朱建輝

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

0 引言

樁基作為城市房屋建設(shè)中主要的基礎(chǔ)型式之一，其設(shè)計(jì)需要以巖土工程勘察報(bào)告為主要依據(jù)。而巖土工程勘察報(bào)告是以現(xiàn)場各個(gè)勘探孔的數(shù)據(jù)為依托編制，當(dāng)現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜，如局部存在孤石，地層整合不規(guī)則，加上地層起伏較大時(shí)，巖土工程勘察報(bào)告的地層分界線就不能完全反應(yīng)工程場地實(shí)際的地質(zhì)情況。若設(shè)計(jì)人員未做針對性的設(shè)計(jì)，則現(xiàn)場施工時(shí)，易造成樁長不足或樁端未達(dá)到持力層的情況，從而在工程樁按國家規(guī)范要求進(jìn)行豎向抗壓承載力檢測時(shí)[1]，出現(xiàn)不滿足基樁豎向抗壓承載力要求的情況。此時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況對基礎(chǔ)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和補(bǔ)樁。若采用Winkler模型進(jìn)行補(bǔ)樁計(jì)算，則將提高已施工基樁的利用率。本文以某工程實(shí)例，詳細(xì)介紹其實(shí)用方法。

1 工程概況

某工程位于泉州市石獅市，基礎(chǔ)采用沖(鉆)孔灌注樁，設(shè)計(jì)確定的樁端持力層均為中風(fēng)化花崗巖，該工程的基樁平面布置如圖1所示。該工程共111根工程樁，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范的要求[1]，基樁施工完畢后，應(yīng)采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)收檢測，數(shù)量為不少于1%總樁數(shù)且不少于3根。故抽選30#、46#、73#基樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)。各基樁的荷載-沉降(Q-s)曲線如圖2～圖4所示。豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，30#、73#基樁的豎向抗壓承載力滿足設(shè)計(jì)要求，46#樁尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)值其樁頂總沉降量已超過40mm[2]，故該基樁豎向抗壓承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 樁位平面布置圖

圖2 30#基樁Q-s曲線圖

圖3 46#基樁Q-s曲線圖

圖4 73#基樁Q-s曲線圖

因檢測結(jié)果出現(xiàn)單樁豎向抗壓承載力不滿足設(shè)計(jì)要求的情況，故擴(kuò)大檢測范圍，再抽檢2根基樁，樁號為24#和58#。各基樁的荷載-沉降(Q-s)曲線如圖5～圖6所示。擴(kuò)大檢測范圍的豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果顯示，24#樁和58#樁尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)值，其樁頂總沉降量已超過40mm，故基樁豎向抗壓承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 24#基樁Q-s曲線圖

圖6 58#基樁Q-s曲線圖

基于上述結(jié)果，遂對現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)勘，在每個(gè)承臺處均進(jìn)行鉆探，典型的地質(zhì)鉆孔柱狀圖如圖7所示，同時(shí)選取9根樁進(jìn)行鉆芯取樣來確定樁身完整性及樁端持力層情況。根據(jù)每個(gè)承臺處的補(bǔ)勘鉆孔資料和基樁施工記錄確定的樁長，結(jié)合鉆芯取樣結(jié)果，計(jì)算并復(fù)核111根已施工的基樁的樁端持力層及基樁豎向抗壓承載力，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。從表1可知，由于現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜，存在中風(fēng)化花崗巖夾層， 且樁基施工存在較大誤差，大部分基樁的樁端持力層均未進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖，基樁豎向抗壓承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。

場地地基巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)具體如表2所示。綜合場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境等因素，該工程的基礎(chǔ)工程具有以下特點(diǎn)。

表1 基樁樁端持力層及豎向抗壓承載力復(fù)核結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 地基巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)地質(zhì)條件復(fù)雜，各土層厚度變化較大，原設(shè)計(jì)的樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，持力層埋藏深度變化較大；

