大直徑嵌巖灌注樁承載力計算與檢測探討

傅國平

(銅陵市建筑工程管理局，安徽 銅陵 244000)

0 引 言

當天然地基承載力不能滿足建筑物豎向承載力要求時，常選用樁基礎方案。樁基礎種類繁多，需要結合具體地質情況選擇合適的樁型。當樁基持力層為基巖及中風化巖石時，常用的基礎方案為灌注樁，按照成孔工藝可以選用鉆孔灌注樁和人工挖孔樁。考慮施工安全性問題，人工挖孔樁被列為限制性用樁，但基樁進入持力層，可以直觀地了解樁底巖土的特性，人工清孔可以嚴格控制樁底殘渣厚度，故當柱底豎向荷載較大，條件允許時(如樁長短，無大面積填土，地下水位低等)，人工挖孔樁仍為最優方案。其質量安全可靠，造價經濟。目前，人工挖孔樁在我省一些地區如銅陵、六安等地仍有廣泛使用，且當地有著豐富的施工經驗。而對于大直徑嵌巖樁的承載力計算，《建筑地基基礎設計規范》和《建筑樁基技術規范》的計算規定有所不同，本文結合工程實例，用計算結果詳細分析了兩本規范算法的差異，同時結合重慶[1]、貴州[2]等地的地基基礎規范的設計方法，給出了大直徑嵌巖樁的承載力計算建議。同時，針對大直徑嵌巖樁豎向承載力檢測困難的問題，依據《建筑基樁檢測規范》并結合工程實例，給出了檢測方案。

1 工程概況

某四季瀾山項目，總建筑295 421.30 m2，分為住宅地塊和商業地塊。其中商業地塊總建筑面積129 227.35 m2，地上建筑面積為97 279.34 m2，地下總建筑面積31 948.01 m2。整個項目由酒店、會展中心、SOHO辦公、商業零售及相關配套用房等組成。3幢塔樓分別為1幢24層的酒店和2幢14層的loft公寓，如圖1所示。

圖1 四季瀾山商業地塊鳥瞰

2 基礎選型及承載力計算

2.1 地質情況

表1 天然地基設計參數

表2 樁基設計參數

地勘報告建議在填土較厚區可選用人工挖孔樁(墩)或鉆孔灌注樁方案，以⑤層中風化砂巖作為樁端持力層，且進入⑤層中風化砂巖不少于0.5 m。

2.2 基礎方案選型

分析酒店塔樓對應的地質勘孔可知，酒店主樓基礎底板以下為①層雜填土，厚度為1.5～5 m，故無法采用天然地基方案，根據地質情況，可選用灌注樁方案，施工工藝可選旋挖成孔或人工成孔，樁基持力層為⑤層中風化砂巖。酒店主樓為框架-核心筒結構，建筑總高度為99.45 m，柱網為8.4 m×8.4 m，單柱柱底荷載最大約為26 000 kN，柱底荷載巨大。經技術經濟比較研究，最優基礎方案為單柱下大直徑擴底灌注樁。其荷載傳力直接可靠，且可充分發揮擴大頭的優勢，經濟性好。

根據地勘報告要求，樁端要求進入⑤層中風化砂巖不少于0.5 m。由于持力層坡度較大(坡度約15%)，為確保樁基設計安全，需樁底最不利截面處(基巖坡下方)進入持力層大于0.4D且大于0.5 m，故對成孔后的樁端持力層檢驗尤為重要。經過綜合考慮，確定采用人工挖孔樁方案，該樁型在當地應用廣泛，且成樁質量可靠。可根據柱底荷載不同，調整樁底擴大頭大小來滿足承載力要求，充分發揮樁身強度的優勢，具有其他鉆孔樁無法比擬的經濟效果。同時，為了確保施工安全，嚴格控制擴大頭直徑不大于樁身直徑的2倍。

2.3 樁長的選取

現行行業標準《大直徑擴底灌注樁技術規程》[4]第2.1.1條對大直徑擴底灌注樁給出的定義為：樁身直徑不小于800 mm,樁長不小于5.0 m的樁。如果有效樁長小于5 m，則按墩基礎(淺基礎)進行設計，墩基的適用范圍一般為埋深大于3 m、直徑不小于800 mm且埋深與墩身直徑的比小于6或埋深與擴底直徑的比小于4的獨立剛性基礎。墩身有效長度不宜超過5 m。墩基礎的地基承載力特征值一般按天然基礎寬度和深度修正(巖石地基均不修正)，并且不計墩身側阻力。由于基底面積按天然地基的設計方法進行計算，免去了單墩載荷試驗，這種算法在工期緊張的情況下較受歡迎。但經過對比發現，樁與墩的承載力有著明顯差別，如Φ800 mm的樁(不擴頭)單樁豎向承載力為2 000 kN,而Φ800 mm的墩(不擴頭)的豎向承載力為900 kN。可見，由于規范的限制，樁長微小的差距就可能造成單樁豎向承載力數倍的變化。故本工程在設計時盡量控制樁長為大于5 m，但有時考慮人工入巖困難且施工緩慢等施工因素，本工程裙房少數柱底荷載小的基礎按照墩基礎設計。

