青島某預制樁工程單樁豎向承載力設計案例分析

李慎鋒 張吉慶

（青島瑞源工程集團有限公司 山東青島 266550）

青島地區某個持力層為泥質粉砂巖的混凝土預制樁樁基工程，其試樁單樁豎向承載力較高，設計單位參照試樁結果進行取值，施工后，出現單樁豎向承載力普遍降低，樁基驗收不合格的現象。預制混凝土樁主要承受豎向作用力，具有單樁豎向承載力高、造價低、施工速度快等優點，被普遍應用在樁基工程中［1］。青島市地區，上部為土層、下部為強風化泥巖層主要分布在膠州市、城陽區及高新區一帶。目前，在該地區的樁基工程施工時多采用錘擊法沉樁［2］。常虹等［3］對泥巖持力層的管樁沉降作了相關研究；周浪［4］分析了PHC 管樁在白堊系泥質粉砂巖場地內的破壞類型；韓婷［5］提出當PHC管樁豎向抗壓承載力不足時，可通過錘擊復打后提高單樁豎向抗壓承載力；任秀文［6］分析了預制管樁的土塞效應及其對承載力的影響；陳安等［7］分析了泥質粉砂巖的礦物成分；有研究指出地下水會對泥巖、粉砂巖產生強度弱化的影響［8-11］；周華［12］等研究了干燥失水對泥質粉砂巖遇水后物理力學性質的影響；劉新喜［13］等進行了高應力泥質粉砂巖蠕變特性及長期強度研究；徐朋威［14］研究了江西紅色風化泥質粉砂巖地基承載力；李進［15］等進行了含節理泥質粉砂巖強度特征試驗研究；羅坤［16］根據巖石單軸抗壓強度，確定中風化軟質巖石的地基承載力特征值，進而確定其樁端阻力特征值。

本文通過青島地區一個預制樁單樁豎向承載力降低的工程案例，進行原因分析并提出處理措施。結合另外出現類似情況的工程案例，提出青島地區預制混凝土單樁（400mm×400mm 低預應力方樁或直徑500mm的預應力管樁）承載力特征值一般取值范圍，旨在為青島地區以該地層為持力層的預制混凝土樁樁基設計及施工提供借鑒。

1 工程概況

青島高新區某地塊預制樁工程，包括7個樓座，分別為2#至8#樓座。其中，2#、3#、6#和7#為住宅樓；4#、5#和8#為人才公寓；其他樓座為商業辦公樓，采用天然地基。7個樓座樁基均采用低預應力預制混凝土實心方樁，型號NFZ-400-a，長度為10～14m，樁數共計1102個。設計單樁豎向承載力特征值均為2200kN，即單樁豎向極限承載力標準值4400kN。樁端入第16-1層（泥質粉砂巖強風化下亞帶）不小于4m。樓座平面布置見圖1。

圖1 平面布置圖

2 地質條件

地層編號采用了青島市建委推廣的《青島市區第四系層序劃分》標準地層層序編號，共揭示了5 個主層、5個亞層，地層描述以層及亞層為單位。從上至下分為第①1層粗顆粒素填土、第①2層細顆粒素填土、第⑥層淤泥質粉質黏土、第?1層黏土、第?層黏土、第?層泥質粉砂巖全風化帶、第?層泥質粉砂巖強風化上亞帶、第?1層泥質粉砂巖強風化下亞帶，詳見表1。

表1 預制樁設計參數

樁端持力層為第?1層泥質粉砂巖強風化下亞帶，該層廣泛分布，揭露厚度1.00～10.00m。紫紅色，泥質—粉砂質結構，層狀構造，以黏土礦物為主，含少量白云母，巖芯呈柱狀，內含大量碎塊狀巖芯，手掰不易碎，可擊碎，擊聲較悶。該層進行標準貫入試驗66 次，50 擊貫入深度12～27cm。地基承載力特征值fak=700kPa，變形模量E0=40MPa。巖石堅硬程度為軟巖，巖體完整性指數Kv＜0.15，巖體極破碎，巖體基本質量等級Ⅴ級。

