基于載荷試驗(yàn)的振沉鋼管樁承載力研究

蔣益平張爾海沙麗新李衛(wèi)超章蘇亞李 崧龐玉麟金 易

（1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200125；2.上海浦東工程建設(shè)管理有限公司，上海 201210；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；4.上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海 200433；5.上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200063）

0 引言

隨著各地工程規(guī)模、要求、難度的增大，具有沉降量小、承載力高、抗震能力好等優(yōu)點(diǎn)［1］，應(yīng)用已非常廣泛。其中樁的豎向抗壓極限承載力（下文簡(jiǎn)稱承載力）是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，例如一些學(xué)者［2-3］報(bào)道的因樁承載力不足引起建筑物沉降過(guò)大或無(wú)法正常施工的案例，因此如何確定單樁承載力一直是備受關(guān)注的話題。研究表明［4］，單樁豎向抗壓極限承載力受樁周土物理力學(xué)性質(zhì)、樁的幾何尺寸、成樁工藝、休止時(shí)間等因素的影響。

對(duì)于預(yù)制樁，存在靜壓沉樁、錘擊沉樁和振動(dòng)沉樁三種主要沉樁工藝，其中主要通過(guò)振動(dòng)降低樁周土阻力、驅(qū)動(dòng)樁下沉的振動(dòng)沉樁工藝導(dǎo)致的土阻力下降和孔隙水壓力上升現(xiàn)象十分明顯［5-7］。這也導(dǎo)致了液壓免共振錘沉鋼管樁的極限承載力有別于錘沉樁和靜壓樁［8-10］。且當(dāng)孔隙水壓力消散時(shí)，樁的承載力隨時(shí)間上升的趨勢(shì)也有所不同［11-14］。但目前各規(guī)范對(duì)使用振動(dòng)沉樁工藝的樁承載力的說(shuō)明和規(guī)定依然較少，多數(shù)規(guī)范對(duì)預(yù)制樁承載力的計(jì)算仍是基于錘擊沉樁和靜壓沉樁工藝的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

本文將對(duì)我國(guó)各規(guī)范推薦的敞口鋼管樁承載力確定方法進(jìn)行總結(jié)比較，并通過(guò)上海地區(qū)開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)結(jié)果展開(kāi)討論。此外，本文對(duì)比了不同規(guī)范給出的設(shè)計(jì)承載力之間的差異，進(jìn)一步圍繞液壓免共振錘沉鋼管樁休止期對(duì)承載力的影響進(jìn)行了討論。

1 當(dāng)前設(shè)計(jì)方法

樁基承載力的確定方法主要有根據(jù)原位試驗(yàn)確定和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算兩種方法，其中原位試驗(yàn)一般以靜載試驗(yàn)作為最主要的承載力判定依據(jù)，也是最有說(shuō)服力的確定方式；而經(jīng)驗(yàn)公式則是通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算時(shí)不同規(guī)范會(huì)根據(jù)樁身材料、樁長(zhǎng)、樁周土性質(zhì)及沉樁工藝等因素對(duì)承載力Q或其中某部分參數(shù)進(jìn)行修正。

式中：up是樁的周長(zhǎng)；Ap是樁的凈截面積；li是樁與第i層土沿深度方向上的接觸長(zhǎng)度；τi是第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；q是樁端土的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

本文將對(duì)我國(guó)常用規(guī)范推薦的單樁承載力確定方法進(jìn)行簡(jiǎn)述和對(duì)比。

1.1 根據(jù)靜載試驗(yàn)

關(guān)于靜載試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，本文將根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2017）［15］（以下簡(jiǎn)稱“地基規(guī)范”）、上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08-11—2018）［16］（以下簡(jiǎn)稱“上海規(guī)范”）、《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）［17］（以下簡(jiǎn)稱“基樁規(guī)范”）、《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167-4—2012）［18］（以下簡(jiǎn)稱“碼頭規(guī)范”）、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）［19］（以下簡(jiǎn)稱“公路施工規(guī)范”）和《鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB 10218—2019）［20］（以下簡(jiǎn)稱“鐵路檢測(cè)規(guī)范”）共6本規(guī)范進(jìn)行討論。

