新沂城區(qū)超密砂層預(yù)制樁樁端阻力的取值探討

孫君

(常州市規(guī)劃設(shè)計院,常州 213000)

1 前言

新沂城區(qū)位于沭河西岸,地勢平坦而開闊,地面略有起伏,東北部略高于西南部,地貌單元單一。埋深80～90 m內(nèi)巖性以新生界為主。其中,第四系厚度約50 m,多以砂層和黏性土交替分布,第三系厚度約30 m,下伏基巖為白堊系王氏組紫紅色砂巖[1]。

其中埋深23 m范圍內(nèi)分布多層高阻力超密砂層,雙橋靜探qc平均約25～33 MPa,土性較均勻,狀態(tài)極好。而新沂城區(qū)采用預(yù)制樁時,由于超密砂層埋深較淺,其作為預(yù)制樁樁端持力層的破壞性試樁靜載檢測資料相對較少,故勘察提供的樁基參數(shù)多按建筑樁基技術(shù)規(guī)范[2]中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法取值,特別是樁端阻力取值明顯偏于保守,不能真實(shí)反映出超密實(shí)砂層的樁端承載特性,與之對應(yīng)的單樁承載力計算結(jié)果也偏低,在無破壞性試樁靜載資料的支持情況下,樁基設(shè)計往往布樁偏密,加劇了工程樁沉樁穿越困難、樁身上涌導(dǎo)致樁端與持力層接觸松弛甚至脫空等一系列問題,引發(fā)基樁阻力損失、基樁承載力降低等風(fēng)險[3-8]。

目前,預(yù)制樁樁端阻力除采用根據(jù)規(guī)范取值外,多通過增做高應(yīng)變檢測方式估測[9-12]。本文結(jié)合新沂城區(qū)典型項(xiàng)目,針對新沂城區(qū)常作為預(yù)制樁持力層的埋深16～23 m段超密砂層,通過對常規(guī)的抗拔和抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果綜合分析,對超密砂層中預(yù)制樁單樁承載力起主導(dǎo)作用的樁端阻力取值進(jìn)行了探索,挖掘其作為預(yù)制樁樁端持力層的承載潛力,為預(yù)制樁樁端阻力取值提供借鑒和參考。

2 工程地質(zhì)特性分析

典型工程項(xiàng)目位于新沂城區(qū)新安街道,地貌類型屬于沂沭丘陵-平原區(qū)的沖積平原,第四系地層以砂土和黏性土為主。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ32/TJ 208-2016)附圖E.0.1《沂沭丘陵第四紀(jì)晚更新世(Q3)地層出露或淺埋區(qū)分布圖》[13],場地位于Q3地層出露或淺埋區(qū)。Q3沉積土層埋深淺,第四系全新統(tǒng)(Q4)沉積土層分布于約4 m以淺(如表1中①層),第四系上更新統(tǒng)(Q3)及以前沉積土層一般分布于約4 m以下(如表1中②1層及以下土層)。23 m內(nèi)分布的超密砂層為③層細(xì)中砂、⑤層中砂、⑦層中粗砂,其中⑦層中粗砂為預(yù)制樁設(shè)計樁端持力層(ZH-50實(shí)心方樁,樁頂標(biāo)高22.25 m,樁端標(biāo)高10.25 m)。土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1,由于場地土層層位均勻,選取典型剖面如圖1,以此反映場地大致土層分布。

表1 基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計平均值

圖1 工程典型剖面圖

3 預(yù)制樁樁基參數(shù)的選擇與對比

新沂地區(qū)預(yù)制樁樁基參數(shù)通常參照樁基規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法,據(jù)土名和土的狀態(tài)結(jié)合規(guī)范表5.3.5進(jìn)行樁側(cè)阻力和樁端阻力取值,按式(1)估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,符號意義見樁基規(guī)范第5.3.5條。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

除該取值方法外,樁基規(guī)范中尚提出原位測試法估算單樁極限承載力:對于黏性土、粉土和砂土,如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時,可根據(jù)雙橋靜力觸探資料按式(2)確定混凝土預(yù)制樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,其中βi·fsi相當(dāng)于式(1)中樁側(cè)阻力qsik,α·qc相當(dāng)于式(1)中樁端阻力qpk,符號意義見樁基規(guī)范第5.3.4條:

Quk=Qsk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(2)

