易興中， 劉鑫燁

(南通建工集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南通 226006)

勁性復(fù)合樁抗拔承載機(jī)理分析與改進(jìn)對(duì)策

易興中， 劉鑫燁

(南通建工集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南通 226006)

由水泥土樁與預(yù)應(yīng)力抗拔管樁組合所形成的勁性復(fù)合樁用于大型多層商業(yè)綜合體建筑的抗浮構(gòu)件，在國(guó)內(nèi)外尚屬首次。本文通過既有勁性復(fù)合抗拔管樁的承載機(jī)理分析、校核與對(duì)比，指出設(shè)計(jì)勁性復(fù)合抗拔樁存在承載力不足、耐久性缺陷，以及主導(dǎo)規(guī)程依據(jù)缺失等問題；根據(jù)靜載試驗(yàn)樁與實(shí)際勁性復(fù)合抗拔樁受力工況條件對(duì)比分析，得出實(shí)際勁性復(fù)合樁的抗拔承載力特征值小于靜載試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)論；并依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行處置改進(jìn)，使柱下獨(dú)立承臺(tái)群樁基礎(chǔ)呈群樁整體破壞，而勁性復(fù)合樁中的剛性管樁與灌芯組合結(jié)構(gòu)，以及剛性樁與承臺(tái)節(jié)點(diǎn)不發(fā)生破壞，此時(shí)，可滿足設(shè)計(jì)抗浮承載能力的要求。

勁性復(fù)合樁； 水泥土樁； 預(yù)應(yīng)力管樁； 抗拔承載力； 靜荷載拉拔試驗(yàn)； 樁體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

大型多層商業(yè)綜合體建筑，常設(shè)有大型地下室，用于建筑物設(shè)備用房、地下停車場(chǎng)等功能性用房；在富含地下水地區(qū)，由于該類建筑物自重荷載小，抗浮穩(wěn)定性設(shè)計(jì)控制是建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，一般采用壓重或設(shè)置抗浮構(gòu)件，而設(shè)置抗浮構(gòu)件措施是較經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。常見的抗浮構(gòu)件分為永久性抗浮錨桿和抗拔樁，抗拔樁分為鋼筋混凝土鉆孔灌樁、先張法預(yù)應(yīng)力抗拔管樁或空心方樁、預(yù)制鋼筋混凝土方樁等形式。

先張法預(yù)應(yīng)力抗拔管樁用于抗拔樁具有經(jīng)濟(jì)、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但因其節(jié)點(diǎn)承載能力控制難度大、施工因素影響環(huán)節(jié)多，以及管樁本身的配筋與構(gòu)造因素，其抗拔承載能力穩(wěn)定性控制較灌注樁及預(yù)制方樁差。

勁性復(fù)合樁是柔性樁與剛性樁經(jīng)復(fù)合施工形成的具有互補(bǔ)增強(qiáng)作用的樁[1]；水泥土樁與預(yù)應(yīng)力管樁組合所形成的樁是勁性復(fù)合樁的一種，水泥土樁、預(yù)應(yīng)力管樁、水泥土樁與預(yù)應(yīng)力管樁組合樁均源于國(guó)外，水泥土樁與預(yù)應(yīng)力管樁組合所形成的勁性復(fù)合樁用于承壓樁或復(fù)合地基，尚有相關(guān)國(guó)家工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程支撐，而水泥土樁與預(yù)應(yīng)力管樁組合所形成的勁性復(fù)合樁用于建筑物的抗拔樁，在國(guó)內(nèi)外尚屬首次。本文結(jié)合工程對(duì)象，依據(jù)國(guó)家及地方相關(guān)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程，對(duì)勁性復(fù)合樁抗拔承載能力機(jī)理進(jìn)行了分析，對(duì)存在的問題制訂了改進(jìn)對(duì)策與建議。

1 設(shè)計(jì)概況

某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑地基及樁基設(shè)計(jì)等級(jí)均為甲級(jí)，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，按7度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，按8度采取抗震措施，建筑物地下二層，地上三層，建筑面積25萬m2，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理使用年限為50年。該工程基礎(chǔ)采用框架柱下鋼筋混凝土承臺(tái)加勁性復(fù)合抗拔樁基礎(chǔ)形式，主要布樁方式為柱下五樁承臺(tái)、柱下四樁承臺(tái)、柱下六樁承臺(tái)，

