杭州湾典型地层中混凝土管桩承载力设计参数探讨

林东明,李少和,林群仙

(1.华汇工程设计集团股份有限公司,浙江 绍兴 312000；2.浙江工业职业技术学院建筑工程分院,浙江 绍兴 312000)

随着社会经济的发展,越来越多的建筑物和构筑物采用桩基础。桩基能够将上部结构的荷载传递到深层稳定的岩土层中, 从而大大减少基础的沉降和建筑物的不均匀沉降,被广泛应用于软土地基的建筑物中。混凝土管桩承载力的确定一直是个难点和热点,苏延任[1]用经验参数法探讨南宁地区的几种桩型承载力,得出经验参数法对端承桩承载力的计算与规范计算较为接近。盛波等[2]通过《港口工程桩基规范(JTJ 254—1998)》与《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》对单桩承载力计算的参数选取问题,得出合理确定各地层分布情况及岩土体层承载力和变形性能等参数,是桩基础设计的依据和重点的问题。俞峰等[3]利用预制桩侧阻和端阻指标,并结合实测数据分析,围绕土塞效应使用半解析半经验方法计算桩端承载力,取得了一定的成效。

目前,静压桩与打入桩承载力差异的分析显示,桩基规范和勘察报告一般倾向于提出偏保守的单位极限侧阻和端阻建议值,因此按经验参数法设计模型计算的单桩极限承载力有可能小于实测值。

一般对荷载不是很大的建设工程来说,基础大都设计12～13 m的单节预应力管桩或方桩[4],沉桩方式采用锤击法。根据地基土的物理力学参数,按浙江省建设地方标准《工程建设岩土工程勘察规范(DB33/T 1065—2009)》[5](以下简称“省标”)查表提供的桩基设计参数(侧摩阻力、桩端阻力)计算而得出的单桩承载力并不高,但却存在桩有时打不下,甚至已打下去的试桩经过静载试验,其单桩承载力比理论计算结果高出不少的情况。因此本文以滨海昌海生物工程桩基的试验结果为主要依据,参照其他工程的成果,对桩的承载力及桩基设计参数等作对比评估,欲对类似工程桩基设计提供参考。

1 工程概况及勘察成果

1.1 工程概况

浙江医药股份昌海生物分公司(以下简称“昌海生物公司”)位于绍兴市滨海新城,在世纪大道的北侧,越中路的西侧。厂区总用地面积约85.33 hm2。分合成生产区块、生物药物区块、创新药物区块、环保中心和后勤办公生活区。其中合成生产区、生物药物区和创新药物区建筑类型为建筑高度24 m以下的合成类厂房,桩基为12 m左右的预制管桩和42 m左右的预制管桩；环保中心为4座高度19 m以下的污水处理池和辅助办公用房,桩基为12 m左右的预制管桩；后勤办公住宿区为建筑面积6万m2的总部综合楼和宿舍、食堂。本文中涉及的食堂及2718车间,分属后勤办公区和合成生产区。

1.2 勘察成果

2012年2月,华汇工程设计集团股份有限公司(以下简称“华汇公司”)对浙江医药昌海生物分公司的食堂进行了地质勘察。食堂为1幢4层框架结构建筑,长109 m,宽74 m,设计最大单柱荷载为6 000 kN,采用预应力管桩基础。食堂的勘察成果报告中建议参数见表1。

2 单桩承载力特征值估算

基于规范法估算单桩承载力简单而又经济,但这种方法由于受地区局限性的影响,一些应考虑的因素可能会被忽略[5-6]。《建筑地基基础设计规范(GB 50007—2011)》中已取消承载力表格,提倡建立地方性经验公式[7]。此处按浙江省省标《工程建设岩土工程勘察规范(DB33/T 1065—2009)》查表提供的桩基设计参数(侧摩阻力、桩端阻力)计算而得出的单桩承载力,并与按勘察报告建议值计算结果进行对比分析。

2.1 桩基参数取值

粉土中预制桩侧壁摩阻力和端阻力的设计参数取值见表2。根据勘察报告中的地基土的物理力学参数,查省标附录D按最大值取值,则各层土的桩侧摩阻力及端阻力见表3。

表2 昌海生物公司2718车间地基土物理力学指标设计参数

表3 省标计算得到的各层土桩侧摩阻力及端阻力上限

2.2 食堂部位单桩承载力的估算

根据省标附录D查表取大值的桩基设计参数,食堂部位取3个孔进行单桩承载力的估算,三个孔的参数见表4。单桩竖向承载力特征值根据下式估算：

表4 食堂部位单桩承载力估算

Ra=up∑qsiali+qpaAp

(1)

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值,kN；

qsia为第i层岩土桩侧阻力特征值,kPa；

qpa为桩端阻力特征值,kPa；

Ap为桩端横截面积,m2；

up为桩身周长,m；

li为桩身穿过第i层岩土的厚度,m。

由于沉桩过程,桩端部分土将涌入管内形成“土塞”,土塞的高度及闭塞效果随土性、管径、壁厚、桩进入持力层的深度等诸多因素变化,而桩端土的闭塞程度又直接影响桩的承载力性状[8]。若考虑桩端土塞效应,需将公式(1)第二项(qpaAp)调整为：

