敞口PHC短管樁在砂層地基中的應用研究

丁小偉

(中煤西安設(shè)計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

1 概 述

西安地區(qū)黃土層厚度較大，高層建筑基礎(chǔ)的主要形式為長樁基礎(chǔ)或素混凝土樁復合地基，而在北郊渭河階地，地表以下20m左右存在較厚的密實砂層，工程地質(zhì)條件良好[1]。類似場地的高層建筑地基方案，一般會沿用上述方式，先將上部黃土經(jīng)過素土擠密樁處理消除濕陷性后，再采用穿透該砂層的灌注樁或素混凝土樁復合地基，顯然砂層的承載潛力沒有得到充分的挖掘利用。

PHC管樁質(zhì)量穩(wěn)定可靠，樁身強度高，具有卓越的貫入性能，相關(guān)資料表明[2，3]，隨著樁頂荷載的增加，敞口管樁沉入密實砂層，樁端周圍砂層受到劇壓，砂土涌入管內(nèi)形成一定高度的土芯，阻止外部土體繼續(xù)進入樁內(nèi)，在樁下端砂層形成阻力拱效應[4]，可以顯著提高樁豎向承載力和減小沉降量[5]，樁徑不大于600mm的小直徑敞口樁土塞效應更強[2，4]，目前國內(nèi)外對于管樁土塞作用機理的探索研究較多，有結(jié)果顯示當土塞高度大于5倍樁徑時一般不會發(fā)生破壞[4]，實際應用可參考閉口樁的承載性能，結(jié)合工程經(jīng)驗簡化設(shè)計[2]。敞口樁端阻力作用機理如圖1所示，在土塞效應下，樁端在砂層中包含樁壁外側(cè)摩阻力、樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力及樁壁端阻力，在樁底周圍形成力學機理復雜的“應力核”[4]。土塞的力學性狀受制于土塞高度、閉塞程度、沉樁工藝、樁徑、持力層土的密實度等因素，樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力很難定量，為了實際應用，并與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]中公式統(tǒng)一，按照力的平衡原理，將內(nèi)壁側(cè)摩阻力等量轉(zhuǎn)化為土塞端阻力，即將圖1簡化為圖2，這樣就可以利用樁的靜載試驗結(jié)果，分析名義等效端阻力(為樁壁端阻力和土塞端阻力之和)，反算出砂層中端阻力修正系數(shù)，對文獻[6]中公式5.3.8-1進行修正。該工程挖掘砂層的端承潛力，將其作為摩擦端承型管樁的持力層，取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

2 項目概況及工程地質(zhì)條件

某建筑位于西安市北郊，地上33層，地下2層，建筑高度99.8m，地上建筑面積2.96萬m2，剪力墻結(jié)構(gòu)，平板式筏基，地下室與周圍地下車庫相通。基礎(chǔ)頂面以上荷載效應標準組合的豎向力，加上筏板及其以上土的自重標準值合計約為496000kN，抗震設(shè)防烈度為8°，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類，基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，該工程2012年6月完成設(shè)計，2014年1月結(jié)構(gòu)封頂。

擬建場地地貌屬于渭河二級階地，場地穩(wěn)定，適宜建造；地下水穩(wěn)定水位埋深介于16.50～17.60m，低于基礎(chǔ)底面約7.0m，不考慮抗浮設(shè)計；②黃土、③黃土、④古土壤屬Ⅱ級自重濕陷性黃土；⑤中細砂，飽和、密實，實測標貫錘擊數(shù)平均值N=38.0擊，層厚4.30～8.10m，無液化影響；該工程±0.000相當于絕對標高的397.60m，基底標高為-10.60m，地基土層的物理力學性質(zhì)指標見表1，典型工程地質(zhì)剖面如圖3所示。