承臺(tái)覆蓋平面范圍一般為9 m×9 m；基樁形式為等芯柔剛復(fù)合樁(勁性復(fù)合樁)，外芯柔性樁采用粉噴樁或三軸水泥攪拌樁，樁徑D=800 mm，樁長(zhǎng)12 m，水泥等級(jí)42.5級(jí)，摻灰量15%；內(nèi)芯樁采用蘇G/T23-2013(一)圖集[2]中的PHA-500AB(125)-C80，有效樁長(zhǎng)12 m；樁頭與承臺(tái)的錨固處置方法參照文獻(xiàn)[2]P30頁(yè)做法，節(jié)點(diǎn)承載能力設(shè)計(jì)時(shí)考慮管樁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼棒的抗拉承載力作用；勁性復(fù)合樁的抗拔承載力特征值要求為800 kN，樁頂水頭高度為10 m，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋具有弱腐蝕性。設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)樁做法如圖1所示：

圖1 樁基承載力檢測(cè)示意

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，相關(guān)樁基設(shè)計(jì)土層參數(shù)指標(biāo)如表1、表2所示：

表1 預(yù)制樁設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 勁性復(fù)合樁設(shè)計(jì)參數(shù)

2 抗拔承載能力機(jī)理分析

抗拔樁均為摩擦型樁，對(duì)于設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的樁基，其單樁豎向極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)通過單樁靜載試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)，可依據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程，采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算。

2.1 抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

選取建筑物中典型標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)尺寸9 m×9 m進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，水頭10 m，基礎(chǔ)采用五樁承臺(tái)，浮力荷載8100 kN，建筑物自重荷載4998.5 kN，則按GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]：

式中：Gk為建筑物自重與壓重之和(kN)；Tua為抗拔樁單樁抗拔承載力特征值(kN)；Nwk為浮力作用值(kN)。

顯然當(dāng)單樁抗拔承載力特征值控制為800 kN時(shí)，可滿足建筑物抗浮穩(wěn)定性控制要求，在設(shè)計(jì)水位滿足抗浮控制要求的最小單樁抗拔承載特征值可為701.3 kN。

2.2 豎向抗拔承載力計(jì)算

勁性復(fù)合樁的豎向抗拔承載力計(jì)算按JGJ/T 327-2014《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》[1]第4.3.5條相關(guān)公式計(jì)算。群樁呈非整體破壞，勁性復(fù)合抗拔樁破壞面位于內(nèi)、外芯界面時(shí)，單樁豎向抗拔承載力特征值為1055.6 kN；群樁呈非整體破壞，勁性復(fù)合抗拔樁破壞面位于外芯與土界面時(shí)為879 kN；群樁呈整體破壞時(shí)為1175.7 kN。勁性復(fù)合樁單樁豎向抗拔承載力特征值計(jì)算取值879 kN，符合設(shè)計(jì)單樁抗拔承載力特征值800 kN的要求。

2.3 與采用灌注樁用作抗拔樁時(shí)的豎向抗拔承載力比較

灌柱樁樁徑取800 mm，有效樁長(zhǎng)取12 m，則按JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]規(guī)定公式計(jì)算，群樁呈非整體破壞，灌注樁破壞面位于灌注樁與土層界面時(shí)，單樁豎向抗拔承載力特征值為582 kN，群樁呈整體破壞時(shí)為1028 kN，取單樁豎向抗拔承載力特征值為582 kN；當(dāng)灌注樁樁徑由800 mm改為1200 mm時(shí)，其計(jì)算單樁抗拔承載力特征值為909 kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，樁長(zhǎng)為12 m的Φ800灌注樁，其抗拔承載力特征值計(jì)算值(582 kN)，遠(yuǎn)小于水泥土樁樁徑800 mm、內(nèi)芯管樁樁徑為500 mm的勁性復(fù)合樁抗拔承載力計(jì)算特征值(879 kN)；樁長(zhǎng)為12 m的Φ1200灌注樁抗拔承載力計(jì)算特征值與勁性復(fù)合樁的抗拔承載力計(jì)算特征值相當(dāng)。

這是不合理的。可能有人認(rèn)為，勁性復(fù)合樁的形成過程中，勁性樁對(duì)柔性樁有擠擴(kuò)作用，從而增大了外芯與土界面的摩阻力；但是對(duì)于干作業(yè)粉噴樁，勁性樁的壓樁過程也是對(duì)粉噴樁的破壞，粉噴樁橫截面會(huì)受力擠剪破壞，減弱粉噴樁與土界面的摩阻力，以及芯樁與水泥土界面的摩阻力；而對(duì)于濕作業(yè)三軸水泥攪拌樁，勁性樁的壓樁過程對(duì)濕作業(yè)水泥樁的擠擴(kuò)作用完全可忽略不計(jì)，且僅是外徑的略微均勻擴(kuò)張，勁性復(fù)合樁中的水泥土樁與土界面間的摩阻力不會(huì)出現(xiàn)顯著增大現(xiàn)象。

