深厚粉砂持力層中預(yù)制樁基承載力參數(shù)的取值探討

王輝熠，朱帆

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院，南京211102）

1 單樁豎向極限承載力的確定

單樁豎向極限承載力一般應(yīng)由靜載荷試驗(yàn)確定，而在地基巖土的勘察階段往往需要通過(guò)樁周及樁端土層的特性及物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)樁側(cè)摩阻力及端阻力取值進(jìn)行預(yù)估。

根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]（簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）第5.3 節(jié)，預(yù)估單樁豎向承載力的常用方法有原位測(cè)試法及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法等，并可將2 種方法相結(jié)合進(jìn)行綜合判定。原位測(cè)試法一般通過(guò)對(duì)雙橋探頭靜力觸探獲得的第i層土的探頭平均側(cè)阻力和樁端平面上下的探頭阻力進(jìn)行修正，然后估算樁側(cè)阻及端阻力；采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法時(shí)，對(duì)于黏性土，通過(guò)液性指數(shù)，給出近似樁側(cè)及端阻力，對(duì)于粉土及砂性土通過(guò)其密實(shí)度給出近似樁側(cè)阻及端阻力。

在對(duì)各層土的承載力參數(shù)進(jìn)行估計(jì)時(shí)，對(duì)于一般長(zhǎng)度的混凝土預(yù)制樁，樁基持力層的側(cè)阻力及端阻力的估計(jì)尤為重要，因?yàn)槌至拥某休d力參數(shù)對(duì)樁基承載力影響較大，且這些參數(shù)的預(yù)估值有時(shí)會(huì)與樁基試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差[2]。

2 某燃煤電廠工程的樁基持力層特性及預(yù)估參數(shù)

某燃煤供熱電廠位于江蘇省南京市，新建2×50MW 抽背式汽輪發(fā)電機(jī)和480t/h 超高溫高壓鍋爐，根據(jù)巖土工程勘測(cè)報(bào)告，廠區(qū)地基巖土自上而下主要為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉砂、粉細(xì)砂等，典型的地質(zhì)剖面如圖1 所示。

圖1 南京某電廠地質(zhì)剖面圖

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，地基處理擬采用PHC600 管樁，層⑦～層⑩土層特性為：

層⑦為粉砂層，飽和，中密～密實(shí)，頂面平均埋深約25m，層厚平均值約6.6m，壓縮性中偏低，承載力較高；

層⑧為粉砂層，飽和，中密，層厚平均值為2.3m，壓縮性中偏低，承載力中等；

層⑨為粉細(xì)砂，飽和，中密～密實(shí)，層厚平均值為4.3m，壓縮性中偏低，承載力中偏高；

層⑩為粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土，飽和，中密～密實(shí)，層厚平均值為4.3m，壓縮性中等，承載力中偏高。

層⑦與層⑨層厚較大，性狀較好，可考慮作為主要建構(gòu)筑物的樁基持力層。為便于同試樁結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，按照樁進(jìn)入層⑦深度為3.9m，結(jié)合《規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)層⑦的承載力參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)原位測(cè)試結(jié)果，由層⑦標(biāo)貫擊數(shù)N為35，根據(jù)表格查得端阻力約為3000～4500kPa，側(cè)阻力約為66～88kPa；由雙橋靜力觸探錐頭阻力qc=13.78MPa，側(cè)壁摩阻力fs=0.15MPa，對(duì)探頭阻力進(jìn)行修正，飽和砂土樁端阻力修正系數(shù)α 取0.5，端阻力約為6800kPa；側(cè)阻力修正系數(shù) βi=5.05（fs）i-0.45，約為0.53，側(cè)阻力約為79kPa。