表1 地基土層的物理力學性質(zhì)指標

3 地基方案設(shè)計

3.1 地基方案比選

參照當?shù)仡愃茍龅馗邔咏ㄖ牡鼗问?，根?jù)地基承載力和變形要求，可供選擇的有三種方案：

方案A為素土擠密樁+剪力墻下布置灌注樁，以⑧層中砂為樁端持力層，直徑0.55m，長7.0m素土樁，@0.9m等邊三角形布置，共2185根；直徑0.7m鋼筋混凝土灌注樁，長34.0m，共150根，梁筏折算為0.7m厚。

方案B為素土擠密樁+素混凝土樁復合地基，以⑦層粉質(zhì)黏土為樁端持力層(當以⑤層為持力層時計算沉降過大不予考慮)。素土樁同方案A；直徑0.4m，長21.0m，C30素混凝土樁，@1.3m等邊三角形布置，共762根，0.2m厚砂石褥墊層，1.4m厚平筏。

方案C為素土擠密樁+滿布管樁，以⑤中細砂層為樁端持力層。素土樁同方案A；PHC(400)AB-95型管樁，長11.0m，@1.7m等邊三角形布置，共437根，1.4m厚平筏。通過試樁結(jié)果對比確定樁端是否設(shè)置鋼樁尖，為了充分利用持力層承載潛力和樁身強度，選用PHC400(AB)-95型，樁身軸壓承載力設(shè)計值為2288kN，對應的特征值為2288/1.35=1695kN，與樁長11.0m時的預估實際承載力特征值接近，同時，相比大直徑樁可有效減小沉樁擠土效應的不利影響[7]。按照文獻[6]中公式5.3.8-1，估算單樁豎向極限承載力標準值：QUK=Qsk+Qpk=μ∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=1079+831=1910kPa，式中參數(shù)的意義詳見規(guī)范，其中μ=1.256m，Aj=0.0910m2，Ap1=0.0346m2，λp=0.8，qPK=7000kPa，qsik和li依據(jù)表1和圖3取值。在設(shè)計過程中分析持力砂層標貫值N=38.0、密實狀態(tài)，且以下各層為厚度較均勻的中壓縮性粉質(zhì)黏土及密實中砂層，綜合判斷若考慮土塞增強效應，⑤層實際樁端阻力可以大幅提高[4，5]。持力砂層下粉質(zhì)黏土的地基承載力與持力層接近，不致發(fā)生下臥層土體的塑性擠出和失穩(wěn)[6]。由于剪力墻結(jié)構(gòu)空間整體剛度好，荷載分布較均勻，上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基協(xié)同工作，差異沉降量不會太大[8]，總沉降量完全可以控制在安全合理范圍內(nèi)，因此該方案具有可行性。

根據(jù)以上分析及工程經(jīng)驗，在相應的沉樁施工條件下，將管樁擠入密實砂層激發(fā)土塞效應，砂層極限端阻力標準值可以提高到13000kPa左右，據(jù)此估算11.0m長管樁的豎向承載力特征值不小于1300kN，考慮經(jīng)濟性和沉降控制、留有適當富裕量后，按照等邊三角形滿布，樁間距取1.70m，基礎(chǔ)筏板面積1068.0m2，略大于地下室面積918m2，樁數(shù)n=437根，樁位布置如圖4所示，從表2可見方案C在工期和造價上有明顯的優(yōu)勢。為了選擇安全可靠的施工工藝和參數(shù)，采用6組試樁做現(xiàn)場靜載荷試驗。

表2 地基基礎(chǔ)方案對比

3.2 試樁結(jié)果分析及管樁承載力計算公式修正

基坑開挖至基底標高，采用7.0m長素土擠密樁消除場地土的濕陷性后，試樁選用PHC400(AB)-95型管樁，依據(jù)《預應力混凝土管樁技術(shù)標準》[9]計算，樁頂允許最大壓樁力值Rd=3592kN，場地均勻布置6組樁，樁長11.0m，為了進行對比，3組樁樁端設(shè)置十字型鋼樁尖，另3組樁試驗土塞效應未設(shè)樁尖。