2.4 樁身承載力校核

本工程勁性復(fù)合樁由水泥土樁與預(yù)應(yīng)力管樁組成，勁性復(fù)合樁的樁身抗拉承載能力由預(yù)應(yīng)力管樁決定，勁性復(fù)合樁中的水泥土樁抗拉承載能力完全可忽略不計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，PHA-500AB(125)-C80抗拔管樁樁身的抗拉承載力設(shè)計(jì)值為1059 kN，與荷載效應(yīng)基本組合下實(shí)際勁性復(fù)合樁單樁樁頂所受到的軸向拉力荷載設(shè)計(jì)值基本一致。

式中：Nt為抗拔樁單樁上拔力設(shè)計(jì)值；Nl為預(yù)應(yīng)力管樁抗拉承載力設(shè)計(jì)值。

2.5 抗拔承載力校核

勁性復(fù)合樁與承臺(tái)節(jié)點(diǎn)錨固設(shè)計(jì)做法參照文獻(xiàn)[2]中P30頁(yè)中“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(一)”，文獻(xiàn)[2] 中P31頁(yè) “截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(二)”做法為常規(guī)做法。見圖2所示。

圖2 截樁樁頂與承臺(tái)連接示意

“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(一)”做法認(rèn)為，樁頭的抗拔力由預(yù)應(yīng)力鋼棒與填芯混凝土內(nèi)的鋼筋或填芯混凝土結(jié)構(gòu)與芯壁摩阻力共同承擔(dān)。根據(jù)圖集提供的計(jì)算公式，計(jì)算為：

N1=σ1As1=360×14×10.72×π÷4=453 kN

N2=σ2As2=360×6×202×π÷4=678 kN

N2>K1πd1fnL2=0.8×π×250×0.2×4000÷1000=502.7 kN

N1+N2=453+502.7=955.7 kN>Nt=944.3 kN

式中：N1為樁身預(yù)應(yīng)力鋼筋提供的上拔力設(shè)計(jì)值；N2為填芯混凝土內(nèi)插鋼筋提供的上拔力設(shè)計(jì)值；σ1、σ2分別為預(yù)應(yīng)力鋼筋和內(nèi)插鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，σ1取值宜與σ2相近；As1、As2分別為預(yù)應(yīng)力鋼筋和內(nèi)插鋼筋面積；L2、d1分別為填芯混凝土長(zhǎng)度和直徑；K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.8；fn為填芯混凝土與管樁內(nèi)壁的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，宜由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)時(shí)，取C40微膨脹混凝土為0.2～0.35 N/mm2。

“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(二)”做法認(rèn)為，樁頭的抗拔力由填芯混凝土內(nèi)的鋼筋或填芯混凝土結(jié)構(gòu)與芯壁摩阻力承擔(dān)，而預(yù)留錨固于承臺(tái)的管樁預(yù)應(yīng)力鋼棒僅起到保險(xiǎn)作用。根據(jù)圖集提供的計(jì)算公式，計(jì)算為：

N2=σ2As2=360×6×202×π÷4=678 kN

N2>K1πd1fnL2=0.8×π×250×0.2×4000÷1000=502.7 kN

N2=502.7 kN

根據(jù)文獻(xiàn)[2]做法及計(jì)算公式，采用常規(guī)樁頭錨固做法(“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(二)”)，樁頭節(jié)點(diǎn)承載能力不能滿足樁基所受抗拉設(shè)計(jì)值要求；而根據(jù)“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(一)”做法及計(jì)算公式，考慮預(yù)應(yīng)力鋼棒與承臺(tái)結(jié)構(gòu)的錨固作用下，樁頭節(jié)點(diǎn)承載能力能滿足樁基所受力抗拉設(shè)計(jì)值要求。很顯然，存在如下問題：

(1)“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(二)”中，在確保預(yù)應(yīng)力鋼棒不受損傷的前提條件下，其節(jié)點(diǎn)受力特性與“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(一)”中節(jié)點(diǎn)受力特性完全一致；“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(一)”中預(yù)應(yīng)力鋼棒所受拉力傳遞至端板，必須克服鋼棒與承臺(tái)混凝土的錨固作用，且預(yù)應(yīng)力鋼棒所受到拉力需達(dá)到其屈服強(qiáng)度，但考慮到錨固于承臺(tái)的預(yù)應(yīng)力鋼棒與芯柱插筋所受到的應(yīng)變基本一致性，預(yù)應(yīng)力鋼棒所受拉力傳遞至端板時(shí)，還需要芯柱插筋有較大的屈服變形，這種可能，基本不會(huì)出現(xiàn)。僅能說明，文獻(xiàn)[2]中P30節(jié)點(diǎn)做法與P31節(jié)點(diǎn)做法，效果是一致的。

