基于不同持力層厚度的大直徑人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載性狀研究

李 輝，李高山，趙鵬飛，李桂賢

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，西部城市中眾多的高層、超高層建筑不斷涌現(xiàn)，地基所承受的荷載也越來越大，在這種情況下，人工挖孔擴(kuò)底灌注樁以其直徑大、單樁承載力高、能擴(kuò)底、造價(jià)低、施工質(zhì)量易保證、沉降小、施工速度快以及對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到設(shè)計(jì)和施工人員的重視，在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛［1-2］。對(duì)于人工挖孔擴(kuò)底灌注樁，由于端徑一般較大，很大程度上提高了基礎(chǔ)的豎向承載力，較好地發(fā)揮了樁端持力層的承載能力，因此它對(duì)樁端持力層的厚度要求也更加嚴(yán)格。實(shí)際工程中常常遇到持力層下含有軟弱夾層的情況，而持力層是否能夠提供足夠的樁端阻力，是設(shè)計(jì)需要考慮的重要問題。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，則可能造成兩種結(jié)果:一是較薄的持力層因沖剪產(chǎn)生破壞，二是因軟弱下臥層的塑性變形而導(dǎo)致樁基沉降較大［3-5］。本文基于黃土地層現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，對(duì)人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載性狀進(jìn)行研究，著重分析不同持力層厚度下樁側(cè)摩阻力、樁端阻力的發(fā)揮性狀及其分配情況，單樁極限承載力的取值和持力層厚度的合理確定，對(duì)類似樁基工程的設(shè)計(jì)和施工具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地上部主要為第四系(Q4)風(fēng)積土和沖洪積形成的黃土狀粉土，屬自重濕陷性場(chǎng)地，土層厚度分布不均，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，各土層主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

場(chǎng)地地下水類型為潛水，水位埋藏深度＞60 m，可不考慮地下水的影響。

試樁場(chǎng)地地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 試樁地質(zhì)剖面(單位:m)

2 試驗(yàn)概況

廠區(qū)③，⑤層均為卵石，強(qiáng)度高，變形小，均可作為持力層，但③層卵石局部夾有薄層的黃土狀粉土和細(xì)砂，其厚度(2.0～22.8 m)和頂面高程變化均較大，局部地段出現(xiàn)尖滅，平面分布不連續(xù)，⑤層卵石雖級(jí)配較好，平面分布穩(wěn)定，厚度大(一般 ＞20 m)，但埋深大，一般在30.8～47.5 m。若用此層作為樁端持力層，造價(jià)將大大提高。為了節(jié)約資源，降低造價(jià)，同時(shí)出于安全的考慮，以③層卵石為樁端持力層進(jìn)行載荷試驗(yàn)，以確定單樁豎向承載性狀、承載力大小和適宜的持力層厚度。

表1 土層分布及其主要物理指標(biāo)

為了觀測(cè)不同卵石持力層厚度下單樁在加載期間的豎向載荷性狀，找出滿足承載力要求的持力層厚度，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行3根試樁靜載試驗(yàn)，編號(hào)分別為 A1，A2，A3，樁端持力層厚度分別為2.3，3.0，3.8 m(樁端進(jìn)入卵石持力層均為1 m)，試樁和錨樁的技術(shù)要求和設(shè)計(jì)參數(shù)分別如表2和表3所示。

試驗(yàn)采用慢速加載法，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后再加下一級(jí)荷載，直到試樁破壞，然后分級(jí)卸載到零。卸載的每級(jí)為加載的2倍。終止加載條件和單樁豎向承載力依相關(guān)規(guī)范綜合確定［6-8］。試錨樁平面布置見圖2。

圖2 試驗(yàn)樁和錨樁平面布置(單位:mm)

表2 試樁設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 錨樁設(shè)計(jì)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

各試樁靜載荷試驗(yàn)樁頂荷載、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力與樁頂沉降關(guān)系(Q—s曲線、Qp—s曲線、Qs—s曲線)如圖3所示。根據(jù)圖3靜載荷試驗(yàn)Q—s曲線的不同形式，各試樁的單樁極限承載力取值如下:

1)試樁A1(持力層厚度為2.3 m)，當(dāng)荷載加至6 000 kN時(shí)，沉降開始增加較快，加至8 000 kN后很快沉降就超過40 mm，到穩(wěn)定時(shí)已達(dá)到71.45 mm，當(dāng)加至9 000 kN后沉降迅速增加，0.5 h左右已超過100 mm，單樁豎向極限承載力取7 000 kN。

2)試樁A2(持力層厚度約為3.0 m)，當(dāng)荷載加至8 000 kN時(shí)，沉降開始增加較快，加至9 000 kN后，很快沉降超過40 mm，到穩(wěn)定時(shí)已達(dá)到72.10 mm，當(dāng)加至10 000 kN后沉降迅速增加，1.5 h左右已超過100 mm，單樁豎向極限承載力取8 000 kN。

3)A3(持力層厚度為3.8 m)的Q—s曲線呈緩變型，當(dāng)荷載加至12 000 kN時(shí)，累計(jì)沉降未超過60 mm，考慮到設(shè)備負(fù)荷問題，遂終止繼續(xù)加載，取樁頂沉降量為32.77 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載11 000 kN為該樁的豎向極限承載力。

圖3 各試樁 Q—s曲線、Qp—s曲線及Qs—s曲線

該場(chǎng)地位于Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土地區(qū)，地基浸水后，樁周地基土的沉降速率大于或等于樁的沉降速率(即樁土此時(shí)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì))，此時(shí)不但正摩阻力完全消失而且還會(huì)在樁周表面產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，使樁的豎向荷載增大，而該負(fù)摩阻力將由樁側(cè)或樁端土承擔(dān)，若樁基承載力不足，將會(huì)造成重大事故。另外考慮到群樁承臺(tái)、樁、土相互作用特點(diǎn)，經(jīng)綜合分析各試樁豎向抗壓承載力特征值見表4。

表4 各試樁豎向抗壓承載力特征值

分析表4可知，當(dāng)持力層厚度與擴(kuò)底直徑之比(H/D)＜2時(shí)，單樁承載力特征值達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的4 000 kN，但其承載力特征值隨著H/D的比值增大而逐步增大，由內(nèi)插法得當(dāng)H/D=2時(shí)，單樁豎向承載力特征值已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的承載力，此時(shí)單樁豎向承載力已不再受持力層厚度的影響。試驗(yàn)表明，H/D比值的增加可以有效地提高單樁豎向承載力。

3.2 樁側(cè)摩阻力分析

分析圖3中三根試樁的 Qs—s曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著樁頂沉降量增加，人工挖孔擴(kuò)底樁的樁側(cè)摩阻力自上而下逐步發(fā)揮;當(dāng)樁頂沉降量在0～10 mm時(shí)，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出與樁頂沉降量明顯的同步增加趨勢(shì)，在10 mm左右樁側(cè)阻力達(dá)到最大值，此時(shí)樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的比例達(dá)到52.7% ～67.2%;在隨后的加載過程中，隨著樁頂荷載增大，沉降增加，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)，樁頂荷載逐漸由樁端土承擔(dān)。這主要是由于上部的黃土狀粉土層與樁身已出現(xiàn)相對(duì)位移，當(dāng)樁土相對(duì)位移超過某一值后就會(huì)引起樁側(cè)摩阻力的衰減［9］。由圖4可見，各試樁達(dá)到極限承載力時(shí)，其樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的比例分別為 A1 39.9%，A2 36.6%，A3 24.5%(各樁對(duì)應(yīng)的極限承載力分別為7 000，8 000，11 000 kN)。

圖4 樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載百分比隨荷載變化曲線

上述分析可知，濕陷性黃土地區(qū)含軟弱下臥層的人工挖孔擴(kuò)底樁，隨著樁端持力層厚度的增加，單樁達(dá)到極限承載力時(shí)，樁側(cè)摩阻力所占樁頂荷載的比例逐漸降低，但樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的比例仍達(dá)到24.5%～39.8%，表明樁側(cè)摩阻力對(duì)樁頂荷載分擔(dān)的比例不容忽視。因此，在進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，有必要考慮樁側(cè)摩阻力的作用，即可按摩擦端承樁計(jì)算承載力。