2.4 單樁承載力計算

《建筑地基基礎設計規范》[5]第8.5.6條規定：單樁豎向承載力特征值按式(1)計算：

Ra=qpaAP+up∑qsiali

(1)

當樁端嵌入完整或者較完整的硬質巖中，當樁長較短且入巖較淺時，單樁豎向承載力特征值按式(2)計算：

Ra=qpaAP

(2)

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；AP為樁底端橫截面面積，m2；up為樁身周邊長度(m)；li為第i層巖石的厚度，m。

而《建筑樁基技術規范》[6]第5.3.9條規定，當樁端嵌入完整或者較完整的硬質巖中，單樁豎向極限承載力標準值按式(3)計算：

Quk=Qsk+Qrk

(3)

Qsk=u∑qsikli

(4)

Qrk=ζrfrkAP

(5)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值，kN；Qsk、Qrk分別為土的總極限側阻力標準值、嵌巖段總極限阻力標準值，kN；u為樁身周長，m；qsik為樁周第i層土的極限側阻力；frk為巖石單軸飽和抗壓強度標準值；ζr為樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數。

根據《建筑樁基技術規范》[6]第5.2.2條，單樁豎向承載力特征值Ra應按式(6)確定：

(6)

式中：K為安全系數，取K=2。

對比兩種規范算法可以發現，兩者最大的差別在于樁端阻力的計算。為便于直觀研究兩種算法的區別，本文取Φ1 000 mm的樁，按照不同的嵌巖深度計算單樁豎向承載力，計算結果見表3，考慮上覆土層樁身側阻力較小，計算忽略持力層以上的樁身摩阻力。

表3 不同規范算法計算的單樁承載力特征值

2.根據樁端持力層巖石鉆芯法檢測結果，frk近似取最小值為18.2 MPa；ζr按規范表5.3.9內插取值，對于人工挖孔樁清底干凈，取放大系數1.2。

由表3計算結果可知，隨著嵌巖長度的增加，兩種算法計算的單樁豎向承載力特征值差距越來越大，即使按照常用的嵌巖長度0.5 m計算，采用《建筑樁基技術規范》計算的單樁承載力特征值也是按照《建筑地基基礎設計規范》計算結果的2.3倍。而目前安徽省的地勘報告通常只給出qpa，很少給出frk，故大多數設計人員只能按照《建筑地基基礎設計規范》設計，究其原因是地勘部門認為中風化巖石由于風化程度的不同，巖體完整程度不同，故給出的計算參數都偏保守。按照地勘報告提供的⑤層中風化砂巖天然地基承載力反算，巖石強度折減系數ψr僅取規范的最小值，約為0.1。此算法大大影響了基巖強度的發揮，造成了不必要的浪費。針對此種情況，可參考重慶市地方標準《建筑地基基礎設計規范》(DB J50-047—2016)(以下簡稱“重慶地標”)中的處理方法。

該規范將巖質地基分為兩個檔次：

一是對于地勘資料給出巖石單軸強度較低、巖石較破碎難以獲得單軸抗壓強度，或工程需要進一步提高地基承載力已進行原位巖石載荷板試驗得到了較高的樁端地基承載力。原重慶市地方標準《建筑地基基礎設計規范》(DB J50-047—2006)提出了通過樁側假想擴散角模擬樁側巖石阻力的擴底端承樁計算公式。具體規定內容如下：

干作業成孔且清底干凈的嵌巖樁，嵌入完整、較完整巖石段總極限阻力標準值，根據現場載荷試驗確定時，可按下列公式計算：

當嵌巖深度小于1倍樁徑時，

Qrk=fukAP

(7)

當嵌巖深度不小于1倍樁徑時，

Qrk=1.2βfukAP

(8)

