載體樁在太原地區(qū)粉土地層中的應用研究①

魏世輝, 郭建勇

(1.阜陽職業(yè)技術(shù)學院城鄉(xiāng)建設學院,安徽 阜陽 236031;2.鄭州中糧科研設計院有限公司,河南 鄭州 450053)

0 引 言

大型工業(yè)建筑因結(jié)構(gòu)體系特殊、上部結(jié)構(gòu)荷載較大、工藝要求精確度高,需要地基基礎(chǔ)具有較高的承載力和較小的沉降變形。載體樁因施工工藝簡單、質(zhì)量易控制以及可以消納建筑垃圾等優(yōu)點,在工程中被廣泛采用,國內(nèi)學者針對載體樁在砂土、卵石等不同地質(zhì)條件的受力性能進行了相應研究[1-4]。通過不同地質(zhì)條件下載體樁的工程應用研究,表明載體樁在不同土質(zhì)條件下均有很好的適用性,在有效的樁長的情況下取得較高的承載力,并能較好的抵抗沉降變形。例如杜明芳等[5]通過對密實砂土層作為持力層的載體樁試驗,證明載體樁在砂土層中能夠確保良好的施工質(zhì)量,并獲得較高的單樁承載能力。王建安等[6]通過對比灌注樁和載體樁在粉質(zhì)黏土中的成樁質(zhì)量、靜載試驗結(jié)果和經(jīng)濟效益,表明了在粉質(zhì)黏土地區(qū)載體樁比灌注樁具有更好的經(jīng)濟性。李輝[7]通過對載體樁在樁筏基礎(chǔ)的應用研究,表明了載體樁相比灌注樁具有較高承載力,且其施工工藝相對簡單、質(zhì)量易控制、不受地下水影響,并可以消納建筑垃圾,節(jié)能環(huán)保。張培成等[8]通過在飽和軟土地基中采用載體樁,表明了載體樁在軟土地基中也有較高的承載力,施工質(zhì)量較好,比預制管樁的工程性能更好。李均山等[9]研究了載體樁在卵石地層中的應用,結(jié)果表明以卵石為持力層的載體樁具有較好的適用性,承載能力和抵抗沉降性能良好。以上文獻針對不同的地址條件對載體樁的應用進行了研究,由于我國幅員遼闊,土質(zhì)條件復雜多樣,載體樁在不用土質(zhì)條件中的性能雖然有些差異,但整體表現(xiàn)良好。文章對載體樁在粉土層的應用進行研究,分析其在粉土層中特點,為載體樁在不同土層中適用情況提供支撐,同時也能為同地區(qū)載體樁的應用提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

該工程位于山西省太原市,結(jié)構(gòu)平面布局為長方形,長47m,寬16.8m。根據(jù)建筑功能和結(jié)構(gòu)特點,采用框架結(jié)構(gòu),共7層,建筑高度為36.5m。由于上部結(jié)構(gòu)荷載大,沉降變形要求嚴格,采用樁基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深 2.5 m。

場地位于高低起伏黃土山體,高差較大,場地已進行整平處理。場地及場地附近無全新活動斷裂和其它不良地質(zhì)作用,場地為相對穩(wěn)定場地。場地內(nèi)地下水位埋藏較深,不在勘察深度范圍內(nèi)。場地地基土自上而下依次為:素填土、濕陷性粉土、粉土、粉質(zhì)粘土;場地為非自重濕陷場地,地基濕陷等級為Ⅰ(輕微)級。各土層厚度、承載力、壓縮模量等物理力學參數(shù)見表 1。

表1 場地地層參數(shù)

2 載體樁設計

2.1 基礎(chǔ)設計方案選擇

該場地為高低起伏黃土山體,無全新活動斷裂通過,也不存在危及工程安全和場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用,屬于相對穩(wěn)定場地。針對工程地質(zhì)條件,對不同的基礎(chǔ)方案進行了初選。

圖1 載體樁樁身結(jié)構(gòu)圖

(1)淺基礎(chǔ)方案。以濕陷性黃土層作為持力層,該土層具有非自重濕陷性,需進行處理,且該層承載力不足,沉降變形不易控制。以粉土層作為持力層,基礎(chǔ)埋置較深或換填厚度較大,施工困難,綜合造價較高。

(2)樁基礎(chǔ)方案。無論預制樁還是灌注樁,樁徑相對較小,需要樁長較長,需要40多米,且灌注樁成孔需要采取可靠的護壁措施,綜合造價高。

經(jīng)對基礎(chǔ)方案綜合對比后,綜合現(xiàn)場試樁情況,考慮采用載體樁基礎(chǔ)方案。通過樁端載體對粉土持力層的擠密作用,有效提高載體樁的單樁承載力。同時,載體樁樁長總體可控制在14m左右,可有效降低施工難度和工程造價。該方案施工難度較低、施工可行性高,能有效保證工程的安全性,提高工程的經(jīng)濟性。

2.2 載體樁設計

工程樁基礎(chǔ)設計等級為乙級,設計樁徑500 mm,單樁承載力特征值 2000 kN,以粉土層作為樁端持力層。載體樁豎向承載力按式(1)、式(2)計算,具體計算結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可得出,單樁豎向承載力滿足設計要求。