(2)現(xiàn)實(shí)中，以機(jī)械并人工輔助處置管樁樁頭時(shí)，或多或少使管樁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼棒有損傷，受損傷的預(yù)應(yīng)力鋼棒在受力后極易脆斷，受折彎的預(yù)應(yīng)力鋼棒調(diào)直時(shí)或折彎的預(yù)應(yīng)力鋼棒受力后均會(huì)發(fā)生脆斷現(xiàn)象。因而文獻(xiàn)[2]中“截樁樁頂與承臺(tái)連接詳圖(一)”做法中充分考慮管樁預(yù)應(yīng)力鋼棒的錨固作用是不現(xiàn)實(shí)的。

(3)樁頭處置后，管樁樁頭預(yù)應(yīng)力釋放，至少會(huì)影響承臺(tái)下500～600 mm樁身長(zhǎng)度內(nèi)管樁內(nèi)預(yù)壓力失效，即承臺(tái)下樁頭受力后會(huì)產(chǎn)生裂縫，產(chǎn)生裂縫的預(yù)應(yīng)力管樁在具有腐蝕性的地下水長(zhǎng)期作用下，管樁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼棒會(huì)受到腐蝕，并失效，即便樁頭處置時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼棒未受到任何損傷，受腐蝕的預(yù)應(yīng)力鋼棒自然失去與承臺(tái)的錨固作用。

(4)根據(jù)江蘇省DGJ/TJ 109-2010《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》[5]3.6.4條，管樁本身的抗拉承載能力驗(yàn)算包括樁身抗拉承載能力、接頭連接強(qiáng)度、端板孔口抗剪強(qiáng)度、鋼棒與墩頭連接強(qiáng)度、樁頂填芯混凝土與承臺(tái)連接強(qiáng)度，依次驗(yàn)算，取其中的最小值控制。而樁頂填芯混凝土與承臺(tái)連接強(qiáng)度驗(yàn)算要求中，均僅考慮填芯插筋及填芯混凝土與管芯內(nèi)壁的摩阻力，未考慮錨固于承臺(tái)結(jié)構(gòu)中的管樁預(yù)應(yīng)力鋼棒作用，其它國(guó)家及地方規(guī)范、規(guī)程相關(guān)規(guī)定均類似。因而文獻(xiàn)[2]中P30頁(yè)節(jié)點(diǎn)做法中，樁頭承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式，無相關(guān)國(guó)家及地方標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程支撐依據(jù)，也未見相關(guān)理論支撐依據(jù)。

(5)實(shí)際勁性復(fù)合樁成樁過程中，會(huì)發(fā)生管樁樁頂標(biāo)高高于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高的現(xiàn)象，當(dāng)管樁樁頂高出基礎(chǔ)承臺(tái)結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高時(shí)，樁頂端板自然去除，此時(shí)，文獻(xiàn)[2]中P30頁(yè)節(jié)點(diǎn)做法計(jì)算承載能力設(shè)計(jì)值效果將無法實(shí)現(xiàn)。

(6)文獻(xiàn)[2]中，填芯混凝土長(zhǎng)度控制為不小于3.5 m，且不少于8D，僅是當(dāng)管樁單獨(dú)用作抗拔樁時(shí)對(duì)其樁頭填芯混凝土及其插筋錨固的基本要求，一般工程中PHA-500AB(125)-C80單獨(dú)用作抗拔管樁時(shí)，其抗拔承載力特征值一般設(shè)計(jì)控制為250～300 kN；而該工程的勁性復(fù)合樁外樁徑800 mm，剛性芯柱管樁樁徑為500 mm，設(shè)計(jì)抗拔承載力特征值為800 kN，顯然填芯深度設(shè)計(jì)值存在問題。

(7)設(shè)計(jì)做法中，勁性復(fù)合樁樁頭與承臺(tái)的錨固，依然僅受管樁與承臺(tái)錨固作用效果控制，勁性復(fù)合樁中水泥土樁對(duì)樁頭與承臺(tái)的錨固承載能力不起任何作用。

(8)樁頭與承臺(tái)錨固承載力驗(yàn)算同時(shí)說明，設(shè)計(jì)填芯插筋規(guī)格直徑存在嚴(yán)重不足。

2.6 驗(yàn)收與耐久性問題

勁性復(fù)合樁設(shè)計(jì)主導(dǎo)規(guī)程依據(jù)的文獻(xiàn)[1]中，未提及基樁耐久性控制問題，未涉及勁性復(fù)合樁用于抗拔樁的相關(guān)驗(yàn)收要求內(nèi)容。應(yīng)當(dāng)作四新技術(shù)，按GB 50300-2013《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[6]3.0.5條要求進(jìn)行質(zhì)量控制，即：“當(dāng)專業(yè)驗(yàn)收規(guī)范對(duì)于工程中的驗(yàn)收項(xiàng)目未作出相應(yīng)規(guī)定時(shí)，應(yīng)由建設(shè)單位組織監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工等相關(guān)單位制定專項(xiàng)驗(yàn)收要求。涉及安全、節(jié)能、環(huán)境保護(hù)等項(xiàng)目的專項(xiàng)驗(yàn)收要求應(yīng)由建設(shè)單位組織專家論證?！?/p>