由于沉樁過(guò)程會(huì)對(duì)樁周土造成較大的擾動(dòng)甚至破壞，樁周土體孔隙水壓力上升。而隨沉樁后孔隙水壓力的消散，土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)從而使樁的極限承載力隨時(shí)間逐漸提高。不同規(guī)范規(guī)定的休止時(shí)間如表1所示?？梢?jiàn)，砂土地基中樁基所需的休止時(shí)間不超過(guò)黏土的一半，這與土體的滲透性有很大的關(guān)系。

表1 不同規(guī)范對(duì)預(yù)制樁休止時(shí)間的規(guī)定Table 1 The commended rest duration in codes

目前工程上，振動(dòng)沉樁試樁的休止時(shí)間普遍采用錘擊沉樁和靜壓沉樁工藝的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。上海地區(qū)采用液壓免共振錘沉鋼管樁施工工藝，多個(gè)項(xiàng)目靜載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，休止期28 d對(duì)應(yīng)的振沉樁承載力低于設(shè)計(jì)計(jì)算值，部分試樁承載力不足設(shè)計(jì)計(jì)算值的80%；而嘉興某市政項(xiàng)目沉樁后60 d樁的承載力仍低于設(shè)計(jì)計(jì)算值。由此可見(jiàn)，液壓免共振錘沉鋼管樁施工工藝的休止時(shí)間值得進(jìn)一步研究。

通過(guò)靜載試驗(yàn)得到樁的荷載Q和沉降s的關(guān)系曲線后，可通過(guò)曲線的情況確定試樁的承載力。一般規(guī)范中常見(jiàn)的確定方法依據(jù)有：

（1）取Q-s曲線發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載值（圖表中簡(jiǎn)稱方法1，如圖1（a）所示）；

（2）取s-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載值（圖表中簡(jiǎn)稱方法2，如圖1（b）所示）；

圖1 靜載試驗(yàn)確定承載力方法示意圖Fig.1 The illustration of capacity determination by static load tests

（3）經(jīng)24 h尚未達(dá)到試樁沉降相對(duì)穩(wěn)定時(shí)取前一級(jí)荷載值（圖表中簡(jiǎn)稱方法3）。

各規(guī)范規(guī)定的承載力確定方法如表2所示，可見(jiàn)所有規(guī)范均推薦方法1確定樁的承載力。

表2 通過(guò)靜載試驗(yàn)確定承載力的方法Table 2 Capacity determination by static load tests

對(duì)于緩變型Q-s曲線，大部分規(guī)范均認(rèn)為可取樁頂沉降達(dá)一定值時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，但不同規(guī)范對(duì)于該沉降值的規(guī)定有差異。例如，地基規(guī)范中取s＝40 mm所對(duì)應(yīng)的荷載值，當(dāng)樁長(zhǎng)大于40 m時(shí)，宜考慮樁身的彈性壓縮。上海規(guī)范在地基規(guī)范的基礎(chǔ)上，更多地考慮了樁身材料的壓縮變形，認(rèn)為混凝土樁宜取s=40 mm對(duì)應(yīng)荷載，鋼樁和超過(guò)40 m長(zhǎng)的混凝土樁應(yīng)考慮樁身彈性壓縮。基樁規(guī)范和鐵路規(guī)范則考慮了樁徑對(duì)樁豎向受荷特性的影響，除取s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值外，對(duì)于Dt（Dt為樁端直徑）大于或等于800 mm的樁，可取s等于0.05Dt對(duì)應(yīng)的荷載值，當(dāng)樁長(zhǎng)大于40 m時(shí)，宜考慮樁身彈性壓縮。

