吳仉華，李影，鄭永陽

（撫州市城市建設(shè)集團有限公司，江西撫州 344099）

1 引言

單樁豎向極限承載力計算是高層建筑及橋梁樁基設(shè)計中主要的計算內(nèi)容之一。建筑行業(yè)[1-2]、公路行業(yè)[3]、鐵路行業(yè)[4]等各個行業(yè)標準的計算方法有所區(qū)別，本文主要是根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》進行計算。

大量試驗結(jié)果[5]表明，巖土強度、成樁工藝、幾何尺寸等因素都對單樁豎向極限承載力產(chǎn)生較大影響。通過單樁靜載試驗可以科學地確定單樁極限承載力標準值，但由于靜載試驗數(shù)量較少并且在設(shè)計前不可能進行完全與施工時相同條件的試驗，因此，需要通過相關(guān)側(cè)阻力標準值、端阻力標準值[6-9]、巖石飽和單軸抗壓強度標準值以及相關(guān)修正系數(shù)來計算。

基于以上分析，本文通過一個實際工程案例計算，旨在揭示不同樁徑和不同樁長的單樁豎向極限承載力變化規(guī)律，為高層建筑的樁基設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

2 工程概況

本項目為某市公共衛(wèi)生中心建設(shè)項目，建筑用地約5.3 萬m2，總建筑面積約為4.4 萬m2，其中地上建筑面積約2.9 萬m2，地下建筑面積約1.5 萬m2，含1 棟11 層（其中地下1 層）的公共衛(wèi)生應(yīng)急指揮中心。

建設(shè)項目含有1 層整體地下室，地下室周長為610.61 m，地下室頂板標高為38.5 m，底板結(jié)構(gòu)面標高為34.5 m，設(shè)計高度為4.0 m，上部結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)；場地室外整平標高為40.3 m。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，建筑樁基設(shè)計等級為甲級。樁基采用鉆孔灌注樁，樁徑分別采用φ800 mm和φ1 000mm 兩種規(guī)格，樁端持力層為中風化泥質(zhì)粉砂巖；樁基混凝土強度等級采用C35，施工采用泥漿護壁。

3 巖土結(jié)構(gòu)及特征

根據(jù)地勘報告，場地地層結(jié)構(gòu)由第四系全更新統(tǒng)沖積層（Q4al）及白堊系上統(tǒng)南雄組（K2n）組成。按巖土層的地層時代、成因類型、巖性結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)特征等，自上而下可依次劃分為①粉質(zhì)黏土、②強風化泥質(zhì)粉砂巖、③中風化泥質(zhì)粉砂巖。各巖土層的成因類型、巖性結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)特征、埋藏深度和風化程度分述如下。

3.1 第四系全更新統(tǒng)沖積層（Q4al）

①粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑狀，主要由黏粉粒組成，刀切面較光滑，稍有光澤，無搖振反應(yīng)，干強度及韌性中等。壓縮系數(shù)平均值0.30 MPa-1，壓縮模量平均值為6.37 MPa，屬中等壓縮性土。標準貫入試驗實測擊數(shù)N=7～10 擊，實測平均擊數(shù)為8.0擊。

3.2 白堊系上統(tǒng)南雄組（K2n）

泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色、青灰色，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，中、厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)性較好，偶見垂直裂隙，少數(shù)可見Fe、Mn質(zhì)浸染痕跡。巖石質(zhì)軟，遇水易軟化，暴曬易崩解。勘探深度內(nèi)，按巖石風化程度及工程特性的差異可分為：②強風化泥質(zhì)粉砂巖、③中風化泥質(zhì)粉砂巖。

②強風化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色、青灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，碎塊用手可掰斷，正常鉆進速度較快，巖芯采取率較低，泡水易軟化，暴曬易崩解。重型圓錐動力觸探試驗修正后擊數(shù)N63.5=10.30～16.60 擊，修正后平均擊數(shù)為13.3 擊。巖石堅硬程度屬極軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為V 級。

③中風化泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色、青灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚-厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，裂隙面被Fe、Mn浸染，巖體較完整，巖面變化不大，巖芯呈柱狀，長柱狀，局部呈短柱狀，巖石質(zhì)量指標RQD 約75～85。巖石天然單軸極限抗壓強度為3.7～10.9 MPa，標準值為5.4 MPa，巖石飽和單軸極限抗壓強度為3.1～7.8 MPa，標準值4.7 MPa。巖石按堅硬程度劃分屬極軟巖，巖石完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量等級為V 級。