按照樁進(jìn)入層⑨深度為1.4m，由層⑨標(biāo)貫擊數(shù)N為35，根據(jù)表格查得端阻力約為3000～4500kPa，側(cè)阻力約為66～88kPa；由樁端平面以上雙橋靜力觸探錐頭阻力加權(quán)平均值與樁端平面以下值進(jìn)行平均得qc=12.47MPa，側(cè)壁摩阻力fs=0.091MPa，對(duì)探頭阻力進(jìn)行修正，飽和砂土樁端阻力修正系數(shù)α 取0.5，端阻力約為6200kPa；側(cè)阻力修正系數(shù) βi=5.05（fs）i-0.45，約為0.66，側(cè)阻力約為60kPa。

3 樁基試驗(yàn)結(jié)果

本工程兩組試樁（每組3 根）采用兩種樁型，即PHC-600（110）AB-C80-28（試樁1）、PHC-600（130）AB-C80-34（試樁2），分別以層⑦及層⑨為持力層，進(jìn)入持力層的深度為3.9m、1.4m。盡管試樁2 的樁長(zhǎng)比試樁1 的長(zhǎng)了6m，但靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，試樁1 的豎向抗壓極限承載力為4400kN，不僅超過(guò)了預(yù)估的樁基承載力3400kN 約30%，而且大于試樁2 的極限承載力4100kN，試樁2 的極限承載力與預(yù)估值基本一致。

通過(guò)高應(yīng)變復(fù)打的動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)可知，以層⑦及層⑨為持力層時(shí)，端阻力分別占總承載力的35%和22%，樁基仍屬于端承摩擦樁。推算出樁基持力層層⑦的側(cè)阻力約為92kPa，端阻力約為5300kPa；持力層層⑨的側(cè)阻力約為55kPa，端阻力約為3300kPa?？紤]到樁基為混凝土空心樁，將端阻力按《規(guī)范》5.3.8 折算，得出層⑦端阻力約為5800kPa，層⑨端阻力約為4100kPa。

4 預(yù)估參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

樁基持力層的預(yù)估承載力參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表1所示。

從表1 可以看出：

1）樁基進(jìn)入層⑦深度較大，略大于6 倍樁徑，進(jìn)入層⑨深度較小，約2 倍樁徑；

表1 持力層預(yù)估承載力參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2）高應(yīng)變動(dòng)測(cè)得出層⑦及層⑨的端阻力均大于經(jīng)驗(yàn)值的上限，但均低于原位測(cè)試法估算出的端阻力，其中，層⑦端阻力比原位測(cè)試法低15%，層⑨端阻力比原位測(cè)試法低34%，表明進(jìn)入持力層深度越大，端阻力越大；

3）高應(yīng)變動(dòng)測(cè)得出層⑦的側(cè)阻力大于經(jīng)驗(yàn)法的上限值及原位測(cè)試法估算值，比原位測(cè)試法大了約16%，層⑨的側(cè)阻力小于經(jīng)驗(yàn)法的下限值及原位測(cè)試法估算值，比原位測(cè)試法低了約8%，表明層⑦的側(cè)阻力隨著端阻力的發(fā)揮有了較大提高；

4）而以層⑨為持力層時(shí)端阻沒(méi)有充分發(fā)揮，其側(cè)阻力也基本上沒(méi)有增強(qiáng)[3]。

需要注意的是，高應(yīng)變動(dòng)測(cè)顯示當(dāng)樁基以層⑨為持力層穿過(guò)層⑦以后，層⑦的側(cè)阻力恢復(fù)為約78kPa，基本上就是原位測(cè)試的估算值。這也從另外一個(gè)角度證明了側(cè)阻力是隨著端阻的發(fā)揮而增大的。

5 樁側(cè)阻力增強(qiáng)效應(yīng)的機(jī)理及影響因素分析

已有學(xué)者對(duì)樁側(cè)阻力隨樁端土強(qiáng)度增加表現(xiàn)出的增強(qiáng)效應(yīng)做了一些理論和試驗(yàn)研究，主要從樁端土的擠密成拱理論、樁端側(cè)土體隨圍壓增大抗剪強(qiáng)度提高引起側(cè)摩阻力增加等方面做了較為合理的解釋，可以確定樁側(cè)阻力與樁端阻力之間存在相互作用，且樁側(cè)阻力在樁端附近的局部增強(qiáng)效應(yīng)是普遍存在的。在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者更為關(guān)心在何種情況下可以考慮這種增強(qiáng)效應(yīng)的存在。

