沉降控制條件下的基樁設(shè)計(jì)實(shí)例

張 武 姚曉旭 張 波 郭 哲

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.河南省建院勘測設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450014）

0 引言

建筑物結(jié)構(gòu)變形控制設(shè)計(jì)中，常常需要對不同豎向壓力荷載作用下的基樁沉降進(jìn)行評估。對于承臺底地基土不分擔(dān)荷載的樁基，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）將樁頂沉降視為樁端平面以下土層沉降與樁身壓縮兩者的疊加，其中樁端平面以下土層沉降可以由樁端平面以下由基樁引起的附加應(yīng)力通過明德林（Mindlin）解計(jì)算確定，而樁身壓縮則視基樁為單向受壓桿件、按樁的承載特性以樁身壓縮系數(shù)進(jìn)行折減[1]。

現(xiàn)行的基樁沉降分析需要預(yù)判樁的承載特性，即樁端阻力與樁頂荷載之比（樁端承載比）α和樁身壓縮系數(shù) ξe，需要合理地選取與樁端下臥土層性質(zhì)相應(yīng)的計(jì)算厚度。

為簡化并改進(jìn)單樁沉降分析方法，文獻(xiàn)[2-5]歸納并討論了單樁豎向抗壓剛度的理論及不同地層條件下的計(jì)算方法，根據(jù)單樁豎向抗壓剛度kp的定義，樁頂沉降s與樁頂荷載Q存在如下關(guān)系。

如果考慮樁頂加卸載方式、樁基設(shè)計(jì)資料的完整性、沉降分析條件及施工經(jīng)驗(yàn)等因素，則需引入一個修正系數(shù)λ，此時樁頂沉降s按式（2）表達(dá)。

西非某集裝箱碼頭軌道樁基工程的設(shè)計(jì)、施工及檢測均執(zhí)行歐美相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是樁頂沉降需滿足不同荷載條件下對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，即滿足沉降控制要求。為此，提出以單樁豎向抗壓剛度方法分析基樁沉降，對比了該方法與現(xiàn)行國內(nèi)規(guī)范方法進(jìn)行基樁沉降分析的過程與結(jié)果，基樁檢測結(jié)果表明單樁豎向抗壓剛度方法可以滿足工程設(shè)計(jì)要求，更易于與海外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對接。

1 工程概況、單樁承載力及沉降控制要求

西非某集裝箱碼頭場址位于幾內(nèi)亞灣北側(cè)，項(xiàng)目用地利用流域疏浚砂對淺海灘涂進(jìn)行復(fù)墾，集裝箱碼頭樁基地質(zhì)鉆孔平面布置如圖1 所示。該項(xiàng)目基礎(chǔ)樁設(shè)計(jì)樁徑1000 mm，原設(shè)計(jì)為單樁長約48 m 的普通泥漿護(hù)壁灌注樁，經(jīng)優(yōu)化論證后采用樁長約30 m的后注漿鉆孔灌注樁。

圖1 項(xiàng)目集裝箱碼頭軌道樁基地質(zhì)鉆孔平面圖

樁基工程場地表層為吹填的中粗砂層（經(jīng)強(qiáng)夯處理），其下為砂土和黏土互層，各土層名稱、分布厚度及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 基樁土層物理力學(xué)參數(shù)

按照業(yè)主對集裝箱碼頭軌道結(jié)構(gòu)運(yùn)行要求，軌道的單樁豎向抗壓工作荷載SWL（Specified Working Load）為5150 kN。相應(yīng)地，工程樁的最大試驗(yàn)荷載取7800 kN；設(shè)計(jì)試樁的最大加載為12900 kN。

根據(jù)業(yè)主提出的鉆孔灌注樁技術(shù)規(guī)格書，本項(xiàng)目工程樁的設(shè)計(jì)、施工和檢測驗(yàn)收按美國ASCE[6]和英國ICE[7]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在試樁成果獲得業(yè)主認(rèn)可之前不得建造永久工程樁，同時不得使用試樁做為永久工程樁。

