青島某預(yù)制樁工程單樁豎向承載力設(shè)計(jì)案例分析

李慎鋒 張吉慶

（青島瑞源工程集團(tuán)有限公司 山東青島 266550）

青島地區(qū)某個持力層為泥質(zhì)粉砂巖的混凝土預(yù)制樁樁基工程，其試樁單樁豎向承載力較高，設(shè)計(jì)單位參照試樁結(jié)果進(jìn)行取值，施工后，出現(xiàn)單樁豎向承載力普遍降低，樁基驗(yàn)收不合格的現(xiàn)象。預(yù)制混凝土樁主要承受豎向作用力，具有單樁豎向承載力高、造價(jià)低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用在樁基工程中［1］。青島市地區(qū)，上部為土層、下部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層主要分布在膠州市、城陽區(qū)及高新區(qū)一帶。目前，在該地區(qū)的樁基工程施工時多采用錘擊法沉樁［2］。常虹等［3］對泥巖持力層的管樁沉降作了相關(guān)研究；周浪［4］分析了PHC 管樁在白堊系泥質(zhì)粉砂巖場地內(nèi)的破壞類型；韓婷［5］提出當(dāng)PHC管樁豎向抗壓承載力不足時，可通過錘擊復(fù)打后提高單樁豎向抗壓承載力；任秀文［6］分析了預(yù)制管樁的土塞效應(yīng)及其對承載力的影響；陳安等［7］分析了泥質(zhì)粉砂巖的礦物成分；有研究指出地下水會對泥巖、粉砂巖產(chǎn)生強(qiáng)度弱化的影響［8-11］；周華［12］等研究了干燥失水對泥質(zhì)粉砂巖遇水后物理力學(xué)性質(zhì)的影響；劉新喜［13］等進(jìn)行了高應(yīng)力泥質(zhì)粉砂巖蠕變特性及長期強(qiáng)度研究；徐朋威［14］研究了江西紅色風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基承載力；李進(jìn)［15］等進(jìn)行了含節(jié)理泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度特征試驗(yàn)研究；羅坤［16］根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度，確定中風(fēng)化軟質(zhì)巖石的地基承載力特征值，進(jìn)而確定其樁端阻力特征值。

本文通過青島地區(qū)一個預(yù)制樁單樁豎向承載力降低的工程案例，進(jìn)行原因分析并提出處理措施。結(jié)合另外出現(xiàn)類似情況的工程案例，提出青島地區(qū)預(yù)制混凝土單樁（400mm×400mm 低預(yù)應(yīng)力方樁或直徑500mm的預(yù)應(yīng)力管樁）承載力特征值一般取值范圍，旨在為青島地區(qū)以該地層為持力層的預(yù)制混凝土樁樁基設(shè)計(jì)及施工提供借鑒。

1 工程概況

青島高新區(qū)某地塊預(yù)制樁工程，包括7個樓座，分別為2#至8#樓座。其中，2#、3#、6#和7#為住宅樓；4#、5#和8#為人才公寓；其他樓座為商業(yè)辦公樓，采用天然地基。7個樓座樁基均采用低預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土實(shí)心方樁，型號NFZ-400-a，長度為10～14m，樁數(shù)共計(jì)1102個。設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值均為2200kN，即單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值4400kN。樁端入第16-1層（泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶）不小于4m。樓座平面布置見圖1。

圖1 平面布置圖

2 地質(zhì)條件

地層編號采用了青島市建委推廣的《青島市區(qū)第四系層序劃分》標(biāo)準(zhǔn)地層層序編號，共揭示了5 個主層、5個亞層，地層描述以層及亞層為單位。從上至下分為第①1層粗顆粒素填土、第①2層細(xì)顆粒素填土、第⑥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第?1層黏土、第?層黏土、第?層泥質(zhì)粉砂巖全風(fēng)化帶、第?層泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化上亞帶、第?1層泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶，詳見表1。

表1 預(yù)制樁設(shè)計(jì)參數(shù)

樁端持力層為第?1層泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶，該層廣泛分布，揭露厚度1.00～10.00m。紫紅色，泥質(zhì)—粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，以黏土礦物為主，含少量白云母，巖芯呈柱狀，內(nèi)含大量碎塊狀巖芯，手掰不易碎，可擊碎，擊聲較悶。該層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)66 次，50 擊貫入深度12～27cm。地基承載力特征值fak=700kPa，變形模量E0=40MPa。巖石堅(jiān)硬程度為軟巖，巖體完整性指數(shù)Kv＜0.15，巖體極破碎，巖體基本質(zhì)量等級Ⅴ級。