2016年頒布實(shí)施的江蘇省巖土工程勘察規(guī)范,提供了我院基于常州地區(qū)地層建立的雙橋靜力觸探測試指標(biāo)估算樁基承載力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,并建議其他地區(qū)參照使用時,應(yīng)結(jié)合靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證。但該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是基于常州地區(qū)土性雙橋靜探和靜載荷試驗(yàn)統(tǒng)計回歸得出的同一土層樁側(cè)、樁端阻力與靜力觸探摩阻力fs、錐尖阻力qc近似線性關(guān)系,統(tǒng)計范圍fs在5～180 kPa,qc在1.4～15.0 MPa之間,而本項(xiàng)目⑦層中粗砂qc平均約33.1 MPa,fs平均約218 kPa,均在江蘇省巖土工程勘察規(guī)范最大樁側(cè)和樁端阻力取值對應(yīng)的雙橋靜力觸探測試指標(biāo)最高值范圍外。根據(jù)上式(2)及相關(guān)文獻(xiàn)[14]所述同一土層樁側(cè)阻力、樁端阻力與靜探測試指標(biāo)qc、fs多呈線性或類線性關(guān)系,故基于江蘇省巖土工程勘察規(guī)范密實(shí)砂層按qc、fs外延進(jìn)行樁側(cè)和樁端阻力取值。

以典型工程為例,對預(yù)制樁單樁承載力計算所涉②～⑦層土,分別參照建筑樁基技術(shù)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法(表中簡稱“經(jīng)驗(yàn)法”)、建筑樁基技術(shù)規(guī)范中的雙橋靜力觸探原位測試法(表中簡稱“靜探法”)和江蘇省巖土工程勘察規(guī)范按qc、fs外延取值法(表中簡稱“外延法”),進(jìn)行預(yù)制樁樁基參數(shù)對比,如表2。

表2 預(yù)制樁參數(shù)取值對比表

基于以上預(yù)制樁參數(shù)3種不同取值結(jié)果,以圖1中J1、J2號孔為例,估算單樁抗壓承載力值如表3。

通過對預(yù)制樁樁基參數(shù)3種取值方法計算所得單樁抗壓承載力進(jìn)行分析可知:單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值相差不大,極差在13%以內(nèi);而總極限端阻力因樁基參數(shù)中的極限端阻力qpk取值不同導(dǎo)致計算結(jié)果差異極大,外延法所得總極限端阻力接近經(jīng)驗(yàn)法的3倍,其單樁抗壓承載力極限值接近經(jīng)驗(yàn)法的2倍;由計算結(jié)果根據(jù)承載性狀分類,按經(jīng)驗(yàn)法基樁類型為摩擦型樁(端承摩擦樁),按靜探法和外延法基樁類型為端承型樁(摩擦端承樁)。為了明確基樁實(shí)際受力性狀和進(jìn)一步驗(yàn)證樁基參數(shù)選取的合理性,極限端阻力qpk的取值至關(guān)重要。

4 靜載驗(yàn)證和分析

為驗(yàn)證樁基參數(shù),尤其是極限端阻力qpk的合理取值區(qū)間,選取典型工程場地布置的4根抗拔試樁(樁號KB-SZ1～KB-SZ4),6根抗壓試樁(樁號1-SZ1～1-SZ4、3-SZ1、3-SZ3),具體位置詳見圖2,試樁信息如表4。

單節(jié)預(yù)制樁錘擊進(jìn)入⑦層中粗砂后結(jié)合壓樁力終止沉樁。試樁施打完畢滿足休止期要求后,進(jìn)行了單樁豎向抗壓和抗拔靜載試驗(yàn),抗拔加載值超過420 kN后每級按70 kN加載,抗壓加載值超過2 800 kN后每級按400 kN加載,結(jié)果匯總?cè)绫?,樁長12 m的4根抗拔樁承載力檢測值均為1 750 kN,抗壓極限承載力檢測值均為8 050 kN。由于場地土層分布均勻,為簡化分析,視場地抗壓和抗拔樁為針對同一地層檢測。

表4 試樁信息表

表5 試樁靜載結(jié)果匯總表

由單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式:

Tuk=∑λi·qsik·ui·li

(3)

對于等周長樁來說,公式(3)即為公式(4):

Tuk=∑λi·Qski

(4)