從上述案例可以看出，在深厚密實(shí)的粉砂持力層中該現(xiàn)象非常明顯，粉砂層的標(biāo)貫擊數(shù)一般不小于30 擊，靜力觸探錐頭阻力在10MPa 以上。另外，樁基需進(jìn)入持力層較大的深度，一般不小于6d（d為樁徑）；且樁端以下尚有一定厚度性狀較好的土層。本例中持力層樁端距離層⑦底面尚有2.5m，約4d，在滿足樁端平面以下有一定厚度持力層或性狀較好的下臥層的前提下，進(jìn)入持力層深度越大，越有利于端阻及樁側(cè)阻力的發(fā)揮[4]。

6 樁側(cè)阻力增強(qiáng)效應(yīng)在某熱電工程中的應(yīng)用

某熱電廠位于江蘇省常熟市，擬建1×B32MW 背壓機(jī)+1×CB15MW 抽背機(jī)、3 臺(tái)180t/h 高溫超高壓鍋爐，根據(jù)巖土工程勘測(cè)報(bào)告，廠區(qū)40m 深度范圍內(nèi)的地基土主要由填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂組成，其地質(zhì)剖面圖2 所示。

層②5 為粉砂層，飽和，中密～密實(shí)，頂面平均埋深約11.6m，層厚平均值約9.8m，為低壓縮性、高強(qiáng)度土，工程性質(zhì)很好；

層②6 為粉質(zhì)黏土，可塑～硬塑，層厚平均值約7m，中等壓縮性，中等強(qiáng)度，工程性質(zhì)一般；

層②7 為粉土夾粉砂，中密～密實(shí)，層厚平均值約4.5m，低壓縮性，高強(qiáng)度，工程性質(zhì)較好；

層②8 為粉質(zhì)黏土夾粉土，軟塑～可塑，層厚平均值約2.3m，中等壓縮性，中等強(qiáng)度，工程性質(zhì)一般。

根據(jù)原位測(cè)試結(jié)果，由層②5 標(biāo)貫擊數(shù)N為28 擊，根據(jù)表格查得端阻力約為3000～4500kPa，側(cè)阻力約為48～66kPa；由雙橋靜力觸探錐頭阻力qc=11.492MPa，fs=0.101MPa，預(yù)估端阻力約5800 kPa，側(cè)阻力約64kPa。

圖2 常熟某電廠地質(zhì)剖面圖

7 樁基試驗(yàn)結(jié)果

本工程的2 組試樁（每組3 根）采用2 種樁型，即PHC 500 AB 110（試樁A）、PHC 600 AB 110（試樁B），均以層②5為持力層，持力層厚度約11.2m，樁端進(jìn)入持力層的深度為6.5m。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明：試樁A 的極限承載力約為3860kN，超出預(yù)估承載力約66%；試樁B 的極限承載力約4260kN，超出預(yù)估承載力約44%，單樁豎向承載力均有較大幅度的提高。

綜合2 組試樁高應(yīng)變動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)給出持力層層②5 的側(cè)阻力約為120kPa，端阻力約為6200kPa；考慮到樁基為混凝土空心樁，將端阻力按《規(guī)范》5.3.8 折算，得出層②5 端阻力約為6600kPa。可以看出在樁基進(jìn)入深厚粉砂持力層深度較大時(shí)，端阻得到了充分發(fā)揮，超出原位測(cè)試值約13%，側(cè)阻力更是達(dá)到了預(yù)估值的2 倍，側(cè)阻力增強(qiáng)效應(yīng)非常顯著。