勘察單位結(jié)合場區(qū)工程地質(zhì)情況，選取代表性鉆孔39#鉆孔，對推薦各樁型進(jìn)行單樁豎向極限承載力估算，結(jié)果見表2所示。

表2 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算統(tǒng)計(jì)

3 施工過程

施工時，采用預(yù)制樁錘擊沉樁法施工，錘重8.2t，采用有效樁長和貫入度雙控，并以貫入度為主。最后，三陣每陣10錘的貫入度不大于30mm。

4 載荷試驗(yàn)

施工完后，進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)［17］。先對2#、3#、6#樓座各取1 根樁進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，對7#樓取兩根樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單樁豎向抗壓極限承載力為2500～3720kN，5個樁均不滿足設(shè)計(jì)單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值4400kN的要求，隨即停止對其他樁進(jìn)行驗(yàn)收工作。其中，7#樓試驗(yàn)樁荷載為3080kN 時，累積沉降量為12.38mm；當(dāng)荷載加載到3520kN 時，沉降量迅速增大，1h內(nèi)累積沉降量達(dá)到23.06mm，試驗(yàn)樁沉降未能達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，最后試驗(yàn)樁直接下沉。最終，單樁豎向抗壓極限承載力2964.4kN，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的4400kN，見表3和圖2。

圖2 7#樓樁荷載—沉降曲線圖

表3 靜載試驗(yàn)分級加載沉降值

5 分析原因

5.1 單樁豎向承載力特征值取值太高

2018年7月5日，建設(shè)單位委托其他施工單位對該地塊進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土方樁試樁，試樁尺寸為400mm×400mm，樁長14.5m，試樁單樁豎向抗壓極限承載力為5280kN。設(shè)計(jì)單位取單樁豎向抗壓極限承載力為4400kN，即單樁豎向承載力特征值為2200kN，設(shè)計(jì)值符合試樁測試結(jié)果，試樁結(jié)果見圖3和表4。

表4 靜載試驗(yàn)分級加載沉降值

圖3 2#樁荷載—沉降曲線圖

而根據(jù)前述勘察報(bào)告建議取值進(jìn)行計(jì)算如下。

（1）樁身周長u、樁端面積Ap計(jì)算。

u=0.40×4=1.60m，Ap=0.40×0.40=0.16m2。

（2）單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）5.3.5式［18］計(jì)算：

單樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為：Qsk=uqsikli=1.60×（60×1.00+75×2.00+120×2.00+180×4）=1872kN。

單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為：Qpk=qpkAp=0.16×7500=200kN。

單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：Quk=Qsk+Qpk=1872+1200=3072kN。

單樁豎向承載力特征值Ra根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）5.2.2式［18］計(jì)算：

Ra=3072/2=1536kN。

根據(jù)實(shí)際施工樁長計(jì)算，同樣樁截面尺寸為400mm×400mm的預(yù)制混凝土方樁，入持力層4m，樁長9m的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk為3072kN。表2中勘察單位給的入持力層1m，樁長8.4m的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk為2393kN，兩者均小于設(shè)計(jì)單位提出的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值4400kN。

大多數(shù)的樁基設(shè)計(jì)普遍以試樁為主要參考依據(jù)，以勘察報(bào)告提供的參數(shù)，利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法進(jìn)行估算單樁豎向承載力特征值為輔。本工程以試樁結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)取值太大，不符合實(shí)際情況。若當(dāng)初以該勘察報(bào)告為設(shè)計(jì)依據(jù)，反而較能反映現(xiàn)場實(shí)際情況。這是該工程的特殊之處，對其進(jìn)行原因分析如下。

5.2 地下水浸泡泥巖

經(jīng)勘察揭露，樁端巖層存在地下巖石裂隙水，且打樁時為7～8月份，處于青島地區(qū)的豐水期。為減少設(shè)備進(jìn)出場成本、加快施工進(jìn)度，現(xiàn)場采用錘擊沉樁?，F(xiàn)場泥巖具有遇水軟化的特性，詳見圖4和圖5。錘擊過程中，樁端泥巖被水浸泡，持力層的泥質(zhì)粉砂巖被反復(fù)振動，導(dǎo)致持力層巖基面軟化，巖石強(qiáng)度下降。后期變更設(shè)計(jì)后進(jìn)行補(bǔ)樁，送樁深度普遍比之前施工的樁深0.8～1.5m，可從側(cè)面解釋持力層巖基軟化破壞的可能性。