(2)現(xiàn)有基樁受地層和施工質(zhì)量控制影響，大部分基樁的樁端持力層和豎向抗壓承載力均不滿足設(shè)計(jì)要求；

(3)地下室底板標(biāo)高位于殘積粘性土的埋藏范圍內(nèi)，殘積粘性土地基承載力特征值較大，壓縮模量較高。

圖7 典型的地質(zhì)鉆孔柱狀圖

2 補(bǔ)樁方案

2.1 方案比選

該工程原設(shè)計(jì)除核心筒范圍內(nèi)采用樁筏基礎(chǔ)外，其余范圍采用柱下獨(dú)立樁基承臺的基礎(chǔ)型式，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮樁間土的豎向抗壓承載力。

按原設(shè)計(jì)思路，當(dāng)僅個(gè)別基樁不滿足豎向抗壓承載力要求，可在滿足規(guī)范要求樁間距的前提下，在相應(yīng)基樁附近增加基樁數(shù)量以彌補(bǔ)原單樁或群樁豎向抗壓承載力不足的問題。當(dāng)大部分基樁均不滿足豎向抗壓承載力要求，則因補(bǔ)樁空間有限，造成基樁間距不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的，已施工基樁只能作為廢樁處理，這將導(dǎo)致補(bǔ)樁數(shù)量巨大。

若采用復(fù)合樁基的設(shè)計(jì)思路，即采用Winkler模型進(jìn)行補(bǔ)樁計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)考慮樁間土的豎向抗壓承載力，在滿足基礎(chǔ)豎向抗壓承載力的前提下，減少補(bǔ)樁數(shù)量，避免大面積補(bǔ)樁造成已施工基樁成為廢樁，提高已施工基樁的利用率。

該工程地下室底板位于殘積粘性土層，地基承載力較大，且原基樁完整性符合規(guī)范要求，基樁持力層及豎向抗壓承載力未滿足原設(shè)計(jì)要求的基樁占已施工基樁數(shù)量的92.8%。綜合考慮工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)方案的可行性，為充分利用已施工基樁的豎向抗壓承載力，根據(jù)樁土共同作用的原理對基礎(chǔ)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，即在地下室全部范圍內(nèi)采用樁筏基礎(chǔ)，如圖8所示，將殘積粘性土作為地下室底板板底持力層，樁和樁間土共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向荷載，主樓范圍內(nèi)筏板厚度2000mm，主樓范圍以外一般區(qū)域的筏板厚度為700mm，原樁基承臺處筏板局部加厚為1000mm。

復(fù)合樁基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于合理確定土體豎向剛度和樁身豎向剛度。若土體豎向剛度取值過大，則樁間土承擔(dān)的荷載會偏大，造成基樁在實(shí)際工作狀態(tài)下，荷載大于理論計(jì)算，使得樁基偏于不安全。若樁身豎向剛度取值偏大，則在實(shí)際工作狀態(tài)下，樁身豎向抗壓承載力未得到充分發(fā)揮，工程上造成一定的浪費(fèi)。

圖8 復(fù)合樁基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

2.2 土體豎向剛度的初步確定

因現(xiàn)場樁基施工在工程地下室開挖之前完成，故要確定地下室底板地基土——?dú)埛e粘性土的土體豎向剛度，無法通過載荷試驗(yàn)確定。本文不采用地質(zhì)勘查報(bào)告的壓縮模量經(jīng)驗(yàn)值，而采用各補(bǔ)充勘察孔內(nèi)的沿土層不同深度所做的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值來間接推算土體的壓縮模量，進(jìn)而通過沉降計(jì)算，確定土體的剛度取值，即基底基床系數(shù)的取值。

殘積粘性土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值與土體壓縮模量的非線性關(guān)系，Es=0.4023N+2.9048，砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值與土體壓縮模量的非線性關(guān)系，Es=0.5613N+3.8965[3]。各土層壓縮模量計(jì)算結(jié)果如表3所示。

基底基床系數(shù)的計(jì)算，以基床系數(shù)的定義為依據(jù)，即附加應(yīng)力/基底的沉降值?；壮两抵蛋词?1)計(jì)算[2]，附加應(yīng)力P0的大小根據(jù)PKPM計(jì)算結(jié)果確定。在應(yīng)用式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在基底附加應(yīng)力基本一致的前提下，通過各勘察孔的勘察數(shù)據(jù)建立實(shí)際土層分布，得出附加應(yīng)力分布影響范圍內(nèi)各勘察孔位的沉降值。