3.3 樁端阻力分析

由圖3中的 Qp—s曲線可知，當(dāng)樁頂沉降量 s＜30 mm時(shí)，樁端阻力隨沉降量的增加同步增長(zhǎng)，s為30 mm時(shí)，三根試樁 A1，A2，A3對(duì)應(yīng)的樁端阻力分別約為3 800，5 100，7 950 kN，但當(dāng) s＞30 mm 時(shí)，A1，A2 樁端阻力隨著樁頂沉降量的增加，其增幅顯著降低。其原因主要是:A1，A2樁的持力層較薄(A1持力層厚度2.3 m，A2持力層厚度3.0 m左右)，其厚度不能提供足夠的端阻力，很快將應(yīng)力擴(kuò)散傳至④層黃土狀粉土，形成不可恢復(fù)的較大樁體沉降，從而影響樁端阻力的發(fā)揮，而A3持力層厚度為3.8 m，持力層厚度比 A1，A2大，足以提供足夠的樁端阻力，故當(dāng)樁頂荷載達(dá)到11 000 kN時(shí)，樁頂沉降s僅達(dá)到32.77 mm，且樁端阻力增幅亦無減小趨勢(shì)。

對(duì)比圖3中三根試樁的 Q—s和 Qp—s曲線可發(fā)現(xiàn)，在加載過程中兩曲線走向始終趨于一致，拐點(diǎn)亦基本吻合在同一樁頂沉降量處，表明濕陷性黃土地區(qū)含軟弱下臥層的大直徑人工挖孔擴(kuò)底樁的豎向承載性狀主要以樁端阻力的發(fā)揮為主。

從圖5來看，各樁達(dá)到極限承載力時(shí)(A1，A2，A3分別為7 000，8 000，11 000 kN)，樁端阻力占樁頂荷載的比例分別為60.1%，63.4%，75.5%，即各樁樁端所提供的承載力分別為4 207，5 072，8 305 kN。

圖5 樁端阻力占樁頂荷載百分比隨荷載變化曲線

圖6中的曲線顯示，樁端極限承載力呈現(xiàn)出與樁端持力層厚度同步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且在H=3.0 m(H/D值接近1.7)時(shí)其增速顯著增加。

圖6 樁端極限承載力隨樁端持力層厚度變化曲線

分析圖5、圖6可知，增加持力層厚度可提供更大的樁端承載力，從而提高了單樁豎向極限承載力。

4 結(jié)論

1)當(dāng)持力層厚度與擴(kuò)底直徑之比(H/D)≥2時(shí)，濕陷性黃土地區(qū)大直徑擴(kuò)底樁豎向承載性狀不再受持力層厚度的影響，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮這一影響因素，同時(shí)得出臨界厚度HC=2D。

2)對(duì)于樁長(zhǎng)＞16 m，卵石持力層下含有軟弱下臥層的濕陷性黃土地區(qū)大直徑擴(kuò)底灌注樁，樁側(cè)摩阻力的作用不可忽視(占單樁極限承載力的比例達(dá)到24.5% ～39.8%)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮，從而節(jié)省材料，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3)對(duì)于黃土狀粉土，樁土相對(duì)位移量達(dá)到10 mm時(shí)，樁側(cè)摩阻力充分發(fā)揮達(dá)到極限，而且該值與樁端持力層厚度大小無關(guān)。

4)濕陷性黃土地區(qū)大直徑人工挖孔擴(kuò)底灌注樁豎向承載性狀主要與樁端阻力的發(fā)揮性狀有關(guān)，可以通過改善樁端持力層土性和厚度來提高豎向承載力，以滿足實(shí)際工程的需要。

［1］張忠苗.樁基工程［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］劉小文，沈細(xì)中，謝家畢.大直徑擴(kuò)底樁承載力偏低原因分析［J］.建筑技術(shù)，2004，35(4):293-295.

［3］侯超群，王曉謀，蘇慶國(guó).人工挖孔擴(kuò)底樁軸向靜載試驗(yàn)研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，29(12):1552-1555.

［4］楊國(guó)強(qiáng)，王立群，趙文，等.砂卵石地基挖孔樁單樁豎向承載力可靠性分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，29(6):1020-1023.

［5］蔡來炳，李永盛，施峰.花崗巖殘積土持力層人工挖孔樁承載力研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(1):33-37.

［6］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［7］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［8］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 106—2003 建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［9］蔣建平，高廣運(yùn).大直徑人工擴(kuò)底樁端阻力折減探討［J］.巖石力學(xué)，2006，27(12):2282-2287.