勘察單位結合場區工程地質情況，選取代表性鉆孔39#鉆孔，對推薦各樁型進行單樁豎向極限承載力估算，結果見表2所示。

表2 單樁豎向極限承載力標準值估算統計

3 施工過程

施工時，采用預制樁錘擊沉樁法施工，錘重8.2t，采用有效樁長和貫入度雙控，并以貫入度為主。最后，三陣每陣10錘的貫入度不大于30mm。

4 載荷試驗

施工完后，進行單樁豎向抗壓靜載試驗［17］。先對2#、3#、6#樓座各取1 根樁進行了靜載試驗，對7#樓取兩根樁進行靜載試驗。結果發現，單樁豎向抗壓極限承載力為2500～3720kN，5個樁均不滿足設計單樁豎向極限承載力標準值4400kN的要求，隨即停止對其他樁進行驗收工作。其中，7#樓試驗樁荷載為3080kN 時，累積沉降量為12.38mm；當荷載加載到3520kN 時，沉降量迅速增大，1h內累積沉降量達到23.06mm，試驗樁沉降未能達到相對穩定標準，最后試驗樁直接下沉。最終，單樁豎向抗壓極限承載力2964.4kN，未達到設計要求的4400kN，見表3和圖2。

圖2 7#樓樁荷載—沉降曲線圖

表3 靜載試驗分級加載沉降值

5 分析原因

5.1 單樁豎向承載力特征值取值太高

2018年7月5日，建設單位委托其他施工單位對該地塊進行預應力混凝土方樁試樁，試樁尺寸為400mm×400mm，樁長14.5m，試樁單樁豎向抗壓極限承載力為5280kN。設計單位取單樁豎向抗壓極限承載力為4400kN，即單樁豎向承載力特征值為2200kN，設計值符合試樁測試結果，試樁結果見圖3和表4。

表4 靜載試驗分級加載沉降值

圖3 2#樁荷載—沉降曲線圖

而根據前述勘察報告建議取值進行計算如下。

（1）樁身周長u、樁端面積Ap計算。

u=0.40×4=1.60m，Ap=0.40×0.40=0.16m2。

（2）單樁豎向極限承載力標準值估算。根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）5.3.5式［18］計算：

單樁極限側阻力標準值為：Qsk=uqsikli=1.60×（60×1.00+75×2.00+120×2.00+180×4）=1872kN。

單樁極限端阻力標準值為：Qpk=qpkAp=0.16×7500=200kN。

單樁豎向極限承載力標準值為：Quk=Qsk+Qpk=1872+1200=3072kN。

單樁豎向承載力特征值Ra根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）5.2.2式［18］計算：

Ra=3072/2=1536kN。

根據實際施工樁長計算，同樣樁截面尺寸為400mm×400mm的預制混凝土方樁，入持力層4m，樁長9m的單樁豎向極限承載力標準值Quk為3072kN。表2中勘察單位給的入持力層1m，樁長8.4m的單樁豎向極限承載力標準值Quk為2393kN，兩者均小于設計單位提出的單樁豎向極限承載力標準值4400kN。

大多數的樁基設計普遍以試樁為主要參考依據，以勘察報告提供的參數，利用經驗參數法進行估算單樁豎向承載力特征值為輔。本工程以試樁結果作為設計依據，設計取值太大，不符合實際情況。若當初以該勘察報告為設計依據，反而較能反映現場實際情況。這是該工程的特殊之處，對其進行原因分析如下。

5.2 地下水浸泡泥巖

經勘察揭露，樁端巖層存在地下巖石裂隙水，且打樁時為7～8月份，處于青島地區的豐水期。為減少設備進出場成本、加快施工進度，現場采用錘擊沉樁。現場泥巖具有遇水軟化的特性，詳見圖4和圖5。錘擊過程中，樁端泥巖被水浸泡，持力層的泥質粉砂巖被反復振動，導致持力層巖基面軟化，巖石強度下降。后期變更設計后進行補樁，送樁深度普遍比之前施工的樁深0.8～1.5m，可從側面解釋持力層巖基軟化破壞的可能性。

