某工程静压沉管灌注桩极限承载力分析研究

陈国春

(中元(厦门)工程设计研究院有限公司 福建厦门 361000)

某工程静压沉管灌注桩极限承载力分析研究

陈国春

(中元(厦门)工程设计研究院有限公司 福建厦门 361000)

通过分析泉州某静压沉管灌注桩工程试打桩及所有工程桩的静载试验结果，并采用MathCAD软件拟合其承载力曲线，探讨了沿海地区支于强风化岩的静压沉管灌注桩的施工终止压桩力与极限承载力的关系，分析了理论计算与静载预测极限承载力值之间存在差异的原因，提出了静压沉管灌注桩施工终止压桩的控制方法和极限承载力的取值建议。

静压沉管灌注桩;终止压桩力;极限承载力

0 引言

预应力高强混凝土管桩从20世纪90年代末发展到今天，该桩型如雨后春笋遍及全国，与之匹配的静压桩机设备也越来越先进，其压桩力越做越大，步履式压桩机的最大压桩力已超过10 000kN。因静压预制高强管桩施工噪音小，承载力有保证，性价比极高，因而成了开发商和设计师的首选。与此同时，因高强管桩的出现，20世纪曾经大量推广应用的振动或锤击沉管灌注桩和沉管夯扩桩，也因其存在桩身质量缺陷、施工噪音和施工终控难以把握等一系列问题，逐渐退出了历史的舞台。然而，任何一种桩型都有其适用性，不能一桩包打天下，当场地存在孤石，持力层深度变化较大时，采用静压预应力高强混凝土管桩时，会出现断桩、斜桩和接桩、截桩缺少规律性等问题，造成大量废桩，施工监理难度大，工程质量难以保证。为解决这一问题，现场浇灌的静压沉管加振动拔管的沉管灌注桩应运而生。该桩型解决了桩身质量、施工噪音和穿越坚硬夹层等问题，使沉管灌注桩起死回生。虽然同样是静压桩，但前者是预制好的混凝土桩，而后者是通过静压沉入钢管并灌注混凝土，然后再通过振动拔出钢管形成钢筋混凝土灌注桩。因两者的施工工艺不相同，所以静压沉管灌注桩的极限承载力与终止压桩力的关系不能套用静压预制桩的施工经验［1－3］。

本文以泉州某工程为例对静压沉管灌注桩的极限承载力进行分析研究，供同行参考。

1 工程与地质概况

该工程位于泉州城东片区内，西至安吉路，北至海韵路，南至毓才路，东至兴学路，总用地面积约为11．29hm2。主要建设5～6层的教学楼、艺术楼、图书馆、体育馆和12～16层的高层行政综合楼、食堂宿舍楼等，总建筑面积139 832m2。结构形式框架和框架剪力墙结构，柱轴力多层在3 000kN～4 500kN，高层在11 000kN～15 000kN。场地地质与主要土层的物理力学性能指标，如表1所示。

表1 场地主要土层及设计参数

2 桩基选型及桩的试验

根据工程勘察报告，该场地杂填土为欠固结土且存在较多的碎块石、混凝土块等硬杂质，该层层厚变化较大。此外，水质分析报告试验结果表明，该场地地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替情况下具有中等腐蚀性，地下水对钢结构具有中等腐蚀性，因此不适合选用预制桩。冲(钻)孔灌注桩虽然具有很强的穿透能力但桩身质量较难控制，施工工期长、造价高。综合场地的实际情况结合当地工程经验，最终选择静压沉管振动拔管的灌注桩。根据轴力大小分别选择700mm及800mm的桩径，以碎屑或碎块状强风化岩作为持力层。

为了确定桩的竖向承载力和施工的终止压桩力，设计施工前根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)规定，结合场地钻孔揭示情况，选取6个有代表性的钻孔附近进行试桩施工，根据建筑物的荷载情况，结合勘察报告提供的岩土力学性能指标，初步确定700mm及800mm的两种桩径的承载力特征值分别为2 700kN和3 400kN。试桩后选取较为不利的试桩2(直径700mm)和试桩5(直径800mm)进行静载试验，主要施工参数及静载试验结果如表2和图1所示。

试验桩静载试验结果表明，两种直径桩的单桩竖向极限承载力均大于设计预取特征值的2倍，满足工程设计要求。

表2 试压桩主要施工参数及静载试验结果

图1 试验桩静载试验曲线

3 施工终止压桩力的确定

根据试验桩现场施工情况，现场按勘察报告以及《建筑桩基技术规范》提供的土层物理力学性能指标计算得出的持力层及进入深度(详见表2的理论计算入持力层及其深度)来控制施工无法实现，即使再提高压桩力其桩长增长很有限，但采用施工终止压桩力为极限承载力的1．1～1．2倍控制可行。