樁基作為建筑物結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其合理設(shè)計(jì)使用年限也為50年，因而也涉及樁基耐久性設(shè)計(jì)與建筑物建造過程中的樁基耐久性質(zhì)量控制。而該工程勁性復(fù)合樁設(shè)計(jì)中的水泥土樁對(duì)勁性復(fù)合樁承載能力的大大提高起到關(guān)鍵作用，而水泥土樁具有不少于50年的耐久性能嗎？水泥土樁本身具有滲透性，不具抗?jié)B性，在地下二類或三類環(huán)境中，受弱腐蝕性地下水的長(zhǎng)期作用，其性能會(huì)退化，會(huì)削弱其勁性復(fù)合樁中的復(fù)合作用。因而水泥土樁或由水泥樁為主體之一所組成的復(fù)合樁，一般用于地基承載能力要求相對(duì)較低復(fù)合地基中，且對(duì)于永久性建筑物，也僅利用其承壓作用，充分考慮樁土、樁與承臺(tái)的共同協(xié)調(diào)作用；用于承拉或承彎結(jié)構(gòu)，也僅是作用于臨時(shí)結(jié)構(gòu)中，如支護(hù)結(jié)構(gòu)中擋土結(jié)構(gòu)兼作止水帷幕，拉錨樁的錨固體等。

因而，勁性復(fù)合樁用于抗拔樁使用時(shí)，其主導(dǎo)規(guī)程依據(jù)缺失，應(yīng)按相關(guān)四新技術(shù)驗(yàn)收控制要求處置；勁性復(fù)合樁用于建筑物的永久性抗構(gòu)件，其基樁耐久性值得商榷。

3 靜載試驗(yàn)樁的試驗(yàn)工況條件下承載力分析

3.1 試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)結(jié)果情況

根據(jù)設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)樁做法示意(圖1)，選取三根樁長(zhǎng)為22 m的勁性復(fù)合樁，在地面進(jìn)行了破壞性靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)樁的抗拔極限承載力分別為：3185、3503、3185 kN。

由于該工程勁性復(fù)合樁的有效樁長(zhǎng)為12 m，而實(shí)際試驗(yàn)樁的樁長(zhǎng)為22 m，為考慮地面10 m段樁長(zhǎng)的影響，選取三根樁長(zhǎng)為10 m的勁性復(fù)合樁，在地面進(jìn)行了破壞性靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)樁的抗拔極限承載力分別為：1040、1248、1248 kN。

根據(jù)試驗(yàn)樁檢測(cè)結(jié)果，有效樁長(zhǎng)為12 m的勁性復(fù)合樁在設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況條件下的極限抗拔承載力在1937～2463 kN間，可取1937 kN。

3.2 工程樁靜載試驗(yàn)抽樣試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)樁做法示意(圖1)，選取總樁數(shù)1%的工程樁在地面進(jìn)行了靜載檢測(cè)，靜載試驗(yàn)樁的樁長(zhǎng)均為22 m，檢測(cè)單樁極限抗拔承載力要求為2900 kN，對(duì)應(yīng)的是有效樁長(zhǎng)為12 m的勁性復(fù)合樁800 kN的抗拔承載力特征值，檢測(cè)數(shù)據(jù)的取用與試驗(yàn)樁結(jié)果一致。其樁基靜載檢測(cè)結(jié)果，全部33根靜載檢測(cè)樁的極限抗拔承載力均為2900 kN，各樁均未出現(xiàn)極限荷載狀態(tài)，檢測(cè)過程樁基最大上拔量在2.49～26.70 mm，各試驗(yàn)樁最大回彈量在0.04～21.67 mm，各試驗(yàn)樁的上拔變形量值均較小，各試驗(yàn)基樁均有不可恢復(fù)變形。

3.3 靜載試驗(yàn)樁工況條件下樁基抗拔承載力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)樁做法示意(圖1)，在內(nèi)徑不大于250 mm的管腔中，設(shè)置了14根1×7ф15.24-1960鋼鉸束，未采用壓力灌漿填芯，而采用普通微膨脹C40混凝土全程灌芯，是不可能保證內(nèi)芯混凝土的密實(shí)度，實(shí)際基坑開挖后，全數(shù)靜載試驗(yàn)樁的內(nèi)腔表觀質(zhì)量現(xiàn)象為：有填芯混凝土部位的混凝土呈離析、松散狀，大部分管芯為空腔，說明試驗(yàn)樁樁端錨具與端板起到關(guān)鍵作用。設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)樁結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)樁結(jié)構(gòu)受力