1.2 根據(jù)規(guī)范計(jì)算

根據(jù)原位鉆探、室內(nèi)土工試驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，勘察報(bào)告會(huì)提供各土層的樁側(cè)極限摩阻力τi和樁端極限端阻力q。根據(jù)勘察報(bào)告提供的參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可按地基規(guī)范、上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》（DGJ 08-37—2018）［21］（以下簡(jiǎn)稱“上海巖土規(guī)范”）、《港口工程樁基規(guī)范》（JTJ 254—2109）［22］（以下簡(jiǎn)稱“港口規(guī)范”）、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）［23］（以下簡(jiǎn)稱“樁基規(guī)范”）和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）［24］（以下簡(jiǎn)稱“公路規(guī)范”）、《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10093—2017）［25］（以下簡(jiǎn)稱“鐵路規(guī)范”）等規(guī)范在式（1）基礎(chǔ)上結(jié)合分項(xiàng)系數(shù)、折減系數(shù)等估算預(yù)制樁的承載力設(shè)計(jì)值。

對(duì)于敞口管樁，港口規(guī)范對(duì)敞口管樁的樁端承載力進(jìn)行了折減，其折減主要是根據(jù)其樁身材料、樁徑、樁身入土深度和樁端進(jìn)入持力層深度四個(gè)因素綜合確定的。其中對(duì)于混凝土管樁的折減較鋼管樁低、對(duì)小直徑樁的折減較大直徑樁低、對(duì)進(jìn)入持力層深度小的樁較進(jìn)入持力層深度大的樁低。上海巖土規(guī)范和樁基規(guī)范中提出了敞口鋼管樁端土塞效應(yīng)系數(shù)，該系數(shù)通過(guò)樁端進(jìn)入持力層深度和樁徑，對(duì)樁端土塞效應(yīng)進(jìn)行了估計(jì)，并對(duì)樁端阻力進(jìn)行了修正。

針對(duì)振動(dòng)沉樁對(duì)承載力的影響，公路規(guī)范和鐵路規(guī)范根據(jù)不同樁徑、不同土類型給出了影響系數(shù)，見(jiàn)表3，其中D是樁徑。該系數(shù)代表了振沉樁與同場(chǎng)地靜壓樁和打入樁的承載力比值。在設(shè)計(jì)時(shí)，分別對(duì)樁側(cè)極限摩阻力和樁端極限端阻力乘以表中對(duì)應(yīng)系數(shù)進(jìn)行修正。目前這一影響系數(shù)還未被地基規(guī)范、上海巖土規(guī)范提及。

表3 振沉影響系數(shù)Table 3 The coefficient of vibratory driving

從表3中可以看出，多數(shù)情況下振動(dòng)沉樁會(huì)降低樁的承載力，僅當(dāng)樁徑不大于0.8 m的砂土場(chǎng)地中，振動(dòng)沉樁承載力較打入樁和錘擊樁更高。由于上海地區(qū)典型土層分布以黏土為主，若持力層不是密實(shí)砂土，采用振動(dòng)沉樁工藝的鋼管樁承載力將低于打入樁和靜壓樁；上海市政工程中鋼管樁樁徑一般不大于0.8 m，如采用公路規(guī)范和鐵路規(guī)范設(shè)計(jì)，則振沉鋼管樁黏性土的側(cè)摩阻力低于同直徑的鉆孔灌注樁側(cè)摩阻力，上述影響系數(shù)有值得探討之處。

1.3 小結(jié)

根據(jù)靜載試驗(yàn)確定單樁承載力時(shí)，在Q-s曲線存在明顯陡降的情況下，我國(guó)各規(guī)范對(duì)極限承載力的確定方法一致。但各規(guī)范對(duì)于靜載試驗(yàn)休止期的建議尚無(wú)定論，且未專門針對(duì)振沉樁提出推薦值。

在估算樁的承載力值方面，各規(guī)范考慮的影響因素各不相同。但僅公路規(guī)范和鐵路規(guī)范考慮了振動(dòng)沉樁對(duì)承載力的影響，這兩部規(guī)范中指出大部分情況下振沉樁承載力低于相同條件的靜壓樁和打入樁。

2 現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)

為對(duì)比討論不同規(guī)范推薦的單樁承載力確定方法，本文結(jié)合上海某實(shí)際工程項(xiàng)目開(kāi)展的液壓免共振錘沉鋼管樁試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