圖4 泥質粉砂巖強風化下亞帶硬塊巖芯

圖5 泥質粉砂巖強風化下亞帶風化后巖芯

5.3 未進行復打

設計樁間距多數為1600mm×1750mm，預制樁間距較密集。施工時，采用蛇形往返迂回打樁順序，未進行嚴格意義上的從中間向四周的順序施打，擠土效應導致樁身上浮，詳見圖6。經現場觀測統計，2d 后，上浮量為31～79mm，多數樁上浮大于40mm。施工完后，因工期緊，單個樓座預制樁已多數施工完畢，樁機只能對周邊樁進行復打，對里面的樁，樁機無工作面，無法進行復打。泥巖遇水軟化膨脹的特點加劇了樁身上浮。后期設計變更進行補樁過程中，復打后，預制樁平均可多入土1m。雖然設計中單樁豎向極限承載力標準值滿足試樁結果，但試樁時未考慮擠土效應，且持力層泥巖振動小，未浸水軟化破壞。

圖6 預制混凝土方樁現場施工圖

6 解決措施

6.1 已施工樁基礎改為復合地基

預制樁基工程包括7個樓座，其中，對已施工完的2#、3#、6#、7#和8#樓進行了補樁。仍采用低預應力預制混凝土實心方樁，規格400mm×400mm，樁身混凝土強度不低于C60，并全部改為剛性樁復合地基。

例如，2#樓復合地基承載力特征值應通過現場單樁或多樁復合地基荷載試驗確定，要求復合地基承載力特征值fspk≥370kPa。地基采用低預應力預制混凝土實心方樁處理的復合地基，以第?1層黏土層為持力層，天然地基承載力特征值fak=170kPa。樁距1650mm×1800mm，矩形布置，有效樁長8.5～10m，樁端持力層均為第?1層（泥質粉砂巖強風化下亞帶）。單樁豎向承載力特征值通過現場單樁豎向抗壓靜載試驗確定，要求單樁豎向承載力特征值不小于900kN，即單樁豎向極限承載力標準值不小于1800kN。設計樁頂鋪設200mm 厚的褥墊層，褥墊層材料可選用5∶5 級配砂石，最大粒徑不大于30mm。褥墊層鋪設采用靜力壓實法，壓實后的褥墊厚度與虛鋪厚度之比小于0.9，復合地基基礎開挖時，預留樁頂應預留200mm以上由人工開挖。褥墊層寬出相應基礎墊層300mm，詳見圖7。

圖7 2#樓復合地基示意圖

2#樓補樁155 根，單樁豎向承載力特征值降為900kN。3#樓補樁159，單樁豎向承載力特征值降為900kN。6#樓單樁豎向承載力特征值降為1100kN。7#樓補樁20根，單樁豎向承載力特征值降為1100kN。8#樓補樁155根，單樁豎向承載力特征值降為1800kN。

6.2 未施工樁基礎改為管樁

4#樓改為采用直徑500mm的管樁，單樁豎向承載力特征值降為1800kN。5#樓改為采用直徑500mm 的管樁，單樁豎向承載力特征值降為1800kN。管樁樁端端口不封閉，可適當釋放部分樁端超靜水壓力，防止樁身上浮。設計變更前后對比見表5。

表5 設計變更前后對比統計表

6.3 優化打樁順序并及時復打

采取從中間向四周施打的施工順序。當天完工預制樁，第二天全部復打一遍，直至樁身不再上浮為止。

經采取以上措施，施工后驗收通過，質量合格。

7 其他兩項類似工程案例

某工程位于青島市高新區，濱海沉積地貌，場區地層自上而下依次為素填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、中粗砂、全風化安山巖、全風化泥質粉砂巖、強風化安山巖、強風化泥質粉砂巖，其中樁端持力層現場標準貫入試驗數據見表6。