考虑到本场地杂填土及其下淤泥为欠固结土，桩端持力层强风化岩岩面起伏较大等不利因素，出于稳妥起见，同时考虑到便于施工与现场监理，该工程对于两种直径桩的施工终止压桩力分别取其设计极限承载力的1．2倍(6 480kN)和1．1倍(7 480kN)，小直径桩取大值，并要求至少按终止压桩力反复复压三次以上、且累计压沉量应小于10mm为条件控制施工。

4 基桩施工与检测

该工程总桩数达1 000多根，桩基施工结束后按国家有关规范要求进行了静载试验检测和桩身完整性低应变动测等，桩身完整性Ⅰ类桩占总桩数的91%，其余均为Ⅱ类桩，说明该桩型的施工质量是比较可靠的，所有静载试验检测的桩均为符合桩身质量完整性的桩，所测的基桩承载力与桩身完整性无关，这些桩的试验数据都可以作为统计分析的依据。所有静载试验桩的主要施工参数及检测结果如表3和图2～图3所示。

工程于2014年6月竣工验收，沉降监测结果为最大沉降17 mm，最小沉降11mm，表明桩基工程质量可靠，满足要求。

表3 试验与检测桩主要施工参数及试验结果

图2 Ф700桩静载试验曲线

图3 Ф800桩静载试验曲线

5 施工终止压桩力与极限承载力分析

5．1 极限承载力预测

因最大试验荷载下桩顶位移还未达到规范极限承载力的取值限定，为了进一步了解试验桩的极限承载力，根据两试验桩的静载试验曲线形状和以往类似桩型的试验曲线规律，采用双曲线或指数曲线对其进行拟合，从而推算桩顶沉降为40mm时的极限荷载值。本文应用MathCAD软件，分别采用指数函数和双曲线函数，对两桩的静载数据进行了拟合分析。由于两种函数曲线的拟合结果非常接近，故以下仅以双曲线函数拟合结果来进行分析论述。双曲函数拟合结果如图4～图5所示。两桩拟合的相关系数分别为0．997和0．995，相关性非常好，可以作为极限承载力推算的曲线。据此桩顶沉降为40mm时的推算加载值分别可达6 186kN和7 389kN。

为深入分析静压沉管灌注桩压桩力与桩的极限承载力之间的关系，通过对其余9根静载试验检测桩也进行了双曲线函数的拟合，并推算出桩顶沉降达40mm时的极限承载力，拟合效果均非常理想。各桩拟合的协方差系数均在0．99左右，证明该场地的Q－s曲线基本上都为双曲线特征，因此预测结果应该是比较准确可靠的，结果如表4所示。

图4 710号桩双曲函数线拟合曲线图

图5 917号桩双函数拟合曲线图

表4 桩顶沉降40mm时的双曲函数拟合预测极限承载力

5．2 施工终止压桩力控制

该工程压桩施工以及以往大量的以强风化岩为持力层的预应力静压高强管桩施工，均出现理论计算桩长远远大于实际施工桩长的事实，如果按计算桩长控制终止施工，则终止压桩力均远远高于极限承载力，甚至将桩压坏也不能满足设计桩长的要求。相反，对于以黏性土为主要侧阻和端阻的静压预制桩则可能相反，即出现施工压桩力始终都小于极限承载力的现象，对这样的地质施工终止压桩力就没有必要大于极限承载力。鉴此，有必要对静压沉管灌注桩的终止压桩力进行进一步的分析。

表5为极限承载力预测值与终压力及计算承载力的关系，表中理论计算桩长均大于实际施工桩长，压桩记录也证明了该工程中所有的工程桩实际施工桩长和要求进入持力层的深度均小于计算所要求的数值，也就是说，如果根据实际桩长按勘察报告提供的土层物理力学性能指标计算桩的理论极限承载力的话，那么其计算值不能满足设计要求，也远远小于根据静载试验所推测的极限承载力。主要原因是提供的设计指标偏小造成，而最为突出的问题是强风化岩的端阻力指标太小，因为风化岩的风化程度随深度变化，由全风化逐渐过渡到强风化到中风化再到微风化，同一个强风化层其标贯值也是随深度渐变。

大量的静压预制桩或锤击预制桩施工时均发现，施工桩长基本上都不可能进入按设计图纸要求的持力层深度，因为桩端进入强风化岩一定深度后，要想靠静力荷载将桩压入几米甚至十几米强风化岩基本上是不可能的，即便增加压桩力其效果也很有限;如果是锤击桩只会增加成倍的锤击数，严重时会导致桩身爆裂，影响桩身质量。对于这种现象勘察单位常常难以自圆其说。目前，设计单位静压预制桩施工的停压标准，一般采用设计桩长和终压力值控制两者兼顾的方法，对纯摩擦桩，停压按设计桩长控制;对端承摩擦桩或摩擦端承桩，按终压力值控制;地质情况较为复杂时，则一般采用双重控制。