Ra=fa·Ae

(1)

fa=fak+ηdγm(d-0.5)

(2)

表2 載體樁豎向承載力

根據(jù)《載體樁技術(shù)標準》(JGJ/T135-2018)規(guī)定[10],載體樁樁間距不宜小于3倍樁身直徑,當被加固土層為粉土、砂土或碎石土時,樁間距不宜小于1.6m。該工程樁中心距取1.8m,根據(jù)荷載大小不同,分別采用兩樁承臺、三樁承臺、四樁承臺和五樁承臺。施工時應按照規(guī)范要求,嚴格控制落距、填料用量和最后三擊貫入度。載體樁樁身設計圖見圖1。

2.3 樁身強度驗算

樁身強度影響著載體樁對豎向荷載的承載能力,根據(jù)《載體樁技術(shù)標準》(JGJ/T135-2018)規(guī)定,當樁頂以下5倍樁身直徑范圍內(nèi)的螺旋式箍筋間距大于100 mm[10]時,載體樁正截面受壓承載力可以按式(3)計算,參數(shù)含義和樁身強度計算見表3。由計算結(jié)果可得出,樁身強度滿足設計要求。

(3)

表3 樁身強度計算

2.4 沉降計算

根據(jù)載體樁技術(shù)標準進行沉降計算[10],計算公式見式(4)。式中計算參數(shù)含義及取值見表4。

(4)

表4 沉降計算參數(shù)及結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果,本工程基礎(chǔ)沉降差小于規(guī)范允許值(15.0 mm),基礎(chǔ)變形滿足規(guī)范要求。

3 載體樁檢測

3.1 低應變動力檢測

該工程采用低應變反射波法檢測樁身結(jié)構(gòu)的完整性,對樁身缺陷位置、混凝土強度等級進行判斷和評定。在樁頂安置加速度傳感器,通過在樁頂實施錘擊,激起樁頂質(zhì)點的振動,從而在混凝土樁身中傳播而形成應力波,利用應力波反射狀況判斷樁身完整性情況。該工程在試驗樁靜載試驗前、后進行了2次低應變動力檢測,全部為Ⅰ類合格樁。

3.2 單樁豎向抗壓靜載試驗

該工程載體樁單樁豎向抗壓靜載試驗采用自動載荷測試分析系統(tǒng)進行檢測,加載系統(tǒng)采用壓重平臺反力裝置,檢測樁數(shù)為隨機抽取3根。檢測加載采用慢速維持荷載法,最大加載值為4000 kN,分級荷載為最大加載值的1/10,其中第一級按分級荷載的2倍加載。單樁靜載試驗結(jié)果見表5。

表5 載體樁單樁靜載試驗結(jié)果

根據(jù)靜載試驗結(jié)果,繪制出SZ1樁的Q-s和s-lgQ曲線,見圖2。其他2根試驗樁的Q-s和s-lgQ曲線同SZ1相似。

由于載體樁靜載試驗以檢測單樁承載力是否滿足要求為目標,沒有進行破壞性壓力試驗。由圖3可看出,載體樁Q-s曲線呈緩變型,特征點不明顯,無明顯陡降段;s-lgQ曲線尾部未發(fā)生明顯向下彎曲。根據(jù)靜載實驗結(jié)果表明,載體樁的端承效應明顯,單樁承載力特征值可取為2000 kN。

3.3 建筑沉降觀測

為了掌握建筑物的沉降情況,保證建筑物安全使用。按照建筑地基規(guī)范的要求,在建筑物施工過程中和使用期間進行了沉降觀測。

根據(jù)沉降觀測結(jié)果表明,建筑在施工完成后,最大沉降量達到6.8mm,9個月沉降基本穩(wěn)定,最大沉降量為10.4mm。建筑物沉降量小于沉降計算值和單樁載荷試驗值,這是因為,一是在施工過程的碾壓、堆載等活動促進土的固結(jié);二是載體樁加固性能好、安全儲備較高。

4 結(jié) 論

(1)工程實踐表明,載體樁在粉土中有較好的工程適用性,以粉土層為持力層可以獲得較高的單樁承載力。采用載體樁基礎(chǔ),可以控制樁長,具有較好的經(jīng)濟性。

(2)載體樁在靜載試驗下的Q-s曲線呈緩變型、s-lgQ曲線無明顯向下彎曲,表明載體樁承載能力較好,其受力形式接近于端承樁,符合載體樁承載力計算模型。沉降觀測表明載體樁抵抗沉降變形能力良好,樁端加固效果好,加固范圍土體抗剪強度提高,滿足工程要求。

(3)載體樁單樁承載力計算時,以端承樁的模式進行計算,沒有考慮樁身側(cè)摩阻力。結(jié)合載荷試驗,載體樁承載力相對于計算值仍有較大的儲備。為充分發(fā)揮載體樁的承載能力,提高工程的經(jīng)濟性,施工前應先進行試樁,合理確定載體樁單樁承載力。