深厚粉砂持力層中預制樁基承載力參數的取值探討

王輝熠，朱帆

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院，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由靜載荷試驗確定，而在地基巖土的勘察階段往往需要通過樁周及樁端土層的特性及物理力學指標對樁側摩阻力及端阻力取值進行預估。

根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[1]（簡稱《規范》）第5.3 節，預估單樁豎向承載力的常用方法有原位測試法及經驗參數法等，并可將2 種方法相結合進行綜合判定。原位測試法一般通過對雙橋探頭靜力觸探獲得的第i層土的探頭平均側阻力和樁端平面上下的探頭阻力進行修正，然后估算樁側阻及端阻力；采用經驗參數法時，對于黏性土，通過液性指數，給出近似樁側及端阻力，對于粉土及砂性土通過其密實度給出近似樁側阻及端阻力。

在對各層土的承載力參數進行估計時，對于一般長度的混凝土預制樁，樁基持力層的側阻力及端阻力的估計尤為重要，因為持力層的承載力參數對樁基承載力影響較大，且這些參數的預估值有時會與樁基試驗結果存在較大偏差[2]。

2 某燃煤電廠工程的樁基持力層特性及預估參數

某燃煤供熱電廠位于江蘇省南京市，新建2×50MW 抽背式汽輪發電機和480t/h 超高溫高壓鍋爐，根據巖土工程勘測報告，廠區地基巖土自上而下主要為素填土、淤泥質粉質黏土夾粉砂、粉質黏土夾粉砂、粉砂、粉細砂等，典型的地質剖面如圖1 所示。

圖1 南京某電廠地質剖面圖

根據本工程的特點，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，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為粉細砂，飽和，中密～密實，層厚平均值為4.3m，壓縮性中偏低，承載力中偏高；

層⑩為粉細砂夾粉質黏土，飽和，中密～密實，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筑物的樁基持力層。為便于同試樁結果進行對比，按照樁進入層⑦深度為3.9m，結合《規范》的規定，對層⑦的承載力參數進行估計，根據原位測試結果，由層⑦標貫擊數N為35，根據表格查得端阻力約為3000～4500kPa，側阻力約為66～88kPa；由雙橋靜力觸探錐頭阻力qc=13.78MPa，側壁摩阻力fs=0.15MPa，對探頭阻力進行修正，飽和砂土樁端阻力修正系數α 取0.5，端阻力約為6800kPa；側阻力修正系數 βi=5.05（fs）i-0.45，約為0.53，側阻力約為79kPa。

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

3 樁基試驗結果

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，進入持力層的深度為3.9m、1.4m。盡管試樁2 的樁長比試樁1 的長了6m，但靜載試驗結果表明，試樁1 的豎向抗壓極限承載力為4400kN，不僅超過了預估的樁基承載力3400kN 約30%，而且大于試樁2 的極限承載力4100kN，試樁2 的極限承載力與預估值基本一致。

通過高應變復打的動測數據可知，以層⑦及層⑨為持力層時，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的側阻力約為92kPa，端阻力約為5300kPa；持力層層⑨的側阻力約為55kPa，端阻力約為3300kPa。考慮到樁基為混凝土空心樁，將端阻力按《規范》5.3.8 折算，得出層⑦端阻力約為5800kPa，層⑨端阻力約為4100kPa。

4 預估參數與試驗結果對比分析

樁基持力層的預估承載力參數與試驗結果的對比如表1所示。

從表1 可以看出：

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

表1 持力層預估承載力參數與試驗結果對比

2）高應變動測得出層⑦及層⑨的端阻力均大于經驗值的上限，但均低于原位測試法估算出的端阻力，其中，層⑦端阻力比原位測試法低15%，層⑨端阻力比原位測試法低34%，表明進入持力層深度越大，端阻力越大；

3）高應變動測得出層⑦的側阻力大于經驗法的上限值及原位測試法估算值，比原位測試法大了約16%，層⑨的側阻力小于經驗法的下限值及原位測試法估算值，比原位測試法低了約8%，表明層⑦的側阻力隨著端阻力的發揮有了較大提高；

4）而以層⑨為持力層時端阻沒有充分發揮，其側阻力也基本上沒有增強[3]。

需要注意的是，高應變動測顯示當樁基以層⑨為持力層穿過層⑦以后，層⑦的側阻力恢復為約78kPa，基本上就是原位測試的估算值。這也從另外一個角度證明了側阻力是隨著端阻的發揮而增大的。

