基于Winkler的土體和樁身豎向剛度取值實用方法

朱建輝

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

0 引言

樁基作為城市房屋建設中主要的基礎型式之一，其設計需要以巖土工程勘察報告為主要依據。而巖土工程勘察報告是以現場各個勘探孔的數據為依托編制，當現場地質條件復雜，如局部存在孤石，地層整合不規則，加上地層起伏較大時，巖土工程勘察報告的地層分界線就不能完全反應工程場地實際的地質情況。若設計人員未做針對性的設計，則現場施工時，易造成樁長不足或樁端未達到持力層的情況，從而在工程樁按國家規范要求進行豎向抗壓承載力檢測時[1]，出現不滿足基樁豎向抗壓承載力要求的情況。此時，應根據工程的具體情況對基礎進行重新設計和補樁。若采用Winkler模型進行補樁計算，則將提高已施工基樁的利用率。本文以某工程實例，詳細介紹其實用方法。

1 工程概況

某工程位于泉州市石獅市，基礎采用沖(鉆)孔灌注樁，設計確定的樁端持力層均為中風化花崗巖，該工程的基樁平面布置如圖1所示。該工程共111根工程樁，根據國家相關規范的要求[1]，基樁施工完畢后，應采用單樁豎向抗壓靜載試驗進行驗收檢測，數量為不少于1%總樁數且不少于3根。故抽選30#、46#、73#基樁進行豎向抗壓靜載試驗。各基樁的荷載-沉降(Q-s)曲線如圖2～圖4所示。豎向抗壓靜載試驗結果顯示，30#、73#基樁的豎向抗壓承載力滿足設計要求，46#樁尚未達到設計要求的單樁豎向抗壓靜載試驗數值其樁頂總沉降量已超過40mm[2]，故該基樁豎向抗壓承載力不滿足設計要求。

圖1 樁位平面布置圖

圖2 30#基樁Q-s曲線圖

圖3 46#基樁Q-s曲線圖

圖4 73#基樁Q-s曲線圖

因檢測結果出現單樁豎向抗壓承載力不滿足設計要求的情況，故擴大檢測范圍，再抽檢2根基樁，樁號為24#和58#。各基樁的荷載-沉降(Q-s)曲線如圖5～圖6所示。擴大檢測范圍的豎向抗壓靜載試驗結果顯示，24#樁和58#樁尚未達到設計要求的單樁豎向抗壓靜載試驗數值，其樁頂總沉降量已超過40mm，故基樁豎向抗壓承載力不滿足設計要求。

圖5 24#基樁Q-s曲線圖

圖6 58#基樁Q-s曲線圖

基于上述結果，遂對現場進行補勘，在每個承臺處均進行鉆探，典型的地質鉆孔柱狀圖如圖7所示，同時選取9根樁進行鉆芯取樣來確定樁身完整性及樁端持力層情況。根據每個承臺處的補勘鉆孔資料和基樁施工記錄確定的樁長，結合鉆芯取樣結果，計算并復核111根已施工的基樁的樁端持力層及基樁豎向抗壓承載力，統計結果如表1所示。從表1可知，由于現場地質條件復雜，存在中風化花崗巖夾層， 且樁基施工存在較大誤差，大部分基樁的樁端持力層均未進入中風化花崗巖，基樁豎向抗壓承載力不滿足設計要求。

場地地基巖土體設計參數具體如表2所示。綜合場地工程地質、水文地質及周邊環境等因素，該工程的基礎工程具有以下特點。

表1 基樁樁端持力層及豎向抗壓承載力復核結果統計

表2 地基巖土體設計參數

(1)地質條件復雜，各土層厚度變化較大，原設計的樁端持力層為中風化花崗巖，持力層埋藏深度變化較大；

(2)現有基樁受地層和施工質量控制影響，大部分基樁的樁端持力層和豎向抗壓承載力均不滿足設計要求；

(3)地下室底板標高位于殘積粘性土的埋藏范圍內，殘積粘性土地基承載力特征值較大，壓縮模量較高。

圖7 典型的地質鉆孔柱狀圖

2 補樁方案

2.1 方案比選

該工程原設計除核心筒范圍內采用樁筏基礎外，其余范圍采用柱下獨立樁基承臺的基礎型式，設計時未考慮樁間土的豎向抗壓承載力。

按原設計思路，當僅個別基樁不滿足豎向抗壓承載力要求，可在滿足規范要求樁間距的前提下，在相應基樁附近增加基樁數量以彌補原單樁或群樁豎向抗壓承載力不足的問題。當大部分基樁均不滿足豎向抗壓承載力要求，則因補樁空間有限，造成基樁間距不滿足現行規范要求的，已施工基樁只能作為廢樁處理，這將導致補樁數量巨大。

若采用復合樁基的設計思路，即采用Winkler模型進行補樁計算，設計時考慮樁間土的豎向抗壓承載力，在滿足基礎豎向抗壓承載力的前提下，減少補樁數量，避免大面積補樁造成已施工基樁成為廢樁，提高已施工基樁的利用率。

該工程地下室底板位于殘積粘性土層，地基承載力較大，且原基樁完整性符合規范要求，基樁持力層及豎向抗壓承載力未滿足原設計要求的基樁占已施工基樁數量的92.8%。綜合考慮工程造價的經濟性和技術方案的可行性，為充分利用已施工基樁的豎向抗壓承載力，根據樁土共同作用的原理對基礎進行重新設計，即在地下室全部范圍內采用樁筏基礎，如圖8所示，將殘積粘性土作為地下室底板板底持力層，樁和樁間土共同承擔上部結構傳來的豎向荷載，主樓范圍內筏板厚度2000mm，主樓范圍以外一般區域的筏板厚度為700mm，原樁基承臺處筏板局部加厚為1000mm。

