含硬巖層的潛孔錘引孔灌土打入管樁法基礎(chǔ)設(shè)計研究

何余鈞，林惠庭，何建亮，唐 俊，周文超

（1、長宇（珠海）國際建筑設(shè)計有限公司 廣東 珠海 519100；2、珠海市斗門區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站 廣東 珠海 519125；3、珠海市建安集團(tuán)有限公司 廣東 珠海 519000）

0 前言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（以下簡稱PHC 管樁）具有單樁承載力高，施工速度快，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯等優(yōu)點，PHC 管樁在廣東沿海地區(qū)廣泛應(yīng)用。錘擊管樁只能進(jìn)入N'=50 的強(qiáng)風(fēng)化巖層1～2 m，靜壓樁至多只能壓到該層表面。如果遇到“上軟下硬，軟硬突變”的地層，即上面覆蓋層全是軟弱土層，下面就是中風(fēng)化巖層，中間缺失一層強(qiáng)風(fēng)化巖層，這種地質(zhì)條件普通打（壓）樁法就不適合［1］。依據(jù)《錘擊式預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工程技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-22—2021》［2］第4.3.4條對于基巖以上的覆蓋層為淤泥等松散土層，其下直接為中風(fēng)化花崗巖或微風(fēng)化花崗巖，或中風(fēng)化、微風(fēng)化巖面上只有較薄的全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化巖層的地質(zhì)條件，宜采用植樁工法或其他有效措施后采用錘擊或振動成樁。

國內(nèi)學(xué)者對于“上軟下硬，軟硬突變”的地層中PHC 管樁的沉樁方法以及承載性能開展了一些理論和試驗研究。目前主要方法有潛孔錘引孔植樁法、靜鉆根植樁法、隨鉆根植樁法。植樁法普遍采用預(yù)鉆成孔，孔內(nèi)灌注砂漿或者細(xì)石混凝土后植入管樁的做法。趙偉等人［3］介紹了大直徑風(fēng)動潛孔錘引孔技術(shù)在含漂石礫砂層預(yù)制樁施工中的成功應(yīng)用；王平等人［4-5］對使用風(fēng)動潛孔錘在巨石、中粗砂填海區(qū)進(jìn)行引孔鉆進(jìn)工藝開展試驗研究；王雄旭［6］對硬巖孤石地質(zhì)條件下液壓潛孔錘旋挖鉆機(jī)組合施工技術(shù)進(jìn)行研究；方偉定等人［7］對靜鉆根植樁的設(shè)計、施工與試驗開展研究；李紀(jì)勝等人［8］介紹了靜鉆根植樁在東城國貿(mào)中心的成功應(yīng)用；王衛(wèi)東等人［9-10］對上海地區(qū)靜鉆根灌漿植樁成樁效果與質(zhì)量試驗、承載特性現(xiàn)場試驗開展研究；曾國等人［11］結(jié)合珠海市某工程實例詳細(xì)闡述了引孔嵌巖預(yù)制管樁施工與設(shè)計的方法。

珠海地處廣東省中部沿海、珠江三角洲的南部前緣，地貌單元以沖積平原和海積平原為主，軟土分布范圍廣泛，沉積物以淤泥層占陸地總面積的50%～60%，局部厚度達(dá)50 m 以上［12］，PHC 管樁占珠海地區(qū)建筑樁基工程總數(shù)的85%以上，已成為該地區(qū)最主要的建筑樁型［13］。本文結(jié)合工程實例，對“上軟下硬，軟硬突變”的地層中PHC管樁采用潛孔錘引孔灌土打入管樁法的基礎(chǔ)設(shè)計進(jìn)行分析，引孔后孔內(nèi)灌礫質(zhì)黏性土再打樁，可以為今后潛孔錘引孔灌土打入管樁的實踐與研究提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

珠海某生產(chǎn)基地建設(shè)項目位于珠海市斗門區(qū)，一期總建筑面積共229 640.75 m2，其中地上187103.35m2，地下42 537.40 m2。地上5 層，地下1 層?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系?？拐鹪O(shè)防烈度7 度（0.1g），設(shè)計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級，采用PHC500（AB 型，壁厚125）管樁基礎(chǔ)，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，錘擊沉樁，入巖深度不少于3d（d為樁身直徑）。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)本工程巖土勘察報告，場地內(nèi)各土層由上至下分述如下，相關(guān)參數(shù)詳如表1所示。