通過(guò)高應(yīng)變復(fù)打的動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)表明：試樁A 的端阻力約為1289kN，試樁B 的端阻力約為1791kN，基本上與樁端面積成正比；試樁A 的側(cè)阻力約為3004kN，試樁B 的側(cè)阻力約為2955kN，其承載力反而略小于試樁A，由于試樁B 的樁側(cè)表面積約為試樁A 的1.2 倍，這也說(shuō)明了試樁A 側(cè)摩阻力比試樁B 增大的更多，由于2 組試樁進(jìn)入持力層深度一樣，因此，側(cè)阻力的增強(qiáng)效應(yīng)隨樁基進(jìn)入持力層深度與樁徑之比的增大而增大。

8 樁側(cè)阻強(qiáng)化效應(yīng)的應(yīng)用效果

由于深厚砂土層作為樁基持力層時(shí)的良好性能使樁端土層的側(cè)阻力得到一定的強(qiáng)化，也有文獻(xiàn)指出樁端以上10～15d（d為樁徑）深度區(qū)域的土層側(cè)阻力均會(huì)有不同程度的增加。樁基豎向承載力極限值得到顯著提高。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)理論分析，本文中的2 個(gè)工程均采取了較為優(yōu)化的措施：

江蘇省南京市的燃煤供熱電廠主要建構(gòu)筑物采用了層⑦為持力層得樁基方案，每根樁基樁長(zhǎng)比原設(shè)想方案縮短6m，一般建構(gòu)筑物的樁基數(shù)量也由于承載力的提高而相應(yīng)減少；

江蘇省常熟市的熱電項(xiàng)目主要建構(gòu)筑物樁基直徑由原來(lái)的600mm 優(yōu)化為500mm，且一般建構(gòu)筑物的樁基長(zhǎng)度也有所減小。2 個(gè)電廠工程地基處理費(fèi)用均得到大幅節(jié)省。

9 結(jié)論與建議

綜上所述，得到以下結(jié)論和建議：

1）樁基規(guī)范給出的估算單樁極限承載力的方法如經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法、原位測(cè)試法等，可以根據(jù)土層的物理力學(xué)特性對(duì)樁基承載力參數(shù)進(jìn)行初步的估計(jì)，但是對(duì)實(shí)際施工中某些土層參數(shù)的變化情況并未充分考慮，如深厚粉砂層中樁側(cè)阻力與樁端阻力的相互作用，特別是樁側(cè)阻在樁端處的增強(qiáng)效應(yīng)。

2）深厚粉砂層應(yīng)有一定的密實(shí)度，標(biāo)貫擊數(shù)一般不小于30 擊。樁基進(jìn)入持力層一定深度且保證一定厚度的下臥層是端阻充分發(fā)揮和側(cè)阻力增強(qiáng)的必要條件。對(duì)于PHC 管樁，一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)入持力層深度不應(yīng)小于6d，下臥層不應(yīng)小于4d。在滿足上述條件時(shí)，樁端進(jìn)入持力層的長(zhǎng)徑比越大，端阻發(fā)揮越充分，側(cè)阻增強(qiáng)效應(yīng)也越強(qiáng)。

3）深厚粉砂層中樁端阻的取值一般遠(yuǎn)大于規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值，與原位測(cè)試值較為接近；隨著樁基進(jìn)入持力層深度的加大，端阻值越接近或超過(guò)原位測(cè)試值時(shí)，側(cè)阻值會(huì)有明顯增加，一般會(huì)超出經(jīng)驗(yàn)值的上限和原位測(cè)試值，甚至達(dá)到原位測(cè)試值的2 倍。

4）深厚粉砂層中樁基承載力參數(shù)變化引起的單樁豎向極限承載力提高較為顯著，對(duì)于一般長(zhǎng)度的預(yù)制樁基比預(yù)估值的提高幅度在30%～60%，應(yīng)予以充分重視并利用。建議認(rèn)真分析土層特性及物理力學(xué)參數(shù)，合理選擇樁基持力層并進(jìn)行承載力預(yù)判，進(jìn)一步根據(jù)試樁結(jié)果優(yōu)化地基處理方案。