静压沉管灌注桩与静压预制桩同样采用静压沉桩工艺，其终止压桩的标准可以套用静压预制桩的控制标准，但由于静压沉管灌注桩需要现场灌注混凝土和拔出钢管，因此其终止压桩力与承载力的关系不能与预制桩相同。

5．3 终止压桩力与极限承载力分析

通过施工前的试打桩和施工后的基桩检测成果分析如表5及图6～图7所示。图中可见该工程中静压沉管桩的终止压桩力与双曲线预测的极限承载力非常接近，尤其是Ф800桩更为接近。对于持力层为强风化岩的静压沉管灌注桩，可通过反复复压的终止压桩力作为设计参考的极限承载力［4］，其施工终止压桩的控制标准可套用静压沉管预制桩的方法。由于静压沉管灌注桩与静压预制桩虽然同样采用静压沉桩工艺，但前者钢管沉入后还要等待下钢筋笼和浇灌混凝土，同时还要拔出钢管，这种工艺决定了静压沉管灌注桩的恢复力［3－5］，即极限承载力与终止压桩力的比值要比静压预制桩小，但由于在下钢筋笼和灌注混凝土的过程中始终有钢管保护成孔，因此其承载力要高于泥浆护壁的灌注桩，图6与图7所示中的预测极限承载力与终止压力的比值曲线呈水平状，其值接近1．0，证明了这一点。

表5 极限承载力预测值与终压力及计算承载力的关系

图6 Ф700桩预测承载力与计算承载力及压桩终压力的比值

图7 Ф800桩预测承载力与计算承载力及压桩终压力的比值

从表5中不难发现本场地极限承载力与桩长及桩径比之间并无规律可循。但图6与图7中预测极限承载力与按沉管桩或预制桩指标计算的理论承载力之比，倒是有一定的规律性，即随桩长的增加预测值与理论计算值之间的比值逐渐减小，因为该桩型为端承摩擦桩。这一现象，也就可以说明强风化岩端阻力的指标取值是偏小的，所以当桩侧阻力所占比例越小的时候预测值与理论值相差越大。此外，随着桩长的增加，桩侧阻力所占比例也不断增大，此时极限承载力的理论值、预测值和施工终止压桩力越来越接近，并存在预测值小于终止压桩力的现象，这种现象应当引起同行的重视。

6 结语

(1)静压沉管灌注桩，其压桩过程与静压预制桩基本相同，因此其施工终止压桩控制标准可套用静压预制桩的施工经验，但由于两者施工工艺存在差异，因此其极限承载力与终止压桩力的关系不能套用。

(2)静压桩桩长的设计长度目前主要是根据土性指标计算获得的，其设计中的岩土参数都是采用间接方法得到，因此对于静压桩承载力的取值，建议根据桩的施工终止压力，配合具体施工工艺和土层时效恢复力等的综合分析来确定更为可靠。

(3)对于沿海支于强风化岩以上以端承为主的沉管灌注桩，其通过反复复压后的施工终止压桩力与桩的极限承载力非常接近，该值可作为极限承载力取值的设计参考值。

(4)该场地静压沉管灌注桩的恢复力基本上没有体现，设计时应按大于2倍桩的设计特征值作为终止压桩的条件较为稳妥。

［1］ 杨根喜，濮志锋．小型静压桩压桩力系数取值方法的探讨［J］．工程勘察，2002(5):38－39．

［2］ 张明义，邓安福．预制桩静力贯入层状地基的试验研究［J］．岩土工程学报，2000，22(4):490－492．

［3］ 刘俊龙．静力法沉桩的压桩力与桩的极限承载力［J］．工业建筑，2005，35(2):63－68．

［4］ 张孝松．福州地区静压沉管灌注桩最终压桩力的分析［J］．福建建设科技，2007(2):12－15．

［5］ 胡中雄．饱和软黏土中单桩承载力随时间的增长［J］．岩土工程学报，1985，7(3):58－61．

The analysis of ultimate bearing capacity for one of Quanzhou’s static pressure cast－in－situ pile project

CHEN Guochun
(IPPR(Xiamen)Engineering Design＆Research Institute Co．，Ltd，Xiamen 361004)

By analyzing the results from piling in one of Quanzhou’s static pressure cast－in－situ pile project and static load test of all other engineering piles，and using MathCAD software to fit their bearing capacity curves．The relationship between the final jacking force and ultimate bearing capacity of the construction of static pressure cast－in situ pile with intense weathered rock in the coastal areas is discussed．By analyzing the reason for the difference between the theory－calculated ultimate bearing capacity and the predictive data of static load，this paper put forward the controlling methods to terminate the static pressure cast－in－situ pile construction’s final jack and propositional value of the ultimate bearing capacity．

Static pressure cast－in－situ pile;Final jacking force;Ultimate bearing capacity

TU398

A

1004－6135(2017)02－0050－05

陈国春(1966．10－ )，男，高级工程师。

E-mail:13799278565@139．com

2016－12－23