顯然，靜載試驗(yàn)樁的試驗(yàn)拉力荷載通過鋼鉸束傳遞至樁底部端板，勁性復(fù)合板樁所受拉力荷載由樁底向頂端傳遞，無論是勁性樁中的水泥土樁，還是勁性樁中的預(yù)應(yīng)力管樁均受壓。

而根據(jù)該工程的設(shè)計(jì)圖紙，勁性抗拔樁實(shí)際受力工況是：基礎(chǔ)承臺(tái)受浮力作用，勁性樁所受到的拉力是通過承臺(tái)與管樁連接灌芯樁頭結(jié)構(gòu)由樁頂逐步向樁底部傳遞。工程樁結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 工程樁結(jié)構(gòu)受力

工程所用勁性復(fù)合板樁所受拉力荷載通過承臺(tái)與管樁連接灌芯樁頭結(jié)構(gòu)由樁頂部逐步向樁底部傳遞，無論是勁性樁中的水泥土樁，還是勁性樁中的預(yù)應(yīng)力管樁均受拉。

顯然，靜載試驗(yàn)樁的設(shè)計(jì)工況條件，與實(shí)際工程樁的受力工況條件有著顯著的差異，類似壓力型錨桿與拉力型錨桿的區(qū)別。如圖5所示[7，8]。

圖5 拉力型工程樁與壓力型試驗(yàn)樁樁土粘結(jié)應(yīng)力分布示意

試驗(yàn)樁樁土粘結(jié)應(yīng)力峰值出現(xiàn)在樁下端，隨所受拉力荷載的增大，粘結(jié)應(yīng)力峰值逐步由樁底端向樁上方移動(dòng)；實(shí)際工程樁樁土粘應(yīng)力峰值出現(xiàn)在樁上端，隨所受拉力荷載的增大，粘結(jié)應(yīng)力峰值逐步由樁上端向樁下端方向移動(dòng)。對(duì)于靜載試驗(yàn)樁，由于預(yù)應(yīng)力管樁受壓強(qiáng)度及水泥土樁受壓強(qiáng)度均大于其受拉強(qiáng)度，勁性復(fù)合樁樁體在靜載試驗(yàn)過程處在良好受力狀態(tài)，水泥土樁受壓過程會(huì)對(duì)土壁產(chǎn)生一定的徑向力，從而有效增大了樁土間摩阻力，提高樁的抗拔承載力；同時(shí)在彈塑性條件下，靜載試驗(yàn)樁的抗壓變形剛度大。而對(duì)于實(shí)際工程樁，其基樁受力過程的受拉變形剛度在克服管樁的預(yù)壓應(yīng)力后由管樁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼棒決定，這就是靜載試驗(yàn)樁的上拔變形量較小的原因。根據(jù)文獻(xiàn)[7，8]資料，同等條件下，壓力型錨桿極限抗拉承載力比拉力型錨桿極限抗拉承載力大，其比值在1.5～2.0間，并受錨桿錨固段長(zhǎng)徑比的影響。該工程勁性復(fù)合樁實(shí)際受力工況相當(dāng)于拉力型錨桿，而靜載試驗(yàn)樁受力工況相當(dāng)于壓力型錨桿；根據(jù)試驗(yàn)樁試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)樁的極限抗拔承載力在1937～2463 kN間，可推斷，實(shí)際工程勁性復(fù)合樁的單樁極限抗拔承載力在1291～1642 kN間，實(shí)際工程中勁性復(fù)合樁會(huì)發(fā)生單樁抗拔承載力特征值小于設(shè)計(jì)所要求的800 kN現(xiàn)象，當(dāng)然這種判斷尚未考慮水泥土樁耐久性缺陷的不利影響。

4 抗拔承載能力控制改進(jìn)對(duì)策

4.1 抗拔承載能力控制改進(jìn)對(duì)策

根據(jù)本文2、3部分分析內(nèi)容，該工程勁性復(fù)合抗拔樁的承載力存在問題，需采取有效改進(jìn)措施。

(1)改進(jìn)承臺(tái)與樁頭連接的承載能力，并通過改進(jìn)管樁填芯結(jié)構(gòu)與管樁嚴(yán)密的疊合作用，保證勁性復(fù)合樁中管樁的承載能力，將勁性復(fù)合樁可能失效的破壞界面發(fā)生于管樁與水泥土樁側(cè)或發(fā)生于水泥土與土層界面，并確保勁性復(fù)合樁樁頭與承臺(tái)節(jié)點(diǎn)、管樁樁身不發(fā)生受拉破壞或受拉管樁產(chǎn)生裂縫后的受腐蝕破壞。

