張瑞棋，諸葛愛(ài)軍，黎雙邵

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300222）

引 言

碼頭樁基礎(chǔ)多采用灌注樁，樁基承載力主要取決于樁長(zhǎng)、樁徑、土性、成樁工藝。我國(guó)工程師對(duì)于采用歐美標(biāo)準(zhǔn)在本地區(qū)確定鉆孔灌注樁承載力缺乏工程經(jīng)驗(yàn)。

單樁承載力的確定是樁基設(shè)計(jì)中的首要問(wèn)題，其承載力的確定方法有多種，國(guó)內(nèi)常用的方法包括豎向靜載試驗(yàn)、靜力觸探法、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等方法，國(guó)外常用的方法包括豎向靜載試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)估算法等。中國(guó)規(guī)范對(duì)黏土單位面積樁側(cè)阻力和樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值主要依據(jù)液限，查表所得，對(duì)砂土中單位面積樁側(cè)阻力和樁阻力標(biāo)準(zhǔn)值主要依據(jù)標(biāo)貫查表所得，是一種經(jīng)驗(yàn)參數(shù)估算方法。而英標(biāo)承載力計(jì)算方法對(duì)黏土主要依據(jù)不排水抗剪強(qiáng)度，對(duì)砂類(lèi)土主要依據(jù)也是標(biāo)貫值，另外英標(biāo)還考慮了上覆土應(yīng)力、樁土摩擦角等參數(shù)，是一種半經(jīng)驗(yàn)-半計(jì)算方法[1]。國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法對(duì)鉆孔灌注樁單位面積樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值參數(shù)選取比較保守，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)增加或樁徑變大，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文通過(guò)把現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果與中國(guó)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、英國(guó)地基施工規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)估算結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)估算鉆孔灌注樁單樁承載力更接近現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果，有助于本地區(qū)及國(guó)內(nèi)相同地質(zhì)條件借鑒。

1 工程地質(zhì)條件

海外項(xiàng)目常采用英標(biāo)或美標(biāo)，安哥拉卡賓達(dá)卡約港項(xiàng)目是在原始海岸線上新建一個(gè)離岸式碼頭，一期工程泊位長(zhǎng)度700 m，包括1個(gè)8萬(wàn)t集裝箱泊位和 1個(gè) 6萬(wàn)t干散貨泊位，結(jié)構(gòu)預(yù)留?？?14萬(wàn)t集裝箱船的能力。

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察按照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)[2]和室內(nèi)試驗(yàn)[3]相結(jié)合的方式進(jìn)行。勘察結(jié)果表明，鉆探揭露深度內(nèi)土層分布較規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探和原位測(cè)試成果，綜合地層的物理特征，對(duì)勘探深度內(nèi)的土體自上而下劃分為：①中砂、②1中砂、②2細(xì)砂、③1中砂、③2細(xì)砂、③3中砂。

對(duì)勘察深度范圍內(nèi)的巖土層分布特征進(jìn)行描述如下：

①中砂：灰色、灰褐色，很松～中密狀，局部混少量有機(jī)質(zhì)，局部夾圓礫，級(jí)配不良，土質(zhì)不均，該層分布連續(xù)，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=6.8擊。

②1中砂：灰褐色、灰白色，中密～極密實(shí)狀，混少量粘土，局部夾圓礫，級(jí)配不良，土質(zhì)不均，該層分布連續(xù)，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=30.4擊。

②2細(xì)砂：灰褐色、灰白色，中密～極密實(shí)狀，混少量粘土，級(jí)配不良，土質(zhì)不均，該層分布不連續(xù)，在BS1孔缺失，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=15.6擊。

③1中砂：黃褐色，灰黃色，密實(shí)～極密實(shí)狀，混少量粘土，局部夾角礫，級(jí)配不良，土質(zhì)不均。該層分布連續(xù)，在所有鉆孔揭露，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=49.1擊。

③2細(xì)砂：灰色，極密實(shí)狀，級(jí)配不良，土質(zhì)不均。該層僅在BS4孔揭露，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＞50擊。

