沉積巖地區(qū)不同樁徑樁長(zhǎng)的樁基承載力分析

吳仉華，李影，鄭永陽(yáng)

（撫州市城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西撫州 344099）

1 引言

單樁豎向極限承載力計(jì)算是高層建筑及橋梁樁基設(shè)計(jì)中主要的計(jì)算內(nèi)容之一。建筑行業(yè)[1-2]、公路行業(yè)[3]、鐵路行業(yè)[4]等各個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法有所區(qū)別，本文主要是根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

大量試驗(yàn)結(jié)果[5]表明，巖土強(qiáng)度、成樁工藝、幾何尺寸等因素都對(duì)單樁豎向極限承載力產(chǎn)生較大影響。通過(guò)單樁靜載試驗(yàn)可以科學(xué)地確定單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，但由于靜載試驗(yàn)數(shù)量較少并且在設(shè)計(jì)前不可能進(jìn)行完全與施工時(shí)相同條件的試驗(yàn)，因此，需要通過(guò)相關(guān)側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、端阻力標(biāo)準(zhǔn)值[6-9]、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值以及相關(guān)修正系數(shù)來(lái)計(jì)算。

基于以上分析，本文通過(guò)一個(gè)實(shí)際工程案例計(jì)算，旨在揭示不同樁徑和不同樁長(zhǎng)的單樁豎向極限承載力變化規(guī)律，為高層建筑的樁基設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

2 工程概況

本項(xiàng)目為某市公共衛(wèi)生中心建設(shè)項(xiàng)目，建筑用地約5.3 萬(wàn)m2，總建筑面積約為4.4 萬(wàn)m2，其中地上建筑面積約2.9 萬(wàn)m2，地下建筑面積約1.5 萬(wàn)m2，含1 棟11 層（其中地下1 層）的公共衛(wèi)生應(yīng)急指揮中心。

建設(shè)項(xiàng)目含有1 層整體地下室，地下室周長(zhǎng)為610.61 m，地下室頂板標(biāo)高為38.5 m，底板結(jié)構(gòu)面標(biāo)高為34.5 m，設(shè)計(jì)高度為4.0 m，上部結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)；場(chǎng)地室外整平標(biāo)高為40.3 m。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑分別采用φ800 mm和φ1 000mm 兩種規(guī)格，樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C35，施工采用泥漿護(hù)壁。

3 巖土結(jié)構(gòu)及特征

根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)由第四系全更新統(tǒng)沖積層（Q4al）及白堊系上統(tǒng)南雄組（K2n）組成。按巖土層的地層時(shí)代、成因類(lèi)型、巖性結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)特征等，自上而下可依次劃分為①粉質(zhì)黏土、②強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、③中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。各巖土層的成因類(lèi)型、巖性結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)特征、埋藏深度和風(fēng)化程度分述如下。

3.1 第四系全更新統(tǒng)沖積層（Q4al）

①粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑狀，主要由黏粉粒組成，刀切面較光滑，稍有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性中等。壓縮系數(shù)平均值0.30 MPa-1，壓縮模量平均值為6.37 MPa，屬中等壓縮性土。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測(cè)擊數(shù)N=7～10 擊，實(shí)測(cè)平均擊數(shù)為8.0擊。

3.2 白堊系上統(tǒng)南雄組（K2n）

泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色、青灰色，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，中、厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)性較好，偶見(jiàn)垂直裂隙，少數(shù)可見(jiàn)Fe、Mn質(zhì)浸染痕跡。巖石質(zhì)軟，遇水易軟化，暴曬易崩解。勘探深度內(nèi)，按巖石風(fēng)化程度及工程特性的差異可分為：②強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、③中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

②強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色、青灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，碎塊用手可掰斷，正常鉆進(jìn)速度較快，巖芯采取率較低，泡水易軟化，暴曬易崩解。重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)修正后擊數(shù)N63.5=10.30～16.60 擊，修正后平均擊數(shù)為13.3 擊。巖石堅(jiān)硬程度屬極軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V 級(jí)。

③中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色、青灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚-厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，裂隙面被Fe、Mn浸染，巖體較完整，巖面變化不大，巖芯呈柱狀，長(zhǎng)柱狀，局部呈短柱狀，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 約75～85。巖石天然單軸極限抗壓強(qiáng)度為3.7～10.9 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為5.4 MPa，巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度為3.1～7.8 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值4.7 MPa。巖石按堅(jiān)硬程度劃分屬極軟巖，巖石完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V 級(jí)。