表1 各地層工程特性指標(biāo)值Tab.1 Each Layer Engineering Characteristic Index Value

⑴人工填土層（Qml）：①素填土：松散狀，稍濕，以耕植土為主，該層在場地內(nèi)均有分布，平均厚度0.56 m。

⑵ 海陸交互相沉積層（Qmc）：①淤泥：流塑，飽和。該層在場地內(nèi)均有分布，平均厚度8.56 m。②粗砂：稍密，飽和。成份石英為主，底部含較多黏性土。該層在場地內(nèi)局部分布，平均厚度1.36 m。

⑶殘積土層（Qel）：砂質(zhì)黏性土：可塑～硬塑狀。為花崗巖風(fēng)化殘積土。該層在場地內(nèi)局部分布，平均厚度2.69 m。

⑷基巖層（γ52（3））：①全風(fēng)化花崗巖：硬塑狀，巖芯遇水易軟化。屬極軟巖，極破碎。校正平均擊數(shù)39.4擊。該層在全場地內(nèi)廣泛分布，平均厚度3.19 m。該層無規(guī)律分布微風(fēng)化孤石。②強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：巖體破碎，裂隙發(fā)育，屬極軟巖，極破碎。校正平均擊數(shù)55.4擊。該層在全場地內(nèi)普遍分布，平均厚度2.69 m。③中風(fēng)化花崗巖：巖體破碎，裂隙極發(fā)育。巖芯為碎塊狀、短柱狀，巖石堅硬程度為軟巖。飽和單軸抗壓強(qiáng)度值frk=28.0 MPa，天然單軸抗壓強(qiáng)度值frp=31.0 MPa。該層在全場地均有分布。

1.3 特殊不良工程地質(zhì)情況

根據(jù)本工程巖土勘察報告，場地內(nèi)對預(yù)制樁的設(shè)計以及沉樁有較大影響的不良地質(zhì)情況如下：

⑴孤石無規(guī)律的分布在全風(fēng)化花崗巖土層中。管樁沉樁過程遇到孤石會造成斷樁，難以進(jìn)入有效的持力層。

⑵局部地段存在“上軟下硬，軟硬突變”的地層，上面覆蓋層全是軟弱土層，下面就是強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖層或中風(fēng)化花崗巖面上只有較薄的全風(fēng)化花崗巖或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。管樁若按正常的錘擊沉樁方式，樁入巖深度難以滿足要求且容易斷樁；樁范圍內(nèi)土層分布及特點如圖1所示。

圖1 樁范圍內(nèi)場地土層剖面Fig.1 Each Layer Engineering Characteristic Index Value

2 沉樁方案選擇

為保證樁有效地進(jìn)入持力層及入巖深度，需采取引孔措施。大直徑風(fēng)動潛孔錘能有效穿過孤石，穿進(jìn)中風(fēng)化花崗巖層。若采用鉆機(jī)預(yù)鉆成孔，孔內(nèi)灌注砂漿或者細(xì)石混凝土后植入管樁的常規(guī)做法面臨兩個主要問題：①樁底完全固結(jié)后基坑開挖過程中容易出現(xiàn)斷樁。采取回填礫質(zhì)黏性土后擠壓密實使樁底實際約束狀態(tài)介于鉸接與固結(jié)之間有利于控制樁身的質(zhì)量；②結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗，孔內(nèi)灌注砂漿或細(xì)石混凝土施工質(zhì)量不容易控制。故本項目采用大直徑風(fēng)動潛孔錘引孔，成孔后孔內(nèi)回灌礫質(zhì)黏性土，具有施工便捷質(zhì)量可控的優(yōu)點。針對特殊不良工程地質(zhì)情況分別處理如下：