對永久工程樁，驗(yàn)收試驗(yàn)必須滿足如下要求：

（1）加載至7800 kN 全部卸載后樁頂?shù)臍堄喑两敌∮? mm；

（2）單樁加載必須達(dá)到或大于7800 kN；

（3）試樁加載至5150 kN時，樁頂?shù)淖畲蟪两盗啃∮?0 mm（樁最小橫向尺寸的1%）；

（4）試樁加載至7800 kN時，樁頂?shù)淖畲蟪两盗啃∮?0 mm（樁最小橫向尺寸的2%）。

為滿足以上要求，選擇土層物理力學(xué)性質(zhì)較差或樁端下臥軟弱土層的地質(zhì)鉆孔（TH61、TH25、TH30、TH66）區(qū)域作為試樁區(qū)，其地質(zhì)柱狀見圖2，參照國內(nèi)外有關(guān)樁基后注漿承載力估算的資料和規(guī)范[8-12]，相應(yīng)的單樁承載力計(jì)算值見表2。

表2 單樁豎向極限承載力計(jì)算表

2 規(guī)范法分析基樁沉降

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008），對不計(jì)承臺作用的基樁，如單樁、單排樁、樁中心距大于6 倍樁徑的疏樁基礎(chǔ)，其樁頂沉降可按式（3）-式（5）計(jì)算，樁端底下計(jì)算土層深度Zn按式（6）確定，式中符號含義見規(guī)范[1]。

沉降計(jì)算的基樁設(shè)計(jì)參數(shù)為樁徑D=1.0 m、樁長L=30 m、樁身選用C50 混凝土、樁頂工作荷載Q=5150.0 kN。當(dāng)計(jì)算深度Zn=4 m時，不計(jì)承臺土壓力引起的附加應(yīng)力σzc，計(jì)算分層厚度不超過0.3Zn，取1.0 m。則0.2σc=62.2 kPa，按公式（4）計(jì)算樁底以下3.5 m 處σz=34.99 kPa ≤0.2σc。

以鉆孔TH61 為例，樁的端承比 α，可在0～1.0范圍內(nèi)取值；樁身壓縮系數(shù) ξe取值與 α相關(guān)；當(dāng)α=0.75～1時，樁身壓縮系數(shù) ξe=1；當(dāng)α=0～0.5時，樁身壓縮系數(shù) ξe=2/3；沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù) φ取1，計(jì)算的樁頂沉降如表3 所示。

表3 鉆孔TH61 試樁沉降計(jì)算匯總表 mm

以上計(jì)算過程表明：當(dāng)端承比 α=0（即樁為摩擦樁）時，計(jì)算的樁頂沉降值最??；隨著 α值增大，即樁的摩擦作用降低、端承特性增強(qiáng)時，計(jì)算的樁頂沉降值也隨之增加；當(dāng)樁的承載特性表現(xiàn)為完全端承作用，即端承比 α=1.0時，計(jì)算的樁頂沉降值達(dá)到最大值。僅僅由于樁的端承比 α取值差異，計(jì)算的樁頂沉降值就可以相差3.44～5.30 倍（見圖3）。

圖3 鉆孔TH61 試樁沉降與樁端承載比α 關(guān)系

在實(shí)際工程中，影響樁的端承比 α因素較多，如樁周土層分布及其物理力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)樁周上層土堅(jiān)硬而下層土柔軟時，α宜取較小值；當(dāng)樁頂荷載較高時，α值可能較大。如果采用灌注樁后注漿，注漿組合模式也可以改變樁的端承比[11]。文獻(xiàn)[12]提供的單樁靜載試驗(yàn)表明，在北京、石家莊、鄭州等地以粉黏土或砂卵石土為樁端持力層的后注漿灌注樁，其樁端承載比α=0.017～0.22，且僅當(dāng)樁頂加載超過計(jì)算的單樁承載力特征值2 倍以上時，α取較高值；當(dāng)樁的長徑比大于30 或樁周上部土層強(qiáng)度較高或樁頂荷載水平較低時，α 宜取較低值。

