某工程靜壓沉管灌注樁極限承載力分析研究

陳國春

(中元(廈門)工程設計研究院有限公司 福建廈門 361000)

某工程靜壓沉管灌注樁極限承載力分析研究

陳國春

(中元(廈門)工程設計研究院有限公司 福建廈門 361000)

通過分析泉州某靜壓沉管灌注樁工程試打樁及所有工程樁的靜載試驗結果，并采用MathCAD軟件擬合其承載力曲線，探討了沿海地區支于強風化巖的靜壓沉管灌注樁的施工終止壓樁力與極限承載力的關系，分析了理論計算與靜載預測極限承載力值之間存在差異的原因，提出了靜壓沉管灌注樁施工終止壓樁的控制方法和極限承載力的取值建議。

靜壓沉管灌注樁;終止壓樁力;極限承載力

0 引言

預應力高強混凝土管樁從20世紀90年代末發展到今天，該樁型如雨后春筍遍及全國，與之匹配的靜壓樁機設備也越來越先進，其壓樁力越做越大，步履式壓樁機的最大壓樁力已超過10 000kN。因靜壓預制高強管樁施工噪音小，承載力有保證，性價比極高，因而成了開發商和設計師的首選。與此同時，因高強管樁的出現，20世紀曾經大量推廣應用的振動或錘擊沉管灌注樁和沉管夯擴樁，也因其存在樁身質量缺陷、施工噪音和施工終控難以把握等一系列問題，逐漸退出了歷史的舞臺。然而，任何一種樁型都有其適用性，不能一樁包打天下，當場地存在孤石，持力層深度變化較大時，采用靜壓預應力高強混凝土管樁時，會出現斷樁、斜樁和接樁、截樁缺少規律性等問題，造成大量廢樁，施工監理難度大，工程質量難以保證。為解決這一問題，現場澆灌的靜壓沉管加振動拔管的沉管灌注樁應運而生。該樁型解決了樁身質量、施工噪音和穿越堅硬夾層等問題，使沉管灌注樁起死回生。雖然同樣是靜壓樁，但前者是預制好的混凝土樁，而后者是通過靜壓沉入鋼管并灌注混凝土，然后再通過振動拔出鋼管形成鋼筋混凝土灌注樁。因兩者的施工工藝不相同，所以靜壓沉管灌注樁的極限承載力與終止壓樁力的關系不能套用靜壓預制樁的施工經驗［1－3］。

本文以泉州某工程為例對靜壓沉管灌注樁的極限承載力進行分析研究，供同行參考。

1 工程與地質概況

該工程位于泉州城東片區內，西至安吉路，北至海韻路，南至毓才路，東至興學路，總用地面積約為11．29hm2。主要建設5～6層的教學樓、藝術樓、圖書館、體育館和12～16層的高層行政綜合樓、食堂宿舍樓等，總建筑面積139 832m2。結構形式框架和框架剪力墻結構，柱軸力多層在3 000kN～4 500kN，高層在11 000kN～15 000kN。場地地質與主要土層的物理力學性能指標，如表1所示。

表1 場地主要土層及設計參數

2 樁基選型及樁的試驗

根據工程勘察報告，該場地雜填土為欠固結土且存在較多的碎塊石、混凝土塊等硬雜質，該層層厚變化較大。此外，水質分析報告試驗結果表明，該場地地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在干濕交替情況下具有中等腐蝕性，地下水對鋼結構具有中等腐蝕性，因此不適合選用預制樁。沖(鉆)孔灌注樁雖然具有很強的穿透能力但樁身質量較難控制，施工工期長、造價高。綜合場地的實際情況結合當地工程經驗，最終選擇靜壓沉管振動拔管的灌注樁。根據軸力大小分別選擇700mm及800mm的樁徑，以碎屑或碎塊狀強風化巖作為持力層。

