Side friction resistance data of SZ2-3 component

3)試驗結(jié)果分析。試樁各段在不同樁頂壓力下樁周側(cè)摩阻力沿深度方向分布及變化特征見圖5。

圖5 SZ1、SZ2、SZ1-3、SZ2-1、SZ2-2、SZ2-3不同樁頂壓力下樁周側(cè)摩阻力沿深度方向分布及變化特征Fig.5 Distribution and variation curve of the lateral friction resistance along the depth direction of the pile under different pile top pressures for SZ1，SZ2，SZ1-3，SZ2-1，SZ2-2，SZ2-3 components

3.3 工程樁樁周摩阻力分析

根據(jù)圖5分析得出如下結(jié)論：

1)對于主樓樁而言，樁身上部(樁埋深在0～20m范圍，大致屬A-B-C段)所處地層為①層人工填土、②層黏土、③層淤泥質(zhì)黏土、④1黏土、④圓礫。在各級樁頂壓力下，該區(qū)段各地層摩阻力得到充分發(fā)揮。主樓樁在13600 kN最大樁頂壓力下，A-B-C段側(cè)摩阻力平均值為120 kPa；對于裙樓而言，樁身上部(樁埋深在0～12m范圍，大致屬A-B-C段)所處地層為①層人工填土、②層黏土、③層淤泥質(zhì)黏土、④1黏土。在各級樁頂壓力下該區(qū)段各地層摩阻力得到充分發(fā)揮。主樓樁在9100 kN最大樁頂壓力下，A-B-C段側(cè)摩阻力平均值為45 kPa；無論是主樓樁還是裙樓樁，樁身上部形成較大摩阻力一定程度上還反映了該區(qū)段土體較大的塑性變形。

2)對于主樓樁而言，樁身中部(樁埋深在20～40 m范圍，大致屬C-D-E-F段)所處地層為⑤黏土、⑥2層粉土、⑥圓礫、⑥2粉土。在各級樁頂壓力下，該區(qū)段各地層摩阻力得到發(fā)揮一般。主樓樁在13600 kN最大樁頂壓力下，C-D-E-F段側(cè)摩阻力平均值為52 kPa；對于裙樓而言，樁身中部(樁埋深在12～26m范圍，大致屬C-D-E-F-G段)所處地層為④圓礫、⑤黏土、⑥2層粉土、⑥圓礫、⑥2粉土。在各級樁頂壓力下，該區(qū)段各地層摩阻力發(fā)揮一般。裙樓樁在9100 kN最大樁頂壓力下，C-D-E-F-G段側(cè)摩阻力平均值為48 kPa。

3)對于主樓樁而言，樁身下部(樁埋深在40～60 m范圍，大致屬F-G-H-I-J-K段)所處地層大約為⑥2粉土、⑦1圓礫、⑦層黏土、⑦2層粉土、⑧層黏土。在各級樁頂壓力下，該區(qū)段各地層摩阻力得到發(fā)揮一般。主樓樁在13600 kN最大樁頂壓力下，G-H-I-J-K段側(cè)摩阻力平均值為43 kPa；對于裙樓而言，樁身下部(樁埋深在26～40 m范圍，大致屬G-H-I-J段)所處地層為⑥2層粉土、⑥圓礫、⑥2粉土、⑥3粉砂。在各級樁頂壓力下，該區(qū)段各地層摩阻力發(fā)揮較好。裙樓樁在9100 kN最大樁頂壓力下，C-D-E-F-G段側(cè)摩阻力平均值為70 kPa。

3.4 樁端承載力分析

樁端阻力隨著樁頂壓力的增加而緩慢增長，在試驗全過程中，樁端阻力始終維持在樁頂壓力的1%±，就發(fā)揮承載力作用而言，樁周側(cè)摩阻力起到主要作用，充分體現(xiàn)出摩擦樁的荷載傳遞形狀。由于試樁要作為工程樁使用，未做到極限荷載值，按照設(shè)計測算做到13600 kN、9100 kN終止，試驗并未測試出樁的極限承載力值，樁端阻力發(fā)揮可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成。

4 結(jié)論

1)單樁軸向壓力在樁頂呈現(xiàn)最大，一般為頂壓力的60%～80%，隨著深度增加，軸向壓力近似直線下降，到達(dá)樁底時軸向壓力最小，最小值接近樁頂壓力的1%。同一深度條件下，單樁軸向壓力隨樁頂壓力的增加而增加，增加的幅度隨深度的加大而減小，同一樁頂壓力條件下，軸向壓力隨深度的增加而減小，衰減的速度隨樁頂壓力和深度的增加有加快的趨勢。

2)兩種樁長的單樁豎向靜載試驗表現(xiàn)出摩擦樁的明顯特征，樁周側(cè)摩阻力的分布總體上反映了地基的力學(xué)性能，物理力學(xué)指標(biāo)高的(巖)土層側(cè)摩阻力特征值較大。同時也體現(xiàn)出地基土側(cè)摩阻力發(fā)揮過程的特點，沿樁身隨著深度增加，一定埋深、一定層位的土層側(cè)摩阻力發(fā)揮較好，表現(xiàn)為近樁頂?shù)耐翆幽ψ枇Πl(fā)揮充分，近樁底的土層隨著極限荷載的臨近可逐步有一定發(fā)揮，但樁身中部的土層一般很難提供出該類土層具有的極限側(cè)摩阻力。因此，在昆明地區(qū)古滇池湖積層、沖積層中，樁周側(cè)摩阻力的分布不但總體上反映地基土的力學(xué)性能，即物理力學(xué)指標(biāo)高的土層側(cè)摩阻力特征值較大，而且揭示了各地層由于埋深及與相鄰地基土層的力學(xué)性能的差異導(dǎo)致了在不同樁頂壓力下，各土層側(cè)摩阻力發(fā)揮狀況各不相同，即使考慮地基土物理力學(xué)性能差異及試驗的最大荷載，埋深靠近樁頂?shù)耐翆尤菀淄耆l(fā)揮。