(1)

表3 各土層壓縮模量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)PKPM的計(jì)算結(jié)果，基地附加應(yīng)力P0=264kPa，Es的取值參照表3，各勘察孔位的沉降計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各勘察孔位的沉降計(jì)算結(jié)果

2.3 樁身豎向剛度的初步確定

在確定樁身豎向剛度時(shí)，取基樁在PKPM最大軸力的標(biāo)準(zhǔn)組合下的豎向荷載附近的豎向剛度，作為基樁的計(jì)算豎向剛度。

以30#基樁為例，其單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。樁身豎向剛度Kv=F/s，在不同荷載作用下樁身豎向剛度值如表6所示。根據(jù)PKPM計(jì)算結(jié)果，最大軸力的標(biāo)準(zhǔn)組合下的豎向荷載Fk,max≈10 000kN，則取加載階段荷載在7950kN～12720kN范圍內(nèi)的剛度的平均值，計(jì)算式如下：

表5 30#基樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

表6 30#基樁在不同荷載作用下樁身豎向剛度值

同理，根據(jù)各基樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到的基樁在PKPM最大軸力的標(biāo)準(zhǔn)組合下的豎向荷載附近的豎向剛度，如表7所示。

表7 基樁樁身豎向剛度值

2.4 土體豎向剛度和樁身豎向剛度的最終確定

實(shí)際建模計(jì)算時(shí)，由于土與土、樁與樁、土與樁的相互作用導(dǎo)致地基或樁群的豎向支承剛度分布發(fā)生內(nèi)弱外強(qiáng)變化，沉降變形出現(xiàn)內(nèi)大外小的碟形分布，基底反力出現(xiàn)內(nèi)小外大的馬鞍形分布[1]，故對建筑結(jié)構(gòu)核心區(qū)域的土體豎向剛度應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)折減，折減系數(shù)建議取0.7～0.8之間[4]。

通過基樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)推算得到的樁身豎向剛度，僅針對特定直徑和樁端持力層的情況，在實(shí)際建模時(shí)，不同直徑基樁的樁身豎向剛度可參照試驗(yàn)推算值，在同一樁端持力層的前提下，不同樁徑的基樁樁身豎向剛度近似,按和直徑成正比的關(guān)系進(jìn)行推算[5]。

3 檢測及監(jiān)測結(jié)果分析

該工程基坑開挖至地下室底板墊層底之后，進(jìn)行土層的淺層平板載荷試驗(yàn)。淺層平板載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)土層為殘積粘性土和全風(fēng)化花崗巖，具體試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

根據(jù)淺層平板載荷試驗(yàn)結(jié)果，殘積粘性土和全風(fēng)化花崗巖的地基承載力特征值與地勘報(bào)告提供的數(shù)據(jù)相符，滿足設(shè)計(jì)要求。土體壓縮模量與利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)值推算的壓縮模量計(jì)算值相比，基本相符，能夠滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

圖9為建筑結(jié)構(gòu)封頂后各建筑沉降變形觀測點(diǎn)中沉降數(shù)值最大點(diǎn)的時(shí)間-沉降量曲線圖，從圖中可知，2017年8月13號至2017年12月31號140d里，建筑最大沉降速率均小于0.01mm/d，說明樁基已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[6]。根據(jù)建筑物傾斜觀測數(shù)據(jù)，各測點(diǎn)中最大傾斜率為1/6063，滿足規(guī)范要求[2]。

圖9 建筑沉降觀測時(shí)間-沉降量曲線圖

4 結(jié)論

綜上，采用復(fù)合樁基按Winkler模型對已施工的樁基基礎(chǔ)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)時(shí)，可利用已施工基樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)和土層詳細(xì)的標(biāo)貫數(shù)據(jù)，通過理論分析計(jì)算，推算出土體豎向剛度和樁身豎向剛度，以供設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)使用，結(jié)果能滿足工程設(shè)計(jì)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] JGJ94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 郭淋.標(biāo)貫試驗(yàn)值N與土體物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性分析[J].安全與環(huán)境工程, 2012, 19(4): 148-152.

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[5] 潘時(shí)聲.樁的剛度計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào), 1996, 18(1): 1-6.

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