(2)通過試驗(yàn)改進(jìn)打鑿樁頭工藝方法(機(jī)械切除管樁根部鋼棒混凝土保護(hù)層混凝土，切斷樁頭箍筋，千斤頂分段擠壓破碎樁頭、人工逐段鑿除清理)，盡量避免對(duì)管樁鋼棒的損傷、折彎，并保留管樁端板。從而保證樁頭與承臺(tái)節(jié)點(diǎn)盡量滿足文獻(xiàn)[2]中P30頁(yè)節(jié)點(diǎn)做法，充分利用管樁中預(yù)應(yīng)力鋼棒的保險(xiǎn)作用。

(3)管樁管芯內(nèi)填有水泥土的樁，采用專用機(jī)械鉆孔清理樁內(nèi)水泥土，控制管芯內(nèi)可灌芯深度不小于8 m，保證每一管樁樁頭的填芯深度。

(4)對(duì)管樁內(nèi)壁采用機(jī)械鑿毛，控制樁芯內(nèi)壁鑿毛深度不小于2 m。以此加大管芯內(nèi)壁摩陰力，并充分保證管樁填芯結(jié)構(gòu)與管樁的疊合作用效應(yīng)。

(6)樁內(nèi)填芯混凝土深度由設(shè)計(jì)4 m，改為全程灌芯，有效填芯深度不小于8 m，灌芯混凝土采用C40自密實(shí)微膨脹混凝土。

通過上述(2)～(6)的改進(jìn)措施，樁頭承載能力得到有效提高，按文獻(xiàn)[5]計(jì)算如下：

N2=σ2As2=360×6×252×π÷4=1060 kN

N2

N2=1060 kN>Nt=944.3 kN

(7)建議建設(shè)相關(guān)責(zé)任主體方通過設(shè)計(jì)計(jì)算校核，必要時(shí)額外采取加大樓層結(jié)構(gòu)配重或其它有效提高建筑物抗浮承載能力的措施。

4.2 灌芯結(jié)構(gòu)抗拔檢測(cè)試驗(yàn)

灌芯結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)原位拉拔檢測(cè)試驗(yàn)表明，加大管樁芯內(nèi)插筋規(guī)格與長(zhǎng)度，增加管樁填芯深度，可有效增強(qiáng)管樁與填芯結(jié)構(gòu)的疊合作用效應(yīng)，保證填芯結(jié)構(gòu)與管樁間的粘結(jié)應(yīng)力分布有效下移，從而使勁性復(fù)合樁樁土粘結(jié)應(yīng)力分布更為合理，有效提高樁身承載能力，使基樁有效抗拔承載能力最大化。試驗(yàn)過程樁基應(yīng)變圖形表明，現(xiàn)場(chǎng)所采取的處置措施是有效可靠的。

5 改進(jìn)后的勁性復(fù)合樁抗拔承載能力分析

選取該工程框架柱下典型五樁承臺(tái)基礎(chǔ)，不考慮水泥土樁作用，樁體為管樁與填芯結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)，群樁呈整體破壞時(shí)，其抗拔承載能力特征值計(jì)算為932 kN。

根據(jù)改進(jìn)后的基樁原位靜載拉拔檢測(cè)試驗(yàn)，三根基樁彈性變形量極小，基樁均始終處于彈性工作狀態(tài)，按文獻(xiàn)[9]，考慮群錨效應(yīng)的減弱影響，土層內(nèi)摩擦角為31°，最小樁間距為2.4 m，樁長(zhǎng)12 m，則基樁呈非整體破壞時(shí)的最小抗拔承載能力特征值(承臺(tái)群樁中的中間樁)可為1059×0.7=741.3 kN。

計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)后的勁性復(fù)合樁抗拔承載能力可滿足建筑物在設(shè)計(jì)抗浮水位下的抗浮控制要求。

6 結(jié)論

(1)依據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程，采用經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算與分析，既有勁性復(fù)合樁外芯水泥土樁樁徑800 mm、內(nèi)芯樁PHA-500AB(125)-C80，內(nèi)外芯有效樁長(zhǎng)12 m，其抗拔承載力計(jì)算特征值大于等長(zhǎng)直徑為800 mm的灌注樁抗拔承載力特征值，并與等長(zhǎng)、直徑為1200 mm的灌注樁抗拔承載力計(jì)算特征值相當(dāng)，這是不現(xiàn)實(shí)的。

(2)勁性復(fù)合樁的樁頭與承臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)的承載能力，決定于管樁樁頭與承臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)承載能力，與是否為勁性復(fù)合樁無關(guān)聯(lián)。

