武漢周大福金融中心后壓漿大直徑嵌巖樁承載力計算

楊雙樂

(武漢市勘察設計有限公司,湖北 武漢 430022)

0 引言

武漢周大福金融中心是新世界集團在全國布局的第三座周大福金融中心,是武漢市未來的地標式建筑。在其結構設計過程中,樁基承載力驗算是非常重要的一環(huán)。擬采用后壓漿大直徑嵌巖樁,該樁型具有承載力高、沉降變形小的特點。關于計算后壓漿大直徑嵌巖樁的樁基承載力特征值,涉及的規(guī)范和公式較多,各公式中考慮的條件因素和參數(shù)取值也因人而異,不同的考量導致結算結果偏差較大。在對塔樓樁基設計時,甚至出現(xiàn)了因單樁豎向承載力計算結果偏低導致布置樁數(shù)過多、不滿足最小中心距2.5d的情況;或者因設計樁長入巖深度大而施工困難。大直徑、嵌巖石、后壓漿和大樁長等工況的復合,樁基受力機理和破壞模式理論上十分復雜,本文只從實際應用的角度,從規(guī)范公式選取、考慮三向應力狀態(tài)下樁端巖石三軸抗壓強度等方面分析比較,對后壓漿大直徑嵌巖樁單樁承載力進行優(yōu)化,對類似條件下尤其是未做樁基靜載試驗的樁基承載力計算具有很好的借鑒意義。

1 工程資料

工程占地面積66 200 m2,總建筑面積650 929 m2,其中地上393 874 m2,地下257 055 m2,辦公面積249 053 m2,住宅79 780 m2,商業(yè)39 805 m2。場地±0.00=24.85 m,1號辦公樓層數(shù)85層,高度約475 m;2號商業(yè)樓層數(shù)2層～3層,高度20 m～24 m;3號及4號住宅樓層數(shù)52層,高度約186 m;地下室約5層,其底板相對埋深為29.6 m～32.6 m。1號辦公大樓結構擬采用核心筒+巨型柱結構,3號及4號住宅樓擬采用框架+剪力墻結構,基坑支護形式擬采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐。根據(jù)勘察報告,場地的巖土層參數(shù)如表1所示。本工程屬超高層建筑,荷重大,地下室埋藏深,在綜合考慮上部結構特征和地質(zhì)條件后,各建筑基礎形式擬定采用樁筏基礎,樁型采用鉆孔灌注樁,樁端進入⑥-2中風化泥巖4.0 m～9.8 m,直徑為1 000 mm,為減少入巖深度采用了樁側樁端后壓漿保證樁基承載力。

表1 場地地層物理力學性質(zhì)表

2 各規(guī)范計算方法比較

涉及建筑嵌巖樁單樁豎向承載力計算的國家標準有GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范,行業(yè)規(guī)范主要有JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范[1]和JGJ/T 72—2017高層建筑巖土工程勘察標準[2],地方規(guī)范有湖北省地方標準DB42/242—2014建筑地基基礎技術規(guī)范,各計算公式如表2所示。其中國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》與湖北省地方標準《建筑地基基礎技術規(guī)范》[3]中的公式表達一致,故不再單獨列出討論。

表2 樁基承載力各規(guī)范計算公式比較表

經(jīng)過比較表2中各規(guī)范公式和相關條文,可以得出以下幾點：

1)各規(guī)范公式對嵌巖樁承載力實質(zhì)上都是側阻力和端阻力的疊加,從形式上看區(qū)別在于土層段和嵌巖段側阻力是否分開表達。JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范分開表達,將側阻力分為土層段側摩阻力和嵌巖段側阻力,嵌巖段側阻力和端阻力通過frk合并為總阻力。DB 42/242—2014建筑地基基礎技術規(guī)范合并表達,嵌巖部分的側摩阻力和端阻力參數(shù)通過frk查取規(guī)范表格中的經(jīng)驗值。JGJ/T 72—2017高層建筑巖土工程勘察標準分開表達,嵌巖段的側摩阻力和端阻力參數(shù)也是通過frk查取規(guī)范表格中的經(jīng)驗值。

2)DB 42/242—2014建筑地基基礎技術規(guī)范中的式(3)完全沒有考慮樁側摩阻力,只適用于進入完整硬質(zhì)巖較淺的短樁,在樁長較長且入巖較深時不能使用。

3)關于嵌巖樁大直徑的尺寸效應,JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范式(4)沒有明確的規(guī)定,而式(2)和式(5)在規(guī)范中只提及到土層的尺寸效應系數(shù),它來源于大量樁基載荷試驗結果統(tǒng)計數(shù)據(jù),大直徑嵌巖樁可能是缺少這方面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。一般來說嵌巖段孔壁較穩(wěn)定,而土層孔壁因應力釋放會松弛,《建筑樁基技術規(guī)范應用手冊》[4]中明確闡述了嵌巖段的側阻力和端阻力不考慮尺寸效應系數(shù),但計算嵌巖段以上土層側阻力時應考慮。

4)關于后壓漿的提高系數(shù),JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范式(6)有明確的規(guī)定,其他兩本規(guī)范只說明承載力應通過靜載試驗確定,對如何估算無具體規(guī)定,計算時參照式(6)的規(guī)定執(zhí)行。

5)JGJ/T 72—2017高層建筑巖土工程勘察標準式(7)與DB 42/242—2014建筑地基基礎技術規(guī)范式(1)比較,算法上都是查取規(guī)范經(jīng)驗值來確定樁基參數(shù),只不過前者計算極限承載力標準值,后者是計算承載力特征值。后者規(guī)范中取值是基于大量載荷試驗驗證的地方經(jīng)驗,取值上更為可靠。