為了確定樁的豎向承載力和施工的終止壓樁力，設計施工前根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007－2011)規定，結合場地鉆孔揭示情況，選取6個有代表性的鉆孔附近進行試樁施工，根據建筑物的荷載情況，結合勘察報告提供的巖土力學性能指標，初步確定700mm及800mm的兩種樁徑的承載力特征值分別為2 700kN和3 400kN。試樁后選取較為不利的試樁2(直徑700mm)和試樁5(直徑800mm)進行靜載試驗，主要施工參數及靜載試驗結果如表2和圖1所示。

試驗樁靜載試驗結果表明，兩種直徑樁的單樁豎向極限承載力均大于設計預取特征值的2倍，滿足工程設計要求。

表2 試壓樁主要施工參數及靜載試驗結果

圖1 試驗樁靜載試驗曲線

3 施工終止壓樁力的確定

根據試驗樁現場施工情況，現場按勘察報告以及《建筑樁基技術規范》提供的土層物理力學性能指標計算得出的持力層及進入深度(詳見表2的理論計算入持力層及其深度)來控制施工無法實現，即使再提高壓樁力其樁長增長很有限，但采用施工終止壓樁力為極限承載力的1．1～1．2倍控制可行。

考慮到本場地雜填土及其下淤泥為欠固結土，樁端持力層強風化巖巖面起伏較大等不利因素，出于穩妥起見，同時考慮到便于施工與現場監理，該工程對于兩種直徑樁的施工終止壓樁力分別取其設計極限承載力的1．2倍(6 480kN)和1．1倍(7 480kN)，小直徑樁取大值，并要求至少按終止壓樁力反復復壓三次以上、且累計壓沉量應小于10mm為條件控制施工。

4 基樁施工與檢測

該工程總樁數達1 000多根，樁基施工結束后按國家有關規范要求進行了靜載試驗檢測和樁身完整性低應變動測等，樁身完整性Ⅰ類樁占總樁數的91%，其余均為Ⅱ類樁，說明該樁型的施工質量是比較可靠的，所有靜載試驗檢測的樁均為符合樁身質量完整性的樁，所測的基樁承載力與樁身完整性無關，這些樁的試驗數據都可以作為統計分析的依據。所有靜載試驗樁的主要施工參數及檢測結果如表3和圖2～圖3所示。

工程于2014年6月竣工驗收，沉降監測結果為最大沉降17 mm，最小沉降11mm，表明樁基工程質量可靠，滿足要求。

表3 試驗與檢測樁主要施工參數及試驗結果

圖2 Ф700樁靜載試驗曲線

圖3 Ф800樁靜載試驗曲線

5 施工終止壓樁力與極限承載力分析

5．1 極限承載力預測

因最大試驗荷載下樁頂位移還未達到規范極限承載力的取值限定，為了進一步了解試驗樁的極限承載力，根據兩試驗樁的靜載試驗曲線形狀和以往類似樁型的試驗曲線規律，采用雙曲線或指數曲線對其進行擬合，從而推算樁頂沉降為40mm時的極限荷載值。本文應用MathCAD軟件，分別采用指數函數和雙曲線函數，對兩樁的靜載數據進行了擬合分析。由于兩種函數曲線的擬合結果非常接近，故以下僅以雙曲線函數擬合結果來進行分析論述。雙曲函數擬合結果如圖4～圖5所示。兩樁擬合的相關系數分別為0．997和0．995，相關性非常好，可以作為極限承載力推算的曲線。據此樁頂沉降為40mm時的推算加載值分別可達6 186kN和7 389kN。

為深入分析靜壓沉管灌注樁壓樁力與樁的極限承載力之間的關系，通過對其余9根靜載試驗檢測樁也進行了雙曲線函數的擬合，并推算出樁頂沉降達40mm時的極限承載力，擬合效果均非常理想。各樁擬合的協方差系數均在0．99左右，證明該場地的Q－s曲線基本上都為雙曲線特征，因此預測結果應該是比較準確可靠的，結果如表4所示。