本文討論的試樁為同一承臺(tái)下兩根相鄰的工程樁TP42和TP72。兩根樁均為直徑700 mm、總長(zhǎng)49.7 m的敞口鋼管樁，壁厚12～16 mm。經(jīng)免共振高頻液壓振動(dòng)錘分節(jié)沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，沉樁過(guò)程未能形成土塞，即鋼管樁內(nèi)土體表與樁外地表基本齊平。樁位處地基土沿樁身共劃分10個(gè)土層（亞層），樁底貫入第⑦2-2層8.3 m。場(chǎng)地各土層分布情況見(jiàn)圖2，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)、樁側(cè)極限側(cè)阻力和極限端阻力如表4所示。

表4 場(chǎng)地土層相關(guān)參數(shù)Table 4 Parameters of field stratums

圖2 試樁位置的靜力觸探端阻力曲線圖Fig.2 Cone resistance of cone penetration test close to test piles

沉樁完成后分別對(duì)同承臺(tái)下兩根工程樁TP42和TP72各進(jìn)行一次加載，其中TP42試樁的休止期為42d、TP72試樁為72d。兩根試樁的加載通過(guò)錨樁法。

兩次加載試驗(yàn)得到的樁頭處荷載-沉降曲線如圖3所示，通過(guò)表2中方法1可知TP42的單樁承載力為6030 kN。由于TP72在7000 kN荷載下仍未出現(xiàn)破壞跡象，說(shuō)明TP72承載力不低于7000 kN，在后續(xù)討論中按照下限7000 kN作為其承載力進(jìn)行討論。從上述分析中可以看出，TP72相較TP42提高了至少16%；對(duì)比表1中一般15～28 d的休止期規(guī)定，42～72 d實(shí)測(cè)的承載力明顯較高，說(shuō)明振沉樁與打入樁和靜壓樁相比，具有更長(zhǎng)的時(shí)效性現(xiàn)象，即振沉樁若需發(fā)揮相同承載力需要的休止期較靜壓樁和打入樁更長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)樁基承載力在通常規(guī)定的28 d內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)值，本研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)重點(diǎn)采取能提高樁端土塞效應(yīng)的措施或方法，如后注漿等。

鋼管樁樁身的彈性壓縮量與試樁荷載、樁長(zhǎng)、鋼管樁材料模量等相關(guān)，可按加載曲線的回彈量取值。根據(jù)圖3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩試樁最大沉降量分別為48.61 mm和71.94 mm，而卸載后的殘余變形分別為11.44 mm和42.01 mm，可認(rèn)為樁身彈性壓縮變形最大分別為37.17 mm和29.93 mm，即分別為總沉降量的76%和42%。需要說(shuō)明的是，樁身壓縮量占總沉降量的比例與樁身殘余變形大小有關(guān)，也與樁端是否有刺入變形及刺入變形多少有關(guān)，即刺入變形越大，樁身彈性壓縮變形占比越小。工程中可以通過(guò)鋼管樁填混凝土芯減少鋼管樁的樁身壓縮量。

圖3 荷載-沉降曲線Fig.3 Load-settlement curves

通過(guò)上述地勘報(bào)告推薦極限樁側(cè)阻力和極限樁端阻力，可根據(jù)式（1）結(jié)合各規(guī)范計(jì)算公式，得到估算的樁基承載力。計(jì)算說(shuō)明如下：

（1）公路規(guī)范對(duì)土塞效應(yīng)折減適用最小樁徑為1.2 m，本次鋼管樁直徑較小，參考樁基規(guī)范取土塞效應(yīng)系數(shù)；

（2）考慮到試樁進(jìn)入持力層深度大，港口規(guī)范的樁端承載力折減系數(shù)取0.85；

（3）由于各規(guī)范中分項(xiàng)系數(shù)不同，現(xiàn)將各規(guī)范得到的設(shè)計(jì)值、標(biāo)準(zhǔn)值和容許值換算為同規(guī)范中靜載試驗(yàn)確定的極限承載力值。