Qski為樁側(cè)分層極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值,其他符號意義詳見樁基規(guī)范第5.4.6條,其中抗拔系數(shù)λ對于砂土取0.5～0.7,對于黏性土、粉土取0.7～0.8。進(jìn)一步的,將式(4)中極限側(cè)阻力按砂土和黏性土分開,并假定樁身范圍內(nèi)砂土總側(cè)阻為黏性土總側(cè)阻的m倍,則式(4)變?yōu)槭?5):

Tuk=λ砂·m·Qsk黏+λ黏·Qsk黏

(5)

將式(5)代入式(1),則qpk表達(dá)為式(6):

qpk=[Quk-(m+1)Tuk/(λ砂m+λ黏)]/Ap

(6)

對于抗拔、抗壓檢測結(jié)果及m值為定值情況下,λ砂、λ黏取低值時,對應(yīng)的qpk取值為下限值;λ砂、λ黏取高值時,對應(yīng)的qpk取值為上限值。

為了獲得m值,將表3中總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk分解為砂土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk砂和黏性土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk黏,m值即為Qsk砂/Qsk黏,如表6所示,mz值最大值和最小值極差約17%,m值建議取其平均值2.52。

表6 砂土和黏性土側(cè)阻力及m值計算表

將m、Tuk、Quk、Ap值代入式(6),λ砂、λ黏分別取低值0.5、0.7時,對應(yīng)qpk下限值為19 628 kPa;λ砂、λ黏分別取低值0.7、0.8時,對應(yīng)qpk上限值為22 590 kPa;故qpk取值大致在19 628～22 590 kPa之間時,與實(shí)際檢測結(jié)果更為接近。

5 結(jié)語

基于新沂城區(qū)典型工程勘察和樁基靜載資料,對淺部16～23 m深度段的超密砂層進(jìn)行了工程地質(zhì)特性分析、預(yù)制樁樁基參數(shù)反分析,提出如下說明和建議:

(1) 從靜載結(jié)果看,該深度段的超密砂層,狀態(tài)極好,尤其作為預(yù)制樁樁端持力層時,其端承特性顯著,樁端阻力對單樁承載力的貢獻(xiàn)大。

(2) 初步分析,樁端土層剛度越大,上部樁側(cè)土體位移起到阻滯約束作用,致使樁端附近土體圍壓增加,土體抗剪強(qiáng)度得到加強(qiáng),會表現(xiàn)為樁端附近阻力存在增強(qiáng)效應(yīng)。

(3) 從靜載檢測反算的極限端阻力qpk取值區(qū)間看,對于該超密砂層,qpk按建筑樁基技術(shù)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法進(jìn)行取值,明顯過于保守;按建筑樁基技術(shù)規(guī)范中的靜力觸探法取值,尚存在一定的安全儲備;江蘇省巖土工程勘察規(guī)范密實(shí)砂層按qc、fs外延進(jìn)行qpk取值,與實(shí)際檢測結(jié)果更為接近。

(4) 超密砂層按照不同規(guī)范和方法,預(yù)制樁極限端阻力qpk最大和最小取值之間的比值可能高達(dá)約3倍。僅按建筑樁基技術(shù)規(guī)范中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法進(jìn)行取值和一味按單樁承載力計算值主控、不作破壞性試樁的樁基設(shè)計方法,往往導(dǎo)致樁基設(shè)計經(jīng)濟(jì)性差,同時還會帶來沉樁穿越困難等一系列樁基施工問題。故提供合理的樁基參數(shù)建議、進(jìn)行破壞性試樁靜載荷試驗(yàn)驗(yàn)證和調(diào)整樁基參數(shù),更有利于優(yōu)化樁基設(shè)計。

(5) 本文中砂土總側(cè)阻與黏性土總側(cè)阻的比值m是通過計算結(jié)果統(tǒng)計得出的,作為實(shí)際砂土、黏性土樁側(cè)受力分擔(dān)情況的假定;抗拔系數(shù)λ砂、λ黏采用建筑樁基技術(shù)規(guī)范建議取值范圍的最大和最小值參與反分析,而建筑樁基技術(shù)規(guī)范λ砂、λ黏是根據(jù)全國部分城市抗拔試驗(yàn)結(jié)果并參照有關(guān)規(guī)范給出的,具有統(tǒng)計包絡(luò)性但更加寬泛,故得出的qpk取值區(qū)間范圍相應(yīng)也稍大,精確度稍差。