表6 現場標準貫入試驗數據

該樁基工程預制混凝土管樁型號為PHC-500-AB-125-11a，采用有效樁長和貫入度雙控，并以貫入度為主。最后三陣每陣10 錘的貫入度不大于30mm。在現場共檢測管樁7 根，其中，有3 根樁的單樁豎向承載力特征值小于設計值，具體檢測數據如下。

73#樁，加載至第9 級時，沉降量72mm，應判定為第8級，單樁豎向極限承載力為4160kN，見圖8。

圖8 第73#試驗樁沉降曲線

98#樁，加載至第8 級時，沉降量80mm，應判定為第7級，單樁豎向極限承載力為3640kN，見圖9。

圖9 第98#試驗樁沉降曲線

45#樁，加載至第9 級時，沉降量58mm，應判定為第8級，單樁豎向極限承載力為4160kN，見圖10。

圖10 第45#試驗樁沉降曲線

該工程的單樁豎向承載力特征值為1820～2080kN。

另一某樁基工程位于青島市李滄區滄安路與安順路交匯處。項目總建筑面積約11萬m3，地下一層局部4 層，有高層住宅、人才公寓、商業Loft、底商、綜合體等。預制混凝土持力層為第?1下層泥質粉砂巖強風化下亞帶。磚紅至棕紅色，泥質、粉砂質結構，層狀構造，主要礦物成分為砂屑和黏土礦物，巖芯呈塊狀至短柱狀，錘擊聲悶、易斷，具有浸水易軟化的特點。該層選取巖芯中部分硬塊進行點荷載試驗，并換算成飽和單軸抗壓強度，結果統計見表7。

表7 試驗成果統計表

根據巖芯性狀判定，該巖石屬軟巖—極軟巖，巖體極破碎，基本質量等級V 級。該層地基承載力特征值fak=500kPa，變形模量E0=40MPa。該樁基工程預制混凝土管樁（PHC-500-AB-125-11a），采用樁長以貫入度控制為主，最后三陣每陣10 錘的貫入度不大于30mm。設計單樁豎向承載力特征值為1200kN。經施工后，驗收合格。

通過以上3個青島地區工程案例和黃凱［2］在青島泥巖持力層上嵌巖打入樁承載力研究與工程分析得出：在青島泥質粉砂巖地質條件進行預制樁（400mm×400mm低預應力方樁或直徑500mm的預應力管樁）施工，采取貫入度控制樁深時，單樁豎向承載力特征值一般取值范圍為900～2080kN，具體根據地質條件、樁型號、樁長等因素考慮。若超過2080kN，需要格外引起重視。因為泥巖在同一場地的不同位置處，泥巖性質在一定程度上會存在差異，且地下水的分布情況也并不完全相同，泥巖提供的承載力有所差別。若樁基設計時只根據某位置處的地層資料進行計算，而不考慮整個場區地層的實際情況，實際承載力會有較大差別。3根試樁的偶然性太大，在進行設計時，應多增加試樁數量，并全面考慮，不能只從單一方面的因素進行判斷。

8 結論

（1）泥質粉砂巖地質條件下，青島地區預應力混凝土樁樁基工程經常出現試樁承載力合格，施工完后，樁基驗收不合格，承載力普遍降低的現象。在此地質條件下進行預應力混凝土樁設計及施工，要格外引起重視。

（2）青島地區樁端持力層為泥質粉砂巖條件下，采取貫入度控制樁深時，預應力混凝土樁（400mm×400mm低預應力方樁或直徑500mm的預應力管樁）單樁豎向承載力特征值一般取值范圍為900～2080kN，若設計值超過2080kN，需格外引起注意。

（3）在預應力混凝土樁樁基設計時，不能過分依靠試樁結果，應充分考慮擠土效應、泥巖軟化等因素，并建議增加試樁數量，設計時，留有一定的安全儲備。