5 樁側阻力增強效應的機理及影響因素分析

已有學者對樁側阻力隨樁端土強度增加表現出的增強效應做了一些理論和試驗研究，主要從樁端土的擠密成拱理論、樁端側土體隨圍壓增大抗剪強度提高引起側摩阻力增加等方面做了較為合理的解釋，可以確定樁側阻力與樁端阻力之間存在相互作用，且樁側阻力在樁端附近的局部增強效應是普遍存在的。在實際工程應用中，設計者更為關心在何種情況下可以考慮這種增強效應的存在。

從上述案例可以看出，在深厚密實的粉砂持力層中該現象非常明顯，粉砂層的標貫擊數一般不小于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，進入持力層深度越大，越有利于端阻及樁側阻力的發揮[4]。

6 樁側阻力增強效應在某熱電工程中的應用

某熱電廠位于江蘇省常熟市，擬建1×B32MW 背壓機+1×CB15MW 抽背機、3 臺180t/h 高溫超高壓鍋爐，根據巖土工程勘測報告，廠區40m 深度范圍內的地基土主要由填土、粉質黏土、粉土、粉砂組成，其地質剖面圖2 所示。

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

層②6 為粉質黏土，可塑～硬塑，層厚平均值約7m，中等壓縮性，中等強度，工程性質一般；

層②7 為粉土夾粉砂，中密～密實，層厚平均值約4.5m，低壓縮性，高強度，工程性質較好；

層②8 為粉質黏土夾粉土，軟塑～可塑，層厚平均值約2.3m，中等壓縮性，中等強度，工程性質一般。

根據原位測試結果，由層②5 標貫擊數N為28 擊，根據表格查得端阻力約為3000～4500kPa，側阻力約為48～66kPa；由雙橋靜力觸探錐頭阻力qc=11.492MPa，fs=0.101MPa，預估端阻力約5800 kPa，側阻力約64kPa。

圖2 常熟某電廠地質剖面圖

7 樁基試驗結果

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，樁端進入持力層的深度為6.5m。靜載試驗結果表明：試樁A 的極限承載力約為3860kN，超出預估承載力約66%；試樁B 的極限承載力約4260kN，超出預估承載力約44%，單樁豎向承載力均有較大幅度的提高。

綜合2 組試樁高應變動測數據給出持力層層②5 的側阻力約為120kPa，端阻力約為6200kPa；考慮到樁基為混凝土空心樁，將端阻力按《規范》5.3.8 折算，得出層②5 端阻力約為6600kPa。可以看出在樁基進入深厚粉砂持力層深度較大時，端阻得到了充分發揮，超出原位測試值約13%，側阻力更是達到了預估值的2 倍，側阻力增強效應非常顯著。

通過高應變復打的動測數據表明：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 的側阻力約為3004kN，試樁B 的側阻力約為2955kN，其承載力反而略小于試樁A，由于試樁B 的樁側表面積約為試樁A 的1.2 倍，這也說明了試樁A 側摩阻力比試樁B 增大的更多，由于2 組試樁進入持力層深度一樣，因此，側阻力的增強效應隨樁基進入持力層深度與樁徑之比的增大而增大。

8 樁側阻強化效應的應用效果

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

根據試驗結果及相關理論分析，本文中的2 個工程均采取了較為優化的措施：

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

江蘇省常熟市的熱電項目主要建構筑物樁基直徑由原來的600mm 優化為500mm，且一般建構筑物的樁基長度也有所減小。2 個電廠工程地基處理費用均得到大幅節省。

9 結論與建議

綜上所述，得到以下結論和建議：

1）樁基規范給出的估算單樁極限承載力的方法如經驗參數法、原位測試法等，可以根據土層的物理力學特性對樁基承載力參數進行初步的估計，但是對實際施工中某些土層參數的變化情況并未充分考慮，如深厚粉砂層中樁側阻力與樁端阻力的相互作用，特別是樁側阻在樁端處的增強效應。

2）深厚粉砂層應有一定的密實度，標貫擊數一般不小于30 擊。樁基進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揮和側阻力增強的必要條件。對于PHC 管樁，一般來說，進入持力層深度不應小于6d，下臥層不應小于4d。在滿足上述條件時，樁端進入持力層的長徑比越大，端阻發揮越充分，側阻增強效應也越強。

3）深厚粉砂層中樁端阻的取值一般遠大于規范的經驗估計值，與原位測試值較為接近；隨著樁基進入持力層深度的加大，端阻值越接近或超過原位測試值時，側阻值會有明顯增加，一般會超出經驗值的上限和原位測試值，甚至達到原位測試值的2 倍。

4）深厚粉砂層中樁基承載力參數變化引起的單樁豎向極限承載力提高較為顯著，對于一般長度的預制樁基比預估值的提高幅度在30%～60%，應予以充分重視并利用。建議認真分析土層特性及物理力學參數，合理選擇樁基持力層并進行承載力預判，進一步根據試樁結果優化地基處理方案。