⑴對于偶遇孤石，硬夾層或中風(fēng)化碎塊等，預(yù)制樁施工采用潛孔錘引孔機(jī)進(jìn)行引孔，引孔孔徑D=550 mm，引孔后錘擊沉樁，使PHC 管樁樁端進(jìn)入有效的持力層。

⑵存在“上軟下硬，軟硬突變”的地層，軟弱土層下面就是強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層的區(qū)域采用潛孔錘引孔機(jī)引孔，引孔孔徑D=550 mm，入巖深度滿足3d并加上樁尖高度，也就是1.65 m。潛孔錘引孔后孔內(nèi)回灌礫質(zhì)黏性土，充盈后再采用液壓錘樁機(jī)錘擊沉樁。收錘時以貫入度作為控制條件，樁長為參考條件，同時有效樁長不少于8 m。

⑶存在“上軟下硬，軟硬突變”的地層，軟弱土層下面就是為中風(fēng)化花崗巖或中風(fēng)化花崗巖面上只有較薄的全風(fēng)化花崗巖或強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的區(qū)域采用潛孔錘引孔機(jī)引孔，引孔孔徑D=650 mm，入巖深度1.65 m。潛孔錘引孔后孔內(nèi)回灌礫質(zhì)黏性土，充盈后再采用液壓錘擊樁機(jī)錘擊沉樁。收錘時以貫入度作為控制條件，樁長為參考條件，同時有效樁長不少于8 m。

3 單樁豎向抗壓承載力特征值確定

3.1 單樁豎向抗壓承載力特征值確定

單樁豎向承載力特征值須通過靜載荷試驗確定，試驗方法應(yīng)符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范：JGJ 106—2014》第4 章關(guān)于單樁豎向靜載荷試驗的規(guī)定。

國內(nèi)尚無潛孔錘引孔灌土打入管樁法單樁豎向承載力特征值的計算公式。相近公式有：①《建筑樁基技術(shù)規(guī)范：JGJ 94—2008》［14］第5.3.5 條的計算方法；②文獻(xiàn)［2］第4.2.4.4 條及條文說明對預(yù)鉆成孔，孔內(nèi)灌注砂漿或者細(xì)石混凝土后植入管樁工法的單樁豎向抗壓承載力特征值的估算采用類似灌注樁承載力的計算公式；③《隨鉆跟管樁技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 344—2014》［15］第4.3.2～4.3.5 條及條文說明中提到對隨鉆跟管樁為部分?jǐn)D土樁，其樁側(cè)摩阻力大于鉆（沖）孔灌注樁，小于靜壓或錘擊預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，初步估算時推薦其側(cè)摩阻力按文獻(xiàn)［14］推薦的泥漿護(hù)壁鉆（沖）孔樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值取值；④《靜鉆根植樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程：浙江省標(biāo)準(zhǔn)DB33/T 1134—2017》［16］第4.3.5條及條文說明中提出對于鉆孔植樁預(yù)制樁施工對周邊土體的加強(qiáng)作用，側(cè)摩阻力參數(shù)可按巖土工程勘察報告提供的預(yù)制樁參數(shù)進(jìn)行取值，端阻力特征值可按巖土工程勘察報告提供的預(yù)制樁參數(shù)根據(jù)樁端土性進(jìn)行折減。分別依據(jù)上述規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行估算，珠海市本地區(qū)檢測結(jié)果統(tǒng)計顯示液壓錘沉樁的PHC500管樁單樁豎向抗壓承載力特征值Ra常規(guī)取2 000 kN。

3.1.1 樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的管樁

對于樁端持力層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的管樁，尚未完成自重固結(jié)的土類不計算其側(cè)摩阻力。入巖深度l為1.5 m。

⑴錘擊沉樁過程中因管樁對孔內(nèi)的礫質(zhì)黏性土產(chǎn)生擠壓作用導(dǎo)致樁側(cè)土擠壓密實，樁的側(cè)摩阻力以及樁端阻力參照地質(zhì)報告中預(yù)制樁的參數(shù)取值，單樁豎向抗壓承載力特征值計算參照文獻(xiàn)［14］第5.3.5 條的計算方法估算，計算公式為