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（GJG 94-2008），計(jì)算樁頂沉降值也與樁端下臥層計(jì)算厚度Zn取值相關(guān)，本文算例表明，隨著樁端下臥層計(jì)算深度Zn取值增加，計(jì)算的樁頂沉降值也隨之單調(diào)增加。對摩擦或端承摩擦型樁，計(jì)算的樁頂沉降值由于Zn取值不同可以相差120%以上；而對于端承或摩擦端承型樁，計(jì)算的樁頂沉降值由于Zn取值不同可以相差超過40%。從圖4 還可以看出，對本項(xiàng)目基樁，當(dāng)樁端下臥層計(jì)算厚度Zn取值超過15 m后，計(jì)算的樁頂沉降值趨于穩(wěn)定。其他3 個地質(zhì)鉆孔區(qū)域的試樁的樁頂沉降計(jì)算亦存在相似趨勢（見表4）。

表4 鉆孔TH30、TH25、TH66 試樁沉降計(jì)算匯總表 mm

圖4 鉆孔TH61 試樁沉降與樁端下臥土層計(jì)算深度 Zn 關(guān)系

以上沉降計(jì)算結(jié)果表明，在樁頂作用工作荷載Q=5150.0 kN時，按國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范方法計(jì)算的樁頂沉降值均大于10 mm，此計(jì)算結(jié)果不能滿足工作荷載作用下樁頂沉降控制要求（樁徑的1%）。為此，提出利用單樁豎向抗壓剛度估算基樁沉降的分析方法。

3 單樁豎向剛度分析及相應(yīng)的沉降估算

按照單樁豎向抗壓剛度的定義，樁頂沉降可以由式（1）估算，其合理性則取決于單樁豎向抗壓剛度計(jì)算。目前計(jì)算單樁豎向抗壓剛度的方法有《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》查表法[8]、集成剛度法[5]、利用單樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的直接法[2]、基于單樁承載機(jī)理的荷載傳遞法[3]和剪切位移法[4]等。由于影響單樁豎向抗壓剛度的因素比較復(fù)雜，這些方法得到的單樁豎向剛度值亦存在一定的離散性。這些因素的綜合影響可以通過式（2）中的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù) λ加以反映，初步分析或無經(jīng)驗(yàn)時，可取λ=1。采用本文提出的單樁剛度法計(jì)算的單樁豎向抗壓剛度及不同荷載水平下的樁頂沉降如表5 所示。

計(jì)算結(jié)果表明：采用灌注樁后壓漿工藝后，規(guī)定工作荷載（5150 kN）下的最大沉降量小于樁的最小橫向尺寸的1%（10 mm），規(guī)定試驗(yàn)荷載（7800 kN）下的最大沉降量小于樁的最小橫向尺寸的2%（20 mm），滿足業(yè)主及國外相關(guān)規(guī)范要求。

單樁豎向抗壓剛度是特定地層條件下樁自身固有的性質(zhì)，僅決定于樁的幾何尺寸和樁身彈性模量，樁側(cè)土的變形模量、泊松比及樁端土的基床系數(shù)，可以利用基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件和巖土勘察報(bào)告提供的資料估算，其精度與各種參數(shù)的精度相匹配。由式（1）可知，利用單樁豎向抗壓剛度計(jì)算樁頂沉降，兩者精度是同階的。利用單樁豎向抗壓剛度計(jì)算樁頂沉降，其準(zhǔn)確性與可靠性高于目前的規(guī)范方法。如果現(xiàn)場進(jìn)行了工程試樁且試樁資料具有可參考性，或者設(shè)計(jì)者有足夠的經(jīng)驗(yàn)，可以通過引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù) λ對式（1）進(jìn)行修正。