圖4 泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶硬塊巖芯

圖5 泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶風(fēng)化后巖芯

5.3 未進(jìn)行復(fù)打

設(shè)計(jì)樁間距多數(shù)為1600mm×1750mm，預(yù)制樁間距較密集。施工時，采用蛇形往返迂回打樁順序，未進(jìn)行嚴(yán)格意義上的從中間向四周的順序施打，擠土效應(yīng)導(dǎo)致樁身上浮，詳見圖6。經(jīng)現(xiàn)場觀測統(tǒng)計(jì)，2d 后，上浮量為31～79mm，多數(shù)樁上浮大于40mm。施工完后，因工期緊，單個樓座預(yù)制樁已多數(shù)施工完畢，樁機(jī)只能對周邊樁進(jìn)行復(fù)打，對里面的樁，樁機(jī)無工作面，無法進(jìn)行復(fù)打。泥巖遇水軟化膨脹的特點(diǎn)加劇了樁身上浮。后期設(shè)計(jì)變更進(jìn)行補(bǔ)樁過程中，復(fù)打后，預(yù)制樁平均可多入土1m。雖然設(shè)計(jì)中單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值滿足試樁結(jié)果，但試樁時未考慮擠土效應(yīng)，且持力層泥巖振動小，未浸水軟化破壞。

圖6 預(yù)制混凝土方樁現(xiàn)場施工圖

6 解決措施

6.1 已施工樁基礎(chǔ)改為復(fù)合地基

預(yù)制樁基工程包括7個樓座，其中，對已施工完的2#、3#、6#、7#和8#樓進(jìn)行了補(bǔ)樁。仍采用低預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土實(shí)心方樁，規(guī)格400mm×400mm，樁身混凝土強(qiáng)度不低于C60，并全部改為剛性樁復(fù)合地基。

例如，2#樓復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場單樁或多樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)確定，要求復(fù)合地基承載力特征值fspk≥370kPa。地基采用低預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土實(shí)心方樁處理的復(fù)合地基，以第?1層黏土層為持力層，天然地基承載力特征值fak=170kPa。樁距1650mm×1800mm，矩形布置，有效樁長8.5～10m，樁端持力層均為第?1層（泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶）。單樁豎向承載力特征值通過現(xiàn)場單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)確定，要求單樁豎向承載力特征值不小于900kN，即單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于1800kN。設(shè)計(jì)樁頂鋪設(shè)200mm 厚的褥墊層，褥墊層材料可選用5∶5 級配砂石，最大粒徑不大于30mm。褥墊層鋪設(shè)采用靜力壓實(shí)法，壓實(shí)后的褥墊厚度與虛鋪厚度之比小于0.9，復(fù)合地基基礎(chǔ)開挖時，預(yù)留樁頂應(yīng)預(yù)留200mm以上由人工開挖。褥墊層寬出相應(yīng)基礎(chǔ)墊層300mm，詳見圖7。

圖7 2#樓復(fù)合地基示意圖

2#樓補(bǔ)樁155 根，單樁豎向承載力特征值降為900kN。3#樓補(bǔ)樁159，單樁豎向承載力特征值降為900kN。6#樓單樁豎向承載力特征值降為1100kN。7#樓補(bǔ)樁20根，單樁豎向承載力特征值降為1100kN。8#樓補(bǔ)樁155根，單樁豎向承載力特征值降為1800kN。

6.2 未施工樁基礎(chǔ)改為管樁

4#樓改為采用直徑500mm的管樁，單樁豎向承載力特征值降為1800kN。5#樓改為采用直徑500mm 的管樁，單樁豎向承載力特征值降為1800kN。管樁樁端端口不封閉，可適當(dāng)釋放部分樁端超靜水壓力，防止樁身上浮。設(shè)計(jì)變更前后對比見表5。