依據(jù)各規(guī)范計(jì)算的極限承載力、靜載試驗(yàn)確定值如圖4所示，港口規(guī)范和鐵路規(guī)范計(jì)算值最大，公路規(guī)范和上海巖土規(guī)范計(jì)算值最小，計(jì)算的最大差值約675 kN，小于上海巖土規(guī)范計(jì)算值的10%。對(duì)于直徑700 mm的敞口鋼管樁，由于樁端土層為⑦2-2層粉砂，考慮震動(dòng)影響的公路規(guī)范計(jì)算值稍大于上海巖土規(guī)范計(jì)算值，鐵路規(guī)范由于未考慮土塞效應(yīng)，偏差相對(duì)較大。

圖4 各方法估算標(biāo)準(zhǔn)值與靜載試驗(yàn)確定值對(duì)比Fig.4 Comparison on capacity by estimation and static load tests

以休止期為42 d時(shí)靜載試驗(yàn)確定的承載力為基準(zhǔn)，試樁承載力均小于各規(guī)范的計(jì)算值。在休止期達(dá)到72 d時(shí)，單樁承載力相較42 d時(shí)已有明顯增長(zhǎng)，達(dá)到了公路規(guī)范和上海巖土規(guī)范計(jì)算值。

結(jié)合上海其他市政工程試樁結(jié)果，說(shuō)明現(xiàn)有振沉鋼管樁極限承載力計(jì)算方法有值得改進(jìn)之處；當(dāng)樁端持力層為密實(shí)砂土?xí)r，對(duì)于直徑700 mm的敞口鋼管樁，采用公路規(guī)范和上海巖土規(guī)范的計(jì)算公式是較合理的，但應(yīng)注意公路規(guī)范中土塞效應(yīng)系數(shù)取值。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)我國(guó)多部規(guī)范中單樁豎向抗壓承載力確定方法的介紹和對(duì)比，以及靜載荷試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到了以下結(jié)論：

（1）對(duì)比各規(guī)范，港口規(guī)范和鐵路規(guī)范計(jì)算值最大，公路規(guī)范和上海巖土規(guī)范計(jì)算值最小，計(jì)算的最大差值約675 kN，小于上海巖土規(guī)范計(jì)算值的10%。

（2）休止期從42 d增加到72 d，振沉樁承載力提升不少于16%。休止42 d時(shí)，樁的承載力無(wú)法達(dá)到規(guī)范的計(jì)算值；休止期達(dá)72 d時(shí)，樁基承載力達(dá)到公路規(guī)范和上海巖土規(guī)范的計(jì)算值。

（3）目前我國(guó)規(guī)范尚未針對(duì)振沉樁靜載試驗(yàn)休止期給出明確的規(guī)定，本文試驗(yàn)結(jié)果顯示振沉樁的休止期不應(yīng)少于42 d，該建議值高于目前規(guī)范對(duì)靜壓樁和打入樁的推薦休止期。為實(shí)現(xiàn)樁基承載力在通常規(guī)定的28 d內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)值，建議采取能提高樁端土塞效應(yīng)的措施或方法，如后注漿等。

（4）現(xiàn)有振沉鋼管樁極限承載力計(jì)算方法有值得改進(jìn)之處；當(dāng)樁端持力層為密實(shí)砂土?xí)r，對(duì)于外徑700 mm的敞口鋼管樁，采用公路規(guī)范和上海巖土規(guī)范的計(jì)算公式是較合理的，但應(yīng)注意公路規(guī)范中土塞效應(yīng)系數(shù)取值，建議取0.8。

（5）約50 m長(zhǎng)的鋼管樁樁身彈性壓縮變形最大可達(dá)37.17 mm，可達(dá)最大荷載時(shí)總沉降量的76%。樁身壓縮量占總沉降量的比例與樁身殘余變形大小有關(guān)，也與樁端是否有刺入變形及刺入變形多少有關(guān)，即刺入變形越大，樁身彈性壓縮變形占比越小。