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值；u為樁身周邊長度；qsia為樁側(cè)阻力特征值；li為第i層土的厚度；qpa為樁端阻力特征值；Ap為樁底端橫截面面積。本文qsia=120 kPa，qpa=6 500 kPa。根據(jù)式⑴，Ra=1 557 kN。相對珠海市Ra常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果偏小。

⑵單樁豎向抗壓承載力特征值計算按照文獻(xiàn)［2］第4.2.4.4條的計算方法估算，計算公式為

式中：qsia取文獻(xiàn)［14］中表5.3.5-1 中選取灌注樁側(cè)摩阻力極限值的區(qū)間高值的0.5 倍；qpa取文獻(xiàn)［14］中表5.3.5-2 中選取灌注樁側(cè)摩阻力極限值的區(qū)間高值的0.5倍。本文qsia=100 kPa，qpa=1 100 kPa。根據(jù)式⑵，Ra=451 kN。相對珠海市Ra常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果嚴(yán)重偏小，該公式不合理。

⑶單樁豎向抗壓承載力特征值計算按照文獻(xiàn)［15］第4.3.2條的計算方法估算，計算公式為

式中：因樁側(cè)未注漿，qsik取文獻(xiàn)［14］表5.3.5-1 中泥漿護(hù)壁鉆孔樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值取值，qpk按文獻(xiàn)［15］表4.3.2-2 中取值。本文qsik=200 kPa，qpk=1 800 kPa。根據(jù)式⑶，Quk=823 kN，故Ra=412 kN。相對珠海市Ra常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果嚴(yán)重偏小，該公式不合理。

⑷單樁豎向抗壓承載力特征值計算按照文獻(xiàn)［16］第4.3.5條的計算方法估算，計算公式為

式中：qsik按勘察報告中預(yù)制樁樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值取值；qpk按勘察報告中預(yù)制樁樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值乘以折減系數(shù)0.6。本文qsik=240 kPa，qpk=7 800 kPa。根據(jù)式⑷，Quk=2 094 kN，Ra=1 047 kN。相對珠海市Ra常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果嚴(yán)重偏小，該公式不合理。

3.1.2 樁端持力層中風(fēng)化花崗巖的管樁

對于樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖的管樁，入巖深度滿足3d，樁承載力主要來自樁端阻力，不考慮其側(cè)摩阻力。

⑴單樁豎向抗壓承載力特征值計算按照文獻(xiàn)［14］第5.3.9條的計算方法，計算公式為

本文暫取ξr=1.0。根據(jù)式⑸，Qrk=5495kN，Ra=2748kN。相對珠海市Ra常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果偏大。需調(diào)整ξr取值為0.7～0.8，則Ra接近常規(guī)取值2 000 kN。

⑵單樁豎向抗壓承載力特征值計算按照文獻(xiàn)［2］第4.2.4.4條的計算方法估算，計算公式為

式中：C1按照文獻(xiàn)［2］第10.2.4條規(guī)定取值。本文C1=0.4。根據(jù)式⑹，Ra=2 434 kN。相對珠海市常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果偏大，該公式不合理。

⑶單樁豎向抗壓承載力特征值計算按照文獻(xiàn)［15］第4.3.3條的計算方法估算，計算公式為

本文ξr=1.25。根據(jù)式⑺，Qrk=6 868 kN，Ra=3 434 kN。相對珠海市常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果嚴(yán)重偏大，該公式不合理。

⑷單樁豎向抗壓承載力特征值計算按照文獻(xiàn)［16］第4.3.5條的計算方法估算，計算公式為

本文ξr=0.7。根據(jù)式⑻，Qrk=3 847 kN，Ra=1 924 kN。相對珠海市常規(guī)取值2 000 kN，計算結(jié)果接近，該公式合理。

3.2 工程抗浮問題的解決

本項目上部無塔樓的地下室區(qū)域原設(shè)計通過自重以及抗拔樁平衡水浮力。基樁的抗拔承載力主要由樁的側(cè)摩阻力以及樁身自重提供，對于不良地質(zhì)情況區(qū)域基樁的抗拔承載力達(dá)不到設(shè)計要求。通過專業(yè)間的協(xié)商確定通過以下兩個方面去解決地下室抗?。孩僭黾禹敯甯餐梁穸纫约吧喜繜o塔樓的地下室區(qū)域的底板厚度來增加自身的重量；②將整個場地的黃海高程提高以降低抗浮設(shè)計水位。通過上述辦法使得整個項目的抗浮滿足要求。