表5 設(shè)計(jì)變更前后對比統(tǒng)計(jì)表

6.3 優(yōu)化打樁順序并及時復(fù)打

采取從中間向四周施打的施工順序。當(dāng)天完工預(yù)制樁，第二天全部復(fù)打一遍，直至樁身不再上浮為止。

經(jīng)采取以上措施，施工后驗(yàn)收通過，質(zhì)量合格。

7 其他兩項(xiàng)類似工程案例

某工程位于青島市高新區(qū)，濱海沉積地貌，場區(qū)地層自上而下依次為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、全風(fēng)化安山巖、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中樁端持力層現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該樁基工程預(yù)制混凝土管樁型號為PHC-500-AB-125-11a，采用有效樁長和貫入度雙控，并以貫入度為主。最后三陣每陣10 錘的貫入度不大于30mm。在現(xiàn)場共檢測管樁7 根，其中，有3 根樁的單樁豎向承載力特征值小于設(shè)計(jì)值，具體檢測數(shù)據(jù)如下。

73#樁，加載至第9 級時，沉降量72mm，應(yīng)判定為第8級，單樁豎向極限承載力為4160kN，見圖8。

圖8 第73#試驗(yàn)樁沉降曲線

98#樁，加載至第8 級時，沉降量80mm，應(yīng)判定為第7級，單樁豎向極限承載力為3640kN，見圖9。

圖9 第98#試驗(yàn)樁沉降曲線

45#樁，加載至第9 級時，沉降量58mm，應(yīng)判定為第8級，單樁豎向極限承載力為4160kN，見圖10。

圖10 第45#試驗(yàn)樁沉降曲線

該工程的單樁豎向承載力特征值為1820～2080kN。

另一某樁基工程位于青島市李滄區(qū)滄安路與安順路交匯處。項(xiàng)目總建筑面積約11萬m3，地下一層局部4 層，有高層住宅、人才公寓、商業(yè)Loft、底商、綜合體等。預(yù)制混凝土持力層為第?1下層泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶。磚紅至棕紅色，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為砂屑和黏土礦物，巖芯呈塊狀至短柱狀，錘擊聲悶、易斷，具有浸水易軟化的特點(diǎn)。該層選取巖芯中部分硬塊進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，并換算成飽和單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)巖芯性狀判定，該巖石屬軟巖—極軟巖，巖體極破碎，基本質(zhì)量等級V 級。該層地基承載力特征值fak=500kPa，變形模量E0=40MPa。該樁基工程預(yù)制混凝土管樁（PHC-500-AB-125-11a），采用樁長以貫入度控制為主，最后三陣每陣10 錘的貫入度不大于30mm。設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值為1200kN。經(jīng)施工后，驗(yàn)收合格。

通過以上3個青島地區(qū)工程案例和黃凱［2］在青島泥巖持力層上嵌巖打入樁承載力研究與工程分析得出：在青島泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)制樁（400mm×400mm低預(yù)應(yīng)力方樁或直徑500mm的預(yù)應(yīng)力管樁）施工，采取貫入度控制樁深時，單樁豎向承載力特征值一般取值范圍為900～2080kN，具體根據(jù)地質(zhì)條件、樁型號、樁長等因素考慮。若超過2080kN，需要格外引起重視。因?yàn)槟鄮r在同一場地的不同位置處，泥巖性質(zhì)在一定程度上會存在差異，且地下水的分布情況也并不完全相同，泥巖提供的承載力有所差別。若樁基設(shè)計(jì)時只根據(jù)某位置處的地層資料進(jìn)行計(jì)算，而不考慮整個場區(qū)地層的實(shí)際情況，實(shí)際承載力會有較大差別。3根試樁的偶然性太大，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)多增加試樁數(shù)量，并全面考慮，不能只從單一方面的因素進(jìn)行判斷。

8 結(jié)論

（1）泥質(zhì)粉砂巖地質(zhì)條件下，青島地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土樁樁基工程經(jīng)常出現(xiàn)試樁承載力合格，施工完后，樁基驗(yàn)收不合格，承載力普遍降低的現(xiàn)象。在此地質(zhì)條件下進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土樁設(shè)計(jì)及施工，要格外引起重視。

（2）青島地區(qū)樁端持力層為泥質(zhì)粉砂巖條件下，采取貫入度控制樁深時，預(yù)應(yīng)力混凝土樁（400mm×400mm低預(yù)應(yīng)力方樁或直徑500mm的預(yù)應(yīng)力管樁）單樁豎向承載力特征值一般取值范圍為900～2080kN，若設(shè)計(jì)值超過2080kN，需格外引起注意。

（3）在預(yù)應(yīng)力混凝土樁樁基設(shè)計(jì)時，不能過分依靠試樁結(jié)果，應(yīng)充分考慮擠土效應(yīng)、泥巖軟化等因素，并建議增加試樁數(shù)量，設(shè)計(jì)時，留有一定的安全儲備。