③3中砂：灰色，極密實(shí)狀，級(jí)配不良，土質(zhì)不均。該層僅在BS4孔揭露，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＞50擊。

2 現(xiàn)場(chǎng)豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)

本工程引橋樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁，樁徑為1.1 m，樁長(zhǎng)34.0 m，工作荷載為6 720 kN。試驗(yàn)樁護(hù)筒直徑1.3 m，護(hù)筒長(zhǎng)度9.0 m。

根據(jù)美國(guó)深基礎(chǔ)的軸向抗壓載荷標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[4]，靜載試驗(yàn)分為2個(gè)加載循環(huán)。第1加載循環(huán)加載至工作荷載，第2加載循環(huán)加載至2倍的工作荷載。試驗(yàn)采用自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)荷載的自動(dòng)加載及持荷，加載油壓，加載荷載以及樁頂沉降均由該系統(tǒng)自動(dòng)控制級(jí)測(cè)量。試驗(yàn)系統(tǒng)采用堆載法進(jìn)行，反力裝置采用壓重平臺(tái)，加壓系統(tǒng)采用4臺(tái)500 t千斤頂。

根據(jù)地質(zhì)情況以及樁身結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)樁沿樁身布置11個(gè)軸力測(cè)試斷面，每個(gè)斷面按圓周均勻布設(shè)3個(gè)應(yīng)變傳感器，應(yīng)變傳感器焊接于主筋上，對(duì)應(yīng)變傳感器引線主筋側(cè)面布置最后從樁側(cè)引出。

根據(jù)樁頂位移和豎向荷載繪制Q～S曲線和S～lgt曲線見(jiàn)圖1和圖2。由每級(jí)試驗(yàn)荷載下樁身不同截面處的軸力值繪制軸力分布見(jiàn)圖3。

土對(duì)樁的承載力由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，極限承載力即由樁側(cè)摩阻力極限值和樁端阻力極限值之和。對(duì)于鉆孔灌注樁側(cè)摩阻力和端阻力的發(fā)揮程度與樁間土的性狀、長(zhǎng)徑比、施工工藝有關(guān)，當(dāng)泥皮過(guò)厚時(shí)，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮比較小；當(dāng)樁底沉渣過(guò)厚，樁端阻力發(fā)揮比較小。

圖1 試驗(yàn)樁Q～S曲線

圖2 試驗(yàn)樁S～lgt曲線

圖3 不同荷載下樁身軸力

從圖2和圖3中看到，樁頂荷載14 657 kN時(shí)Q～S曲線已明顯陡降，S～lgt曲線尾部向下彎曲，樁頂總沉降量110.05 mm，最大回彈量為13.74 mm，回彈率為12.48 %。綜合判斷單樁軸向抗壓極限承載力為13 679 kN。

根據(jù)不同荷載樁身軸力分析，在高程-5.0 m位置處，因護(hù)筒直徑比下部樁身直徑大，樁身呈釘形狀，擴(kuò)徑處產(chǎn)生端阻力，計(jì)算樁端阻力時(shí)應(yīng)考慮。綜合考慮，樁側(cè)總阻力為10 917 kN，樁端阻力為2 762 kN，樁側(cè)阻力占總承載力的79.8 %，樁端阻力占總承載力的20.2 %。

3 理論計(jì)算

3.1 根據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）[5]估算鉆孔灌注樁極限承載力如下式：

式中：

Quk為單樁極限承載力（kN）；

qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

qpk為樁徑為 800 mm 的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

li為第i層土厚度（m）；

u為樁周長(zhǎng)（m）。

根據(jù)BS4孔勘察資料，按照式（1）進(jìn)行計(jì)算各層土側(cè)摩阻力和端阻力見(jiàn)表1。

3.2 根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

依據(jù)英國(guó)《Code of practice for foundations》（BS 8004:2015）[6]第6.4.1.3.3條標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)估算鉆孔灌注樁極限承載力如下式：