(3)文獻(xiàn)[2]中P30頁(yè)管樁樁頭與承臺(tái)連接節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算方法可靠度不足，無相關(guān)國(guó)家及地方標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程支撐依據(jù)，無相關(guān)理論支撐依據(jù)；管樁樁頭處理后，將釋放預(yù)應(yīng)力后的管樁預(yù)應(yīng)力鋼棒錨固于承臺(tái)結(jié)構(gòu)中，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)承載力起保險(xiǎn)作用；設(shè)計(jì)所參照文獻(xiàn)[2]的樁頭節(jié)點(diǎn)做法存在承載能力嚴(yán)重不足的問題。

(4)作為勁性復(fù)合抗拔樁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵組成部分的水泥土樁存在耐久性缺陷，在地下二類或三類環(huán)境中，受弱腐蝕性地下水的長(zhǎng)期作用，其性能會(huì)退化，會(huì)削弱其在勁性復(fù)合樁中的復(fù)合作用；當(dāng)勁性復(fù)合樁用于永久性建筑物基礎(chǔ)抗浮構(gòu)件時(shí)，應(yīng)弱化或忽略其外芯水泥土樁的作用。

(5)設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)樁的工況條件不符合勁性復(fù)合樁實(shí)際受力工況條件要求，也不符合相關(guān)國(guó)家及地方標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程的要求；不考慮勁性復(fù)合樁結(jié)構(gòu)耐久性能影響的前提條件下，實(shí)際工程勁性復(fù)合樁的單樁極限抗拔承載力在1291～1642 kN間，會(huì)發(fā)生基樁單樁抗拔承載力特征值小于設(shè)計(jì)要求值的現(xiàn)象。

(6)通過系列技術(shù)措施改進(jìn)，增強(qiáng)樁頭與承臺(tái)結(jié)構(gòu)連接承載能力，保證填芯結(jié)構(gòu)與樁身結(jié)構(gòu)疊合作用，使剛性樁與填芯結(jié)構(gòu)形成可靠的組合結(jié)構(gòu)，有效提高剛性樁樁身抗拉承載能力，保證單樁最小抗拔承載能力，控制承臺(tái)樁基呈群樁整體性破壞形式，此時(shí)改進(jìn)后的勁性復(fù)合樁抗拔承載能力可滿足建筑物在設(shè)計(jì)抗浮水位下的抗浮控制要求。

(7)勁性復(fù)合樁用作抗浮構(gòu)件，存在主導(dǎo)規(guī)程依據(jù)缺失問題，應(yīng)按文獻(xiàn)[6]中相關(guān)四新技術(shù)要求進(jìn)行驗(yàn)收控制。

[1] JGJ/T 327-2014, 勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 蘇G/T23-2013(一), 先張法預(yù)應(yīng)力混凝土抗拔管樁(一)[S].

[3] GB 50007-2011, 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JGJ 94-2008, 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[5] DGJ32/TJ 109-2010, 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程[S].

[6] GB 50300-2013, 建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] 張健超. 壓力型與拉力型錨桿的承載性狀雙比分析研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南科技大學(xué), 2012.

[8] 吳曙光, 張永興, 康 明. 壓力型和拉力型錨桿工作性能對(duì)比研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2008, (5): 45-49.

[9] 程良奎, 李象范. 巖土錨固·土釘·噴射混凝土——原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

Uplift Bearing Mechanism Analysis and Improvement Countermeasures of Strength Composite Pile

YIXin-zhong,LIUXin-ye

(Nantong Construction Group Co Ltd， Nantong 226006， China)

Strength composite pile composed of concrete soil pile and pre-stressed pull-out bearing pile is used as anti-floating components of large-scale commercial complex building, which is the first time in our country. The paper points out strength composite pile’s shortcomings of insufficient bearing capacity and duration through bearing mechanism analysis, check and comparison of strength composite pile, as well as problem of missing leading regulation basis; gets the conclusion that strength composite pile’s characteristic value of uplift bearing capacity is less than static load test result according to comparative analysis of stress condition of static test pile and practical strength composite pile. According to analysis it make some improvements of strength composite pile in order that independent bearing pile caps under pile have overall damage, while rigid pipe pile, filling and core composite structures, rigid pile and bearing joint will not be damaged, at this point, regardless of calculation characteristic value of single-pile bearing strength of cement soil pile composite effect, it will satisfy requirements of anti-floating bearing capacity.

strength composite pile; cement soil pile; prestress pipe pile； uplift bearing capacity; static pull-out load test； pile structure improvement

2016-03-08

2016-04-29

易興中(1967-)，江蘇南通人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)槭┕ぜ夹g(shù)(Email：931046556@qq.com)

TU473.1

A

2095-0985(2016)06-0026-07