3.3 各巖土層厚

①粉質(zhì)黏土標高位于28.10～38.10 m，層厚10.0 m；②強風化泥質(zhì)粉砂巖標高位于25.90～28.10 m，層厚2.2 m；③中風化泥質(zhì)粉砂巖標高位于17.90～25.90 m，層厚8.0 m，未完全揭露。

4 樁基設(shè)計參數(shù)

根據(jù)場區(qū)內(nèi)各土層的巖土工程特征，并結(jié)合地區(qū)及類似工程經(jīng)驗，依據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，綜合確定場地巖土層相應(yīng)樁型的極限側(cè)阻力標準值及極限端阻力標準值詳見表1。

表1 樁的極限側(cè)阻力、極限端阻力標準值

5 單樁極限承載力計算

5.1 計算公式

工程實踐中，可根據(jù)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標準值。

對于摩擦樁，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.5條給出以下計算式：

式中，Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標準值和總極限端阻力標準值；u 為樁身周長；qsik為樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力標準值；li為樁周第i 層土的厚度；Ap為樁端面積；qpk為極限端阻力標準值。

根據(jù)該方法計算的單樁豎向極限承載力，包括側(cè)阻力和端阻力兩個部分，最關(guān)鍵的問題是合理科學確定相關(guān)經(jīng)驗參數(shù)。

大直徑樁（d≥800 mm）靜載試驗表明，砂土中大直徑樁的極限端阻隨樁徑增大而減小，側(cè)阻力也隨樁徑增大而減小。因此，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》建議考慮大直徑樁端阻及側(cè)阻的尺寸效應(yīng)。

式中，ψsi、ψp分別為大直徑樁的側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)。

對于樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.9 條給出以下計算式：

式中，frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值；ζr為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，與嵌巖深徑比hr/d、巖石軟硬程度和成樁工藝有關(guān)。

5.2 計算結(jié)果

以樁頂標高為33.70 m，分別計算φ800 mm 和φ1 000mm兩種樁徑的不同樁長的單樁豎向極限承載力。結(jié)果如表2所示。

表2 單樁豎向極限承載力標準值

5.3 結(jié)果對比分析

樁徑及樁長顯著影響樁基的單樁豎向極限承載力，圖1和圖2 分別給出了φ800 mm 及φ1 000mm 在不同樁長情況下的單樁豎向極限承載力變化情況。

圖1 φ800 mm單樁豎向極限承載力標準值

圖2 φ1 000 mm單樁豎向極限承載力標準值

從圖1 和圖2 所示結(jié)果可知，不同樁徑的單樁豎向極限承載力標準隨著樁長增加均提高，變化曲線前半段主要是從摩擦樁變成了嵌巖樁，提高較為顯著，但進入基巖后，提高速度明顯變緩，嵌巖段側(cè)阻力系數(shù)和端阻系數(shù)都會下降，導致端阻綜合系數(shù)增長趨緩。

由于摩擦樁需要考慮大直徑尺寸效應(yīng)，因此，加大直徑（≥800 mm）對提高單樁豎向極限承載力的效應(yīng)會打折扣；而嵌巖樁不考慮大直徑尺寸效應(yīng)，增大樁基直徑會相應(yīng)提高單樁豎向極限承載力。

6 結(jié)論

本文開展了不同樁基直徑和樁長情況下的單樁豎向極限承載力計算分析，主要得到以下結(jié)論。

1）隨著樁長的變化，樁基會出現(xiàn)摩擦樁和嵌巖樁兩種樁型，其受力特點不同，也導致計算方法和公式不一樣。

2）嵌巖樁單樁豎向極限承載力明顯高于摩擦樁，因此，基巖埋藏深度較淺時，應(yīng)盡量采用嵌巖樁。

3）摩擦樁需要考慮大直徑尺寸效應(yīng)，為提高單樁豎向極限承載力而增大樁基直徑效果會打折扣，采用增加樁長效果更佳。

4）嵌巖樁進入基巖后，加大嵌巖深徑比的單樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)增加逐漸變緩，因此，從技術(shù)經(jīng)濟角度出發(fā)，不宜過分依賴增加嵌巖深度提高單樁豎向極限承載力。