施工采用錘擊沉樁法，重錘輕擊，控制貫入度2.5～3.0cm/陣(每陣10擊)，根據(jù)試樁結(jié)果反饋，錘擊終止條件確定為最后連續(xù)3陣，按每陣貫入度不大于20mm收錘，結(jié)合地質(zhì)剖面圖，顯示樁已進入持力砂層內(nèi)約5.5d(樁外徑)，經(jīng)檢查無浮樁現(xiàn)象。

試驗在休止期滿15d后進行，低應變檢測樁身完整性為I類，采用堆重塊提供反力，通過一臺3300kN千斤頂分9級等量加載，首級加載增量為520kN，以后每級加載增量為260kN，每級卸載值為520kN，在加載至終止壓力2600kN時，6組樁的樁頂沉降量介于20.86～24.96mm，其中3組有樁尖樁為20.86、21.51、22.31mm，3組無樁尖樁為24.27、24.58、24.96mm，卸載后殘余沉降在13.10～18.96mm之間，在加載過程中，Q-S曲線(圖5)和s-lgt曲線呈平緩變形，未出現(xiàn)明顯陡降段，6組試樁的單樁豎向抗壓極限承載力均不小于2600kN，滿足工程要求，比規(guī)范計算值1910kN增加1.36倍以上，施工工藝合理。無樁尖樁僅沉降量稍大，承載力未受影響，故工程樁不設(shè)樁尖。

經(jīng)過擠密樁處理后土體的密實度增大，樁側(cè)摩阻力相應提高[10，11]，同時考慮本地常用的孔內(nèi)深層強夯法(DDC 工法)，普遍使用螺旋鉆機掏土成孔對擠密效果的不利因素[12]，地勘報告給出了較為合理的側(cè)摩阻力值；相比于樁側(cè)土，管樁彈性模量非常大，沉樁趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，在豎向荷載作用下樁身壓縮變形量很小，與土體相對滑移不明顯，對側(cè)摩阻力貢獻不大[13]，同時，樁長較短、樁底頂緊砂層，樁頂加荷載時大部分壓力很快傳到樁底，所以承載力提高的原因主要歸于樁端阻力的貢獻。

根據(jù)試樁結(jié)果推算名義等效極限端阻力標準值為Qpk=2600-1910+831=1521kPa，增加極限端阻力標準值修正系數(shù)ξp，代入文獻[6]式5.3.8-1中Qpk=ξpqpk(Aj+λpAp1)，依據(jù)文獻[6]表5.3.5-2中qPK=5500～7000kPa，其他參數(shù)同上文，反算得出ξp=1.83～2.33。

對于目前常用的靜力沉樁法，選擇合適配重的壓樁機，在滿足最大壓樁力不大于樁身豎向承載力設(shè)計值1.35倍條件下[14]，按照單樁豎向極限承載力標準值與施工終壓力的經(jīng)驗比值0.8～0.9[15]，控制樁貫入砂層的速率也能形成有效土塞高度，達到提高承載力的作用[16]。工程樁沉樁過程中對土體產(chǎn)生的側(cè)向擠密作用，有利于側(cè)摩阻力的提高[17]，做為安全儲備。

3.3 樁基礎(chǔ)計算分析

3.3.1 樁基計算

采用JCCAD軟件，考慮上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用[18]，標準組合軸心豎向力作用下樁的平均豎向力Nk=1179kN、樁頂最大豎向力Nkmax=1291kN，地震作用效應和荷載效應標準組合下樁的平均豎向力NEk=1121kN、樁頂最大豎向力Nkmax=1670kN，基樁豎向承載力特征值R=1300kN，基礎(chǔ)底面未出現(xiàn)零應力區(qū)。