式中：

Rt為單樁極限承載力（kN）；

Rs為樁側(cè)總摩阻力（kN）；

Rb為樁端阻力（kN）；

hj為土層厚度（m）；

uj為樁周長(zhǎng)（m）；

Ab為樁底截面積（m2）。

式中：

Ps,j為第j層土樁側(cè)摩阻力（kPa）；

ns,j為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取決于土性和樁型，查表12；

Pref為計(jì)算常數(shù)，取100 kPa；

Nj為未經(jīng)修正標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)。

式中：

Pb,0.1為樁頂位移為樁徑 10 %時(shí)，樁端阻力（kPa）；

nb,0.1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取決于土性和樁型，查表12；

Pref為計(jì)算常數(shù)，取100 kPa；

Nb為未經(jīng)修正標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)。

根據(jù)BS4孔勘察資料，按照式（2）～式（6）進(jìn)行計(jì)算各層土側(cè)摩阻力和端阻力見(jiàn)表2。

表1 各層土側(cè)摩阻力和端阻力計(jì)算值

表2 各層土側(cè)摩阻力和端阻力計(jì)算值

按照式(1)計(jì)算試樁極限承載力為11 650.91 kN，其中樁側(cè)摩阻力為 9 261.73 kN，樁端阻力為2 389.18 kN，樁側(cè)阻力占總承載力的79.5 %，樁端阻力占總承載力的20.5 %。按照式(2)～式(6)計(jì)算試樁極限承載力為 1 252.51 kN，其中樁側(cè)摩阻力為8 843.46 kN，樁端阻力為3 670.06 kN，樁側(cè)阻力占總承載力的70.6 %，樁端阻力占總承載力的29.4 %。

3.3 比較分析

1）比較建筑樁基規(guī)范（JGJ 94-2008）參數(shù)法和現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果，樁極限承載力比現(xiàn)場(chǎng)試樁小14.8 %，其中樁側(cè)阻力值比現(xiàn)場(chǎng)試樁小1 655.27 kN，樁端阻力比現(xiàn)場(chǎng)試樁值小 372.82 kN。建筑樁基技術(shù)規(guī)范查表得到的單位面積側(cè)摩阻力和單位面積端阻力是基于國(guó)內(nèi)的施工工藝和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的，表格取值比較保守。

2）比較英國(guó)Code of practice for foundations估算法和現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果，樁極限承載力比現(xiàn)場(chǎng)試樁小8.5 %，其中樁側(cè)阻力值比現(xiàn)場(chǎng)試樁小2 073 kN，樁端阻力比現(xiàn)場(chǎng)試樁大 917.06 kN，樁側(cè)阻力和樁端阻力分別占總承載力的百分比與現(xiàn)場(chǎng)試樁更接近?，F(xiàn)場(chǎng)試樁樁端阻力比英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)估算法小，主要與成樁過(guò)程中樁底沉渣厚度有關(guān)。

3）將兩種計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試樁比較，英國(guó)地基施工規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)估算更接近試樁結(jié)果。

4）比較建筑樁基規(guī)范參數(shù)法和英國(guó)地基施工規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)估算法，當(dāng)?shù)鼗翞樯巴習(xí)r，對(duì)建筑樁基技術(shù)規(guī)范樁基極限承載力公式進(jìn)行修正為Quk=u∑qsikli+λqpk Ap，λ根據(jù)砂土分類(lèi)取值范圍為1.0～2.0。

4 結(jié) 論

1）采用英國(guó)地基施工規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)估算鉆孔灌注樁樁極限承載力比現(xiàn)場(chǎng)試樁小8.5 %，英國(guó)標(biāo)貫擊數(shù)計(jì)算法更接近現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果。

2）將兩種估算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試樁進(jìn)行比較將建筑樁基技術(shù)規(guī)范樁基極限承載力公式進(jìn)行修正為Quk=u∑qsikli+λqpk Ap，λ根據(jù)砂土分類(lèi)取值范圍為1.0～2.0。

3）鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)階段，一般很難獲得樁的極限承載力真實(shí)值，但可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，利用規(guī)范公式分析和估算其承載力是可行的。