圖4 710號樁雙曲函數線擬合曲線圖

圖5 917號樁雙函數擬合曲線圖

表4 樁頂沉降40mm時的雙曲函數擬合預測極限承載力

5．2 施工終止壓樁力控制

該工程壓樁施工以及以往大量的以強風化巖為持力層的預應力靜壓高強管樁施工，均出現理論計算樁長遠遠大于實際施工樁長的事實，如果按計算樁長控制終止施工，則終止壓樁力均遠遠高于極限承載力，甚至將樁壓壞也不能滿足設計樁長的要求。相反，對于以黏性土為主要側阻和端阻的靜壓預制樁則可能相反，即出現施工壓樁力始終都小于極限承載力的現象，對這樣的地質施工終止壓樁力就沒有必要大于極限承載力。鑒此，有必要對靜壓沉管灌注樁的終止壓樁力進行進一步的分析。

表5為極限承載力預測值與終壓力及計算承載力的關系，表中理論計算樁長均大于實際施工樁長，壓樁記錄也證明了該工程中所有的工程樁實際施工樁長和要求進入持力層的深度均小于計算所要求的數值，也就是說，如果根據實際樁長按勘察報告提供的土層物理力學性能指標計算樁的理論極限承載力的話，那么其計算值不能滿足設計要求，也遠遠小于根據靜載試驗所推測的極限承載力。主要原因是提供的設計指標偏小造成，而最為突出的問題是強風化巖的端阻力指標太小，因為風化巖的風化程度隨深度變化，由全風化逐漸過渡到強風化到中風化再到微風化，同一個強風化層其標貫值也是隨深度漸變。

大量的靜壓預制樁或錘擊預制樁施工時均發現，施工樁長基本上都不可能進入按設計圖紙要求的持力層深度，因為樁端進入強風化巖一定深度后，要想靠靜力荷載將樁壓入幾米甚至十幾米強風化巖基本上是不可能的，即便增加壓樁力其效果也很有限;如果是錘擊樁只會增加成倍的錘擊數，嚴重時會導致樁身爆裂，影響樁身質量。對于這種現象勘察單位常常難以自圓其說。目前，設計單位靜壓預制樁施工的停壓標準，一般采用設計樁長和終壓力值控制兩者兼顧的方法，對純摩擦樁，停壓按設計樁長控制;對端承摩擦樁或摩擦端承樁，按終壓力值控制;地質情況較為復雜時，則一般采用雙重控制。

靜壓沉管灌注樁與靜壓預制樁同樣采用靜壓沉樁工藝，其終止壓樁的標準可以套用靜壓預制樁的控制標準，但由于靜壓沉管灌注樁需要現場灌注混凝土和拔出鋼管，因此其終止壓樁力與承載力的關系不能與預制樁相同。

5．3 終止壓樁力與極限承載力分析

通過施工前的試打樁和施工后的基樁檢測成果分析如表5及圖6～圖7所示。圖中可見該工程中靜壓沉管樁的終止壓樁力與雙曲線預測的極限承載力非常接近，尤其是Ф800樁更為接近。對于持力層為強風化巖的靜壓沉管灌注樁，可通過反復復壓的終止壓樁力作為設計參考的極限承載力［4］，其施工終止壓樁的控制標準可套用靜壓沉管預制樁的方法。由于靜壓沉管灌注樁與靜壓預制樁雖然同樣采用靜壓沉樁工藝，但前者鋼管沉入后還要等待下鋼筋籠和澆灌混凝土，同時還要拔出鋼管，這種工藝決定了靜壓沉管灌注樁的恢復力［3－5］，即極限承載力與終止壓樁力的比值要比靜壓預制樁小，但由于在下鋼筋籠和灌注混凝土的過程中始終有鋼管保護成孔，因此其承載力要高于泥漿護壁的灌注樁，圖6與圖7所示中的預測極限承載力與終止壓力的比值曲線呈水平狀，其值接近1．0，證明了這一點。