復合樁基設計的關鍵在于合理確定土體豎向剛度和樁身豎向剛度。若土體豎向剛度取值過大，則樁間土承擔的荷載會偏大，造成基樁在實際工作狀態下，荷載大于理論計算，使得樁基偏于不安全。若樁身豎向剛度取值偏大，則在實際工作狀態下，樁身豎向抗壓承載力未得到充分發揮，工程上造成一定的浪費。

圖8 復合樁基的基礎設計方案

2.2 土體豎向剛度的初步確定

因現場樁基施工在工程地下室開挖之前完成，故要確定地下室底板地基土——殘積粘性土的土體豎向剛度，無法通過載荷試驗確定。本文不采用地質勘查報告的壓縮模量經驗值，而采用各補充勘察孔內的沿土層不同深度所做的標準貫入試驗值來間接推算土體的壓縮模量，進而通過沉降計算，確定土體的剛度取值，即基底基床系數的取值。

殘積粘性土標準貫入試驗值與土體壓縮模量的非線性關系，Es=0.4023N+2.9048，砂土標準貫入試驗值與土體壓縮模量的非線性關系，Es=0.5613N+3.8965[3]。各土層壓縮模量計算結果如表3所示。

基底基床系數的計算，以基床系數的定義為依據，即附加應力/基底的沉降值。基底沉降值按式(1)計算[2]，附加應力P0的大小根據PKPM計算結果確定。在應用式(1)進行計算時，在基底附加應力基本一致的前提下，通過各勘察孔的勘察數據建立實際土層分布，得出附加應力分布影響范圍內各勘察孔位的沉降值。

(1)

表3 各土層壓縮模量計算結果

根據PKPM的計算結果，基地附加應力P0=264kPa，Es的取值參照表3，各勘察孔位的沉降計算結果如表4所示。

表4 各勘察孔位的沉降計算結果

2.3 樁身豎向剛度的初步確定

在確定樁身豎向剛度時，取基樁在PKPM最大軸力的標準組合下的豎向荷載附近的豎向剛度，作為基樁的計算豎向剛度。

以30#基樁為例，其單樁豎向抗壓靜載試驗結果如表5所示。樁身豎向剛度Kv=F/s，在不同荷載作用下樁身豎向剛度值如表6所示。根據PKPM計算結果，最大軸力的標準組合下的豎向荷載Fk,max≈10 000kN，則取加載階段荷載在7950kN～12720kN范圍內的剛度的平均值，計算式如下：

表5 30#基樁單樁豎向抗壓靜載試驗結果

表6 30#基樁在不同荷載作用下樁身豎向剛度值

同理，根據各基樁單樁豎向抗壓靜載試驗結果，計算得到的基樁在PKPM最大軸力的標準組合下的豎向荷載附近的豎向剛度，如表7所示。

表7 基樁樁身豎向剛度值

2.4 土體豎向剛度和樁身豎向剛度的最終確定

實際建模計算時，由于土與土、樁與樁、土與樁的相互作用導致地基或樁群的豎向支承剛度分布發生內弱外強變化，沉降變形出現內大外小的碟形分布，基底反力出現內小外大的馬鞍形分布[1]，故對建筑結構核心區域的土體豎向剛度應進行適當折減，折減系數建議取0.7～0.8之間[4]。

通過基樁單樁豎向抗壓靜載試驗推算得到的樁身豎向剛度，僅針對特定直徑和樁端持力層的情況，在實際建模時，不同直徑基樁的樁身豎向剛度可參照試驗推算值，在同一樁端持力層的前提下，不同樁徑的基樁樁身豎向剛度近似,按和直徑成正比的關系進行推算[5]。

3 檢測及監測結果分析

該工程基坑開挖至地下室底板墊層底之后，進行土層的淺層平板載荷試驗。淺層平板載荷試驗的試驗土層為殘積粘性土和全風化花崗巖，具體試驗結果如表8所示。

根據淺層平板載荷試驗結果，殘積粘性土和全風化花崗巖的地基承載力特征值與地勘報告提供的數據相符，滿足設計要求。土體壓縮模量與利用標準貫入試驗值推算的壓縮模量計算值相比，基本相符，能夠滿足工程設計的要求。

圖9為建筑結構封頂后各建筑沉降變形觀測點中沉降數值最大點的時間-沉降量曲線圖，從圖中可知，2017年8月13號至2017年12月31號140d里，建筑最大沉降速率均小于0.01mm/d，說明樁基已達到穩定狀態[6]。根據建筑物傾斜觀測數據，各測點中最大傾斜率為1/6063，滿足規范要求[2]。

圖9 建筑沉降觀測時間-沉降量曲線圖

4 結論

綜上，采用復合樁基按Winkler模型對已施工的樁基基礎進行重新設計時，可利用已施工基樁的單樁豎向抗壓靜載試驗數據和土層詳細的標貫數據，通過理論分析計算，推算出土體豎向剛度和樁身豎向剛度，以供設計計算時使用，結果能滿足工程設計要求。

參 考 文 獻

[1] JGJ94-2008 建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2] GB50007-2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] 郭淋.標貫試驗值N與土體物理力學參數的相關性分析[J].安全與環境工程, 2012, 19(4): 148-152.

[4] POULOS H G, DAVIS E H.Pile foundation analysis and design[M].New York:Wiley Press,1980.

[5] 潘時聲.樁的剛度計算[J].巖土工程學報, 1996, 18(1): 1-6.

[6] GJ 8-2016 建筑變形測量規范 [S]，北京：中國建筑工業出版社，2016.