3.3 靜載試驗結(jié)果及分析

因本項目地質(zhì)條件較復(fù)雜，且成樁工藝特殊，依據(jù)文獻(xiàn)［2］第4.2.4條在施工前進(jìn)行單樁豎向抗壓荷載工藝性試驗以確定單樁豎向抗壓承載力特征值，根據(jù)持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖兩種情況分別進(jìn)行試驗，分別試驗3根，共6根。本項目按常規(guī)錘擊工法施工的基樁單樁豎向抗壓承載力特征值Ra=2 000 kN，采用潛孔錘引孔灌土打入管樁法的基樁單樁豎向抗壓承載力特征值Ra=2 000 kN，最大試驗荷載為4 000 kN。試驗結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

表2 各試驗樁試驗結(jié)果Tab.2 Test Results of Each Test Pile

試驗結(jié)果表明：

⑴采用潛孔錘引孔灌土打入管樁法在清孔滿足要求的前提下管樁的Q-s曲線為緩變型，當(dāng)加載到最大加載量4 000 kN 時樁頂沉降量滿足設(shè)計要求。單樁豎向極限抗壓承載力≥4 000 kN。

⑵正常錘擊工法樁Q-s曲線如圖2所示，潛孔錘引孔灌土打入管樁法樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖樁Q-s曲線如圖3?所示，可以看出兩者的樁Q-s曲線表現(xiàn)規(guī)律基本一致，都是典型的摩擦端承樁的承載受力方式。按照文獻(xiàn)［14］第5.3.5 條的計算方法估算時理論計算符合實際受力情況。

圖2 正常錘擊工法樁樁Q-s曲線Fig.2 Q-s Curve of Normal Hammer-driven Pile

圖3 樁Q-s曲線Fig.3 Pile Q-s Curve

⑶根據(jù)圖3?可以看出，在3 根潛孔錘引孔灌土打入管樁法樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖的試驗管樁中，2-1#～2-3#樁Q-s曲線基本表現(xiàn)規(guī)律一致，樁的側(cè)阻力很小，樁端承擔(dān)絕大部分的豎向荷載，屬于典型的端承樁的承載受力方式，其樁端阻力的計算采用與灌注樁樁端阻力計算類似的理論計算方法符合實際受力情況。

⑷根據(jù)圖3?的2-1#樁試驗結(jié)果顯示：潛孔錘引孔灌土打入管樁法引孔清孔不干凈存在淤泥，會導(dǎo)致單樁的抗壓承載力性能下降。

4 結(jié)論

⑴潛孔錘引孔灌土打入管樁法適用于“上軟下硬，軟硬突變”的地層條件，按此工法施工的PHC500管樁與正常液壓錘擊法管樁的單樁豎向抗壓承載力特征值Ra能達(dá)到2 000 kN的設(shè)計要求。

⑵對于潛孔錘引孔灌土打入管樁法且樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的單樁豎向抗壓承載力特征值Ra可按文獻(xiàn)［14］第5.3.5條進(jìn)行估算，錘擊沉樁過程中因管樁對孔內(nèi)的礫質(zhì)黏性土產(chǎn)生擠壓作用導(dǎo)致樁側(cè)土擠壓密實，樁的側(cè)摩阻力以及樁端阻力可參照地質(zhì)報告中預(yù)制樁的參數(shù)取值。靜載試驗結(jié)果較估算值提高約13%，按方法進(jìn)行承載力估算有一定的安全儲備。

⑶對于潛孔錘引孔灌土打入管樁法且樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖的單樁豎向抗壓承載力特征值按文獻(xiàn)［14］第5.3.9條嵌巖樁進(jìn)行估算，對比靜載試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)計算時不計入樁周土總極限側(cè)阻力，需要調(diào)整ξr的取值為0.7～0.8，計算結(jié)果才合理。