樁頂加載至指定荷載后卸載的殘余沉降sr是相應(yīng)加載的最大沉降量s與回彈量se的差值，樁頂?shù)淖畲蟪两盗縮可通過單樁豎向抗壓剛度按式（1）進(jìn)行估算，而回彈量為最大沉降量與回彈率ε 的乘積，因此借助于已有靜載試驗(yàn)或工程實(shí)例所提供回彈率參考值，樁頂殘余沉降可按式（7）估算。

回彈率 ε是基樁靜載試驗(yàn)提供的成果之一，與單樁承受的最大荷載量，樁周土的性質(zhì)、樁底沉渣厚度等相關(guān)。按一般的施工經(jīng)驗(yàn)，如果采用灌注樁樁端后注漿，可以提高回彈率ε。統(tǒng)計(jì)若干工程試樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得ε=0.4～0.8[13-15]。

采用灌注樁后壓漿工藝后，其荷載試驗(yàn)完成后卸載，估算回彈后的殘余沉降約為1.51～4.91 mm（見表6），小于6 mm，滿足項(xiàng)目業(yè)主及ICE 有關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

表6 試樁殘余沉降估算（驗(yàn)證荷載7800 kN）

4 試樁測試結(jié)果分析

該項(xiàng)目原設(shè)計(jì)采用樁長48 m、樁徑1000 mm 普通泥漿護(hù)壁灌注樁，估算的單樁承載力特征值可以達(dá)到規(guī)定值，按現(xiàn)行中國規(guī)范公式估算的樁頂沉降值不能滿足沉降控制要求。按照承載力與沉降雙控要求，改為樁長30 m、樁徑1000 mm 樁端與樁側(cè)組合后注漿鉆孔灌注樁，其中樁側(cè)后注漿以注漿量約0.8～1.5 t控制，樁底注漿以注漿壓力約1.0～2.0 MPa 控制，漿夜水灰質(zhì)量比為0.45～0.65。

根據(jù)修改后的設(shè)計(jì)方案，在地質(zhì)鉆孔TH61、TH25、TH30、TH66 附近進(jìn)行設(shè)計(jì)試樁的對比靜載試驗(yàn)（試驗(yàn)樁位見圖1），以驗(yàn)證施工工藝的可行性和設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

試樁單樁承載力靜載試驗(yàn)及樁身完整性超聲檢測均參照ICE 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。為保證試驗(yàn)技術(shù)的可靠性與嚴(yán)謹(jǐn)性，試樁靜載裝置（如加載鋼梁、配重、千斤頂、油壓表、油管等）按最大加載量15000 kN 配備，留足了安全儲備。

試樁現(xiàn)場靜載試驗(yàn)表明，單樁豎向抗壓極限承載力超過13500 kN，大于業(yè)主及ICE 提出的最大加載12900 kN 要求，同時對應(yīng)于各級特定荷載值，樁頂沉降均小于相應(yīng)的限制值。

5 結(jié)論

（1）對于不考慮群樁效應(yīng)和承臺下地基土分載作用的基樁，可以利用巖土工程勘察資料，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（GJG 94-2008）或其他的行業(yè)技術(shù)規(guī)范對其承載力進(jìn)行較為可靠的評估，而對于特定荷載作用下樁頂沉降值的評估則比較復(fù)雜，假設(shè)條件較多，其評估結(jié)果往往并不理想。

（2）提出按照單樁豎向抗壓剛度的定義和計(jì)算方法，結(jié)合樁周地層、成樁工藝和工程經(jīng)驗(yàn)，評估不同樁頂荷載條件下的樁頂沉降，并在實(shí)際樁基設(shè)計(jì)案例中取得了理想的應(yīng)用效果。

（3）由于地層參數(shù)、土性特點(diǎn)及樁基工程自身的復(fù)雜性，單樁豎向抗壓剛度取值的合理性需要更多的工程資料積累，基樁的樁頂沉降評估計(jì)算方法還需要進(jìn)一步完善。