式中：fuk為現場載荷板試驗所得樁端地基極限承載力標準值；

AP為嵌巖段樁端橫截面面積；

β為考慮嵌固力影響后的承載力綜合系數，當嵌巖深度小于1倍樁徑時，β=1；當嵌巖深度不小于1倍樁徑時，β按規范表8.7.8-1～3取值。該系數按樁型區分。

二是對樁端嵌入完整、較完整巖石時，直接利用巖石單軸抗壓強度計算，此時計算公式同式(5)。計算單樁承載力特征值時，第一檔次計算的安全系數取3，第二檔次計算的安全系數取2。

對比重慶地標和國標可知，當樁端持力層基巖完整度較差時，重慶地標要求根據現場載荷試驗結果計算樁基承載力，同時對于嵌巖樁忽略樁身摩阻力。故本文建議在設計嵌巖樁時應主動要求地勘單位提供frk，按照《建筑樁基技術規范》進行設計，條件合適時可考慮現場做巖基載荷試驗確定樁端地基承載力。當基巖為軟巖時，可對比增設擴大頭和增加嵌巖長度兩種方案的經濟性，綜合考慮施工因素給出最優方案。

3 樁基承載力檢測

《建筑地基基礎設計規范》第8.5.6條規定，單樁豎向承載力特征值應通過靜載試驗確定，而加載方式規范明確為慢速維持荷載法。本工程最大的單樁豎向承載力為26 900 kN,對于這么大的噸位，現場沒有條件來堆載，也遠超過了樁端預埋載荷箱的試驗范圍。依據《建筑基樁檢測技術規范》[7]第3.3.7條規定，本工程共采用了下列幾種方式進行樁基承載力和樁身質量核驗[8]:

(1) 采用鉆芯法測定樁底沉渣厚度及檢測樁身完整性。選取數量為不少于樁總數的10%且不少于10根，本工程抽檢數量為10根，檢測結果均為Ⅰ類樁且樁底無殘渣。選取不少于樁總數的10%且不少于10根進行樁端持力層巖土芯樣檢測，本工程共選取22根樁鉆取樁端持力層巖土芯樣檢測試件進行檢測(其中單柱單樁全部檢測)，芯樣最小強度為18.1 MPa，符合設計要求。

(2) 采用深層平板載荷試驗或巖基平板載荷試驗，檢測數量不應小于總樁數1%且不少于3點，本工程檢測點數為3點，依據《建筑地基基礎設計規范》附錄H,巖基平板載荷試驗采用直徑300 mm圓形剛性承壓板。試驗最大加載能力不小于設計樁端持力層承載力特征值3倍。荷載分級：按照《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)附錄H第H.0.5條規定，加載時，第一級加載值應為預估值的1/5，以后每級應為預估設計荷載的1/10，某加載點的平板載荷試驗結果見表4。

表4 巖基平板載荷試驗結果

續表

由表4可知，當加載到12 000 kPa時，沉降速率仍保持穩定，最大沉降量為1.978 mm。故將極限荷載除以3可得到基巖的樁端承載力為4 000 kPa，符合設計要求。

(3) 采用低應變進行人工挖孔樁的樁身完整性檢測，檢測數量為100%；所有檢測的樁均為Ⅰ類樁，均符合設計及規范要求。

(4) 對于大直徑嵌巖灌注樁，采用聲波透射法隨機抽查樁身的完整性。規范要求抽檢數量為10%，本工程檢測數量為30%。檢測結果為12根Ⅰ類樁，8根Ⅱ類樁，均符合設計及規范要求。

(5) 人工挖孔樁終孔時，采用釬探法進行樁端持力層檢驗，以檢驗孔底下3倍樁徑或5 m深度范圍內有無土洞、溶洞、破碎帶或軟弱夾層等不良地質條件。本工程對基樁進行了釬探檢測，孔底下3倍樁徑或5 m深度范圍內均無土洞、溶洞、破碎帶或軟弱夾層等不良地質條件，均符合設計及規范要求。

綜合所述，為確保工程質量，本工程依據《建筑基樁檢測技術規范》并采用了比規范更為嚴格的多種檢測方法進行了持力層、樁基承載力和樁身質量核驗。檢測結果均合格，確保了工程質量，為進行下一步施工工序奠定了良好基礎。

4 結 論

(1) 人工挖孔樁雖為限制性用樁，但當樁基設計等級較高，樁端持力層傾斜面大，且無不利施工因素時仍可重點考慮。

(2) 現行規范對嵌巖樁的單樁豎向承載力計算規定有較大區別，本文建議設計嵌巖樁時應優先按照《建筑樁基技術規范》考慮嵌徑比的方法進行計算。

(3) 對于大直徑嵌巖灌注樁，當受設備或者現場條件限制無法檢測單樁豎向抗壓承載力時，可采用其他多種方式綜合核驗樁基承載力。