荷載效應標準組合下：Nk

地震作用效應和荷載效應標準組合下：NEk<1.25R=1625kN，NEkmax<1.5R=1950kN。

樁基沉降量分別采用實體深基礎(chǔ)法[6]，及等效作用分層總和法計算[19]，不考慮回彈再壓縮變形量，計算沉降量平均值分別為102mm、105mm。根據(jù)本地區(qū)高層建筑的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[8]，群樁基礎(chǔ)沉降的實測值約為計算值的1/5～1/3，推算實際沉降量為20.7～34.5mm；另外工程經(jīng)驗顯示，實際沉降量是試樁承載力特征值對應沉降量的6倍左右，該工程試樁承載力特征值對應沉降量為6.3～8.2mm，相應預估沉降量為37.8～49.2mm，以上兩種結(jié)果均符合西安地區(qū)高層建筑沉降規(guī)律。

該工程樁基承載力和沉降計算均滿足要求，樁端持力層以下不存在承載力低于樁端持力層承載力1/3的軟弱下臥層，無需驗算[6]。

3.3.2 PHC管樁在八度區(qū)的應用

根據(jù)陜標《預應力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》[14]附錄A，該工程樁側(cè)土類別為可塑～堅硬、密實砂層，由于筏板剛度較大，管樁頂部設(shè)置2m長填芯鋼筋混凝土(微膨脹混凝土)，鋼筋錨入筏板，強化了樁頂與筏板的連接[20]，可按照固結(jié)考慮，避免了節(jié)點轉(zhuǎn)動造成樁端和筏板鏈接處破壞[21]，因此抗震設(shè)防烈度為8度時，PHC400(AB)-95型樁的單樁水平抗震承載力特征值為Reha=124kN[14]。SATWE計算結(jié)果地震作用下結(jié)構(gòu)底層剪力為FEk=14300kN，剪重比按規(guī)范取值3.2%，nReha=54188kN>FEK滿足要求。

該工程基礎(chǔ)埋深為建筑高度的1/10，滿足《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》[22]的要求，日本資料顯示[23]，大底盤地下室外墻回填土的約束，對上部結(jié)構(gòu)整體剛度提供了一定的補償性貢獻，當回填土標準錘擊貫入度為20時，兩層地下室的樁基就可以不考慮地震剪力問題，所以要求肥槽回填土的壓實系數(shù)不小于0.93。

4 沉降觀測結(jié)果

在建筑物變形敏感部位布設(shè)13個降觀測點，2012年11月15日在主體施工至地面以上時起，進行首次沉降觀測，以后每施工一層觀測一次，至2014年1月結(jié)構(gòu)封頂時觀測了33次，封頂后每季度觀測一次，至2016年01月觀測了8次，歷時805d，沉降逐漸趨于收斂，最后100d的最大沉降速率為0.010mm/d，小于《建筑變形測量規(guī)范》[24]規(guī)定的0.01/d～0.04mm/d，已達到穩(wěn)定狀態(tài)。 最后一期沉降觀測值如圖6所示，沉降觀測數(shù)據(jù)見表3。實際沉降觀測數(shù)據(jù)在預估沉降值范圍之內(nèi)，符合西安地區(qū)的經(jīng)驗規(guī)律。

表3 沉降觀測數(shù)據(jù)匯總

5 結(jié) 論

突破西安地區(qū)高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計的常用做法，結(jié)合北郊地區(qū)地表以下20m左右的密實砂層，依據(jù)工程經(jīng)驗提出敞口PHC短管樁優(yōu)化方案，由原位靜載試驗確定沉樁工藝和承載力參數(shù)，經(jīng)過對試樁結(jié)果和沉降觀測數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

1)在以密實砂層為樁端持力層時，敞口PHC短管樁采用修正承載力計算方法時的沉降預測與實測結(jié)果是一致的，表明該方案可行。

2)在合理的沉樁條件下，樁端擠入密實砂層約5.0～6.0d時，可采用修正端阻力后的名義等效端阻力進行樁承載力計算，修正系數(shù)本項目能夠達到1.83～2.33。

3)該項目試樁資料較少，無法從本質(zhì)上揭示管樁土塞效應的力學機理，在今后工作中尚需不斷深入研究。