綜上,對武漢周大福金融中心后壓漿大直徑嵌巖樁單樁豎向承載力可選用式(1)和式(4)為基礎計算,同時應考慮上部土層的尺寸效應和后壓漿提高效應,相關系數(shù)參照其他幾條相應公式中的規(guī)定。

3 考慮樁端巖石三向應力狀態(tài)

式(4)計算嵌巖樁的豎向極限承載力考慮的影響因素較為全面,如成樁工藝、樁底巖石堅硬程度、深徑比、清底狀況等均有涉及[5-6],但是公式中frk為巖石單軸飽和抗壓強度,可以認為是無圍壓下的巖石單向受力狀態(tài)下的強度,與樁端巖石實際三向應力狀態(tài)(如圖1所示)不符。根據(jù)庫侖強度準則,樁端下巖石小單元體三向主應力存在如下關系：

(8)

(9)

(10)

實際上式(10)是一種近似解,樁受嵌巖段巖石的側向約束,由于縱橫向變形的差異,在樁頂外荷載增加下樁側巖石對樁身產(chǎn)生的附加圍壓σ3隨之增加,用樁端處巖石的自重應力pcz計算應有一定的誤差,但滿足實際設計應用。在對武漢周大福金融中心旁壓試驗的原位測試數(shù)據(jù)中的初始壓力p0進行統(tǒng)計分析后,發(fā)現(xiàn)與式(10)計算結果接近,但旁壓試驗與巖石地應力的相關性沒有成熟研究,故實際計算中不以其相關測試數(shù)據(jù)為準。對于上述公式中c,φ值應采用三軸壓縮強度試驗模擬三向應力狀態(tài)下的真實數(shù)據(jù)，不宜采用巖石的經(jīng)驗值或直剪試驗值。為保證數(shù)據(jù)代表性，武漢周大福金融中心共完成10組三軸壓縮強度試驗(其中典型的1組試驗成果見圖2)，經(jīng)統(tǒng)計后采用c=14.17 MPa，φ=32.9°，μ=0.14。

4 計算及試樁結果驗證分析

4.1 后壓漿大直徑嵌巖樁單樁豎向承載力公式計算

算法1：以DB 42/242—2014建筑地基基礎技術規(guī)范式(1)為基礎,考慮大直徑和后注漿,公式形式為：Ra=βpqpaAp+up∑ψsiβsiqsiali,強風化段不考慮尺寸效應。假設有效樁長25.2 m,從地面下30 m計起,入中風化巖9.0 m,樁徑d=1 000 mm,查規(guī)范表ψsi=0.928,則Ra=1.1×2 800×3.14×0.52+3.14×1.0×(0.928×1.8×26×4.3+0.928×1.8×33×9.2+0.928×1.9×50×1.1+1.5×60×1.6+1.0×170×9.0)=10 157.46 kN。

算法2：以JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范式(4)為基礎,考慮大直徑和后注漿,公式形式為Quk=u∑ψsiβsiqsikli+ζrfrkAp,強風化段不考慮尺寸效應,后壓漿則ζr提高1.2倍。假設有效樁長25.2 m,從地面下30 m計起,入中風化巖9.0 m,樁徑d=1 000 mm,查規(guī)范表ψsi=0.928,ζr=1.2×1.71=2.06,則Quk=3.14×1.0×(0.928×1.8×50×4.3+0.928×1.8×60×9.2+0.928×1.9×90×1.1+1.5×115×1.6)+1.71×1.2×12 700×3.14×0.52=25 895.12 kN,Ra=0.5Quk=12 947.56 kN。

4.2 試樁結果驗證分析

試樁于2021年3月21日～5月22日之間進行,采用慢速維持荷載法共試樁17根,均為破壞性試樁。其中,錨樁法抗拔靜載6根,樁徑800 mm,樁端層位⑤或⑥-1層。堆載法抗壓靜載11根,樁徑1 000 mm,樁端層位為⑥-2層中風化泥巖,為對比基坑開挖段的側阻影響,11根試樁中8根使用雙套筒,3根不使用雙套筒,抗壓最大加載量27 500 kN～32 100 kN。根據(jù)試樁附近的鉆孔地層,按與試樁相同條件,采用4.1節(jié)中三種算法計算,其單樁豎向承載力特征值對比如圖3所示。

可以看出,采用算法1的結果最小,算法2其次,采用算法3與壓樁成果最為接近,差值僅在3.5%以內(nèi)。算法1中樁基參數(shù)系地方規(guī)范中經(jīng)驗值,說明地方規(guī)范中取值較為保守,若采用算法1進行樁基設計,應根據(jù)試樁成果對樁基參數(shù)優(yōu)化。

5 結語

后壓漿大直徑嵌巖樁豎向承載力計算目前規(guī)范中沒有直接的公式,武漢周大福金融中心按照DB 42/242—2014建筑地基基礎技術規(guī)范和JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范中的基礎公式來計算,同時考慮上部土層的尺寸效應和后壓漿提高效應,相關系數(shù)參照規(guī)范其他公式中的規(guī)定。經(jīng)過計算比較,采用JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范中的嵌巖樁計算公式,在考慮樁端巖石三向應力狀態(tài)后的算法與實際試樁結果最為接近,該算法為其他類似工程提供了思路和參考。當然,后壓漿大直徑嵌巖樁承載力影響因素較多,多重條件復合,計算理論目前還不成熟,在此情況下,應結合樁基靜載試驗綜合分析確定單樁豎向承載力。