3.3 各巖土層厚

①粉質(zhì)黏土標(biāo)高位于28.10～38.10 m，層厚10.0 m；②強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖標(biāo)高位于25.90～28.10 m，層厚2.2 m；③中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖標(biāo)高位于17.90～25.90 m，層厚8.0 m，未完全揭露。

4 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)場(chǎng)區(qū)內(nèi)各土層的巖土工程特征，并結(jié)合地區(qū)及類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，綜合確定場(chǎng)地巖土層相應(yīng)樁型的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值及極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值詳見(jiàn)表1。

表1 樁的極限側(cè)阻力、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值

5 單樁極限承載力計(jì)算

5.1 計(jì)算公式

工程實(shí)踐中，可根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于摩擦樁，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.5條給出以下計(jì)算式：

式中，Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u 為樁身周長(zhǎng)；qsik為樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁周第i 層土的厚度；Ap為樁端面積；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)該方法計(jì)算的單樁豎向極限承載力，包括側(cè)阻力和端阻力兩個(gè)部分，最關(guān)鍵的問(wèn)題是合理科學(xué)確定相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

大直徑樁（d≥800 mm）靜載試驗(yàn)表明，砂土中大直徑樁的極限端阻隨樁徑增大而減小，側(cè)阻力也隨樁徑增大而減小。因此，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》建議考慮大直徑樁端阻及側(cè)阻的尺寸效應(yīng)。

式中，ψsi、ψp分別為大直徑樁的側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)。

對(duì)于樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.9 條給出以下計(jì)算式：

式中，frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ζr為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，與嵌巖深徑比hr/d、巖石軟硬程度和成樁工藝有關(guān)。

5.2 計(jì)算結(jié)果

以樁頂標(biāo)高為33.70 m，分別計(jì)算φ800 mm 和φ1 000mm兩種樁徑的不同樁長(zhǎng)的單樁豎向極限承載力。結(jié)果如表2所示。

表2 單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

5.3 結(jié)果對(duì)比分析

樁徑及樁長(zhǎng)顯著影響樁基的單樁豎向極限承載力，圖1和圖2 分別給出了φ800 mm 及φ1 000mm 在不同樁長(zhǎng)情況下的單樁豎向極限承載力變化情況。

圖1 φ800 mm單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

圖2 φ1 000 mm單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

從圖1 和圖2 所示結(jié)果可知，不同樁徑的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)隨著樁長(zhǎng)增加均提高，變化曲線前半段主要是從摩擦樁變成了嵌巖樁，提高較為顯著，但進(jìn)入基巖后，提高速度明顯變緩，嵌巖段側(cè)阻力系數(shù)和端阻系數(shù)都會(huì)下降，導(dǎo)致端阻綜合系數(shù)增長(zhǎng)趨緩。

由于摩擦樁需要考慮大直徑尺寸效應(yīng)，因此，加大直徑（≥800 mm）對(duì)提高單樁豎向極限承載力的效應(yīng)會(huì)打折扣；而嵌巖樁不考慮大直徑尺寸效應(yīng)，增大樁基直徑會(huì)相應(yīng)提高單樁豎向極限承載力。

6 結(jié)論

本文開(kāi)展了不同樁基直徑和樁長(zhǎng)情況下的單樁豎向極限承載力計(jì)算分析，主要得到以下結(jié)論。

1）隨著樁長(zhǎng)的變化，樁基會(huì)出現(xiàn)摩擦樁和嵌巖樁兩種樁型，其受力特點(diǎn)不同，也導(dǎo)致計(jì)算方法和公式不一樣。

2）嵌巖樁單樁豎向極限承載力明顯高于摩擦樁，因此，基巖埋藏深度較淺時(shí)，應(yīng)盡量采用嵌巖樁。

3）摩擦樁需要考慮大直徑尺寸效應(yīng)，為提高單樁豎向極限承載力而增大樁基直徑效果會(huì)打折扣，采用增加樁長(zhǎng)效果更佳。

4）嵌巖樁進(jìn)入基巖后，加大嵌巖深徑比的單樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)增加逐漸變緩，因此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，不宜過(guò)分依賴(lài)增加嵌巖深度提高單樁豎向極限承載力。