表5 極限承載力預測值與終壓力及計算承載力的關系

圖6 Ф700樁預測承載力與計算承載力及壓樁終壓力的比值

圖7 Ф800樁預測承載力與計算承載力及壓樁終壓力的比值

從表5中不難發現本場地極限承載力與樁長及樁徑比之間并無規律可循。但圖6與圖7中預測極限承載力與按沉管樁或預制樁指標計算的理論承載力之比，倒是有一定的規律性，即隨樁長的增加預測值與理論計算值之間的比值逐漸減小，因為該樁型為端承摩擦樁。這一現象，也就可以說明強風化巖端阻力的指標取值是偏小的，所以當樁側阻力所占比例越小的時候預測值與理論值相差越大。此外，隨著樁長的增加，樁側阻力所占比例也不斷增大，此時極限承載力的理論值、預測值和施工終止壓樁力越來越接近，并存在預測值小于終止壓樁力的現象，這種現象應當引起同行的重視。

6 結語

(1)靜壓沉管灌注樁，其壓樁過程與靜壓預制樁基本相同，因此其施工終止壓樁控制標準可套用靜壓預制樁的施工經驗，但由于兩者施工工藝存在差異，因此其極限承載力與終止壓樁力的關系不能套用。

(2)靜壓樁樁長的設計長度目前主要是根據土性指標計算獲得的，其設計中的巖土參數都是采用間接方法得到，因此對于靜壓樁承載力的取值，建議根據樁的施工終止壓力，配合具體施工工藝和土層時效恢復力等的綜合分析來確定更為可靠。

(3)對于沿海支于強風化巖以上以端承為主的沉管灌注樁，其通過反復復壓后的施工終止壓樁力與樁的極限承載力非常接近，該值可作為極限承載力取值的設計參考值。

(4)該場地靜壓沉管灌注樁的恢復力基本上沒有體現，設計時應按大于2倍樁的設計特征值作為終止壓樁的條件較為穩妥。

［1］ 楊根喜，濮志鋒．小型靜壓樁壓樁力系數取值方法的探討［J］．工程勘察，2002(5):38－39．

［2］ 張明義，鄧安福．預制樁靜力貫入層狀地基的試驗研究［J］．巖土工程學報，2000，22(4):490－492．

［3］ 劉俊龍．靜力法沉樁的壓樁力與樁的極限承載力［J］．工業建筑，2005，35(2):63－68．

［4］ 張孝松．福州地區靜壓沉管灌注樁最終壓樁力的分析［J］．福建建設科技，2007(2):12－15．

［5］ 胡中雄．飽和軟黏土中單樁承載力隨時間的增長［J］．巖土工程學報，1985，7(3):58－61．

The analysis of ultimate bearing capacity for one of Quanzhou’s static pressure cast－in－situ pile project

CHEN Guochun
(IPPR(Xiamen)Engineering Design＆Research Institute Co．，Ltd，Xiamen 361004)

By analyzing the results from piling in one of Quanzhou’s static pressure cast－in－situ pile project and static load test of all other engineering piles，and using MathCAD software to fit their bearing capacity curves．The relationship between the final jacking force and ultimate bearing capacity of the construction of static pressure cast－in situ pile with intense weathered rock in the coastal areas is discussed．By analyzing the reason for the difference between the theory－calculated ultimate bearing capacity and the predictive data of static load，this paper put forward the controlling methods to terminate the static pressure cast－in－situ pile construction’s final jack and propositional value of the ultimate bearing capacity．

Static pressure cast－in－situ pile;Final jacking force;Ultimate bearing capacity

TU398

A

1004－6135(2017)02－0050－05

陳國春(1966．10－ )，男，高級工程師。

E-mail:13799278565@139．com

2016－12－23