Qpa=qpa(Aj+λpAp1)

(2)

当hb/d<5时,λp=0.16hb/d；当hb/d>5时,λp=0.8。

λp为桩端土塞效应系数；

d为空心桩外径；

d1为空心桩内径；

hb为进入持力层深度。

以地勘报告中的Z1孔为例,考虑桩端土塞效应的单桩竖向承载力特征值为：

=627.25 kN

(3)

J3、J5孔计算方法同上,三孔计算结果见表4之“按省标查表取大值”列。

按地勘报告提供的桩基设计参数(表1)估算食堂部位的单桩承载力特征值,以Z1孔为例根据计算如下：

Ra=3.14×0.6×(2×10+4.1×15+2×20+2.9×25)+1500×(0.157+0.8×0.125 6)=365.5+386.2=751.7 kN

(4)

J3、J5孔计算方法同上,三孔计算结果见表4之“按地勘报告”列。

3 桩基试验

对食堂的桩基质量,由绍兴市科信建设工程检测中心于2014年4月底进行基桩检测,采用单桩抗压静载荷试验,检测结果见表5。试验最大荷载2 000 kN,Q-S曲线未出现明显陡降,S-Logt曲线沉降间距正常,未出现明显下折,达到试验要求,可判定单桩极限承载力均大于试验荷载。见图1。取安全系数K=2,单桩竖向承载力特征值Ra为单桩承载力极限值的一半[6],故Ra大于1 000 kN。

表5 食堂部位单桩抗压静载荷试验成果

图1 单桩抗压静载荷试验曲线图

4 承载能力对比及机理分析

按照省标参数表,取参数表中的大值进行估算的结果,及按地勘报告提供的桩基设计参数估算的结果,与桩基试验成果进行对比：食堂部位,按规范取值范围取最大值,②-3层是砂质粉土层,估算φ600 mm的预应力管桩的单桩竖向抗压承载力特征值的平均值为615.6 kN。按地勘报告提供的设计参数估算的单桩承载力是776.8 kN。报告中估算的单桩承载力已是按规范取最大值估算的单桩承载力的1.20倍。

取3根桩做静载荷试验,测得的单桩竖向抗压承载力特征值均大于1 000 kN。显然，静载试验测得的单桩承载力远远大于按规范取最大值估算的单桩承载力。地勘报告虽对桩基设计参数进行了调整,主要提高了桩侧摩阻力参数,但现场静载荷试验成果仍然是设计参数调整后估算结果的1.28倍。

从上述计算和分析可得：按省标、勘察数据和静载荷试验结果有差异,尤其是按照规范计算和静载荷试验的差距。

这就要从规范来说。08 规范采用对桩端开口部分进行折减,而桩侧部分和其他实心桩一样处理方式,虽然计算过程比较简单,容易理解,但是,实践证明,挤土量差异对侧阻的影响不可忽略,适当的侧阻折减是必要的。而桩端由于土体进入桩体内部,形成管内阻力,这个阻力随着土质等因素而不同,单纯对桩端开口端进行折减是不合适的。

首先分析开口管桩的受力机理,对于管桩而言,当在对桩施加荷载(不论是静压还是打入桩),桩体受力后首先作用在桩的上部,当桩受力向下移动时，桩周土侧阻力阻碍桩体向下移动,上部的摩阻力调动起来,随着竖向荷载增加,桩向下的位移增大,桩身下部的摩阻力随之调动起来。桩底土层因受到压缩而产生桩端阻力。此时,桩端土受挤压后,其中有一部分土被挤入桩管内形成“土塞”,另一部分土被挤向桩周围。挤出管外的土参与桩侧摩阻力,进入管内的那部分土受到管内壁摩阻力作用产生一定的压缩,被压缩的这段“土芯”的高度与性状(即闭塞效果)与桩的入土深度、土层及持力层性质、管桩的管径与壁厚等诸多因素有关。而桩端土的闭塞程度又直接影响持力层桩端阻力的发挥与桩端持力层破坏模式及桩的承载力,上述作用为“闭塞效应”。因此对于开口的管桩,其承载机理和承载力计算要远远比闭口桩复杂。

首先分析桩侧阻力的大小,在考虑两种极端情况下,比如实心预制桩和钻孔灌注桩的桩侧取值情况下，在分析砂性土桩侧阻力计算的有效应力法中,钻孔桩的β值一般取预制桩的30%,由此可见,挤土效应不可忽略。而挤土效应与桩端土进入管内的多少有关系,即土塞率PLR(=H/L),进入管内的土越多,挤土效应越小。研究表明,黏性土的土塞率要大,砂性土土塞率小。因此,从这个角度来讲,对于桩侧阻力不能按照实心预制桩的桩侧阻力进行计算,而是要考虑挤土效果进行折减。规范中对于开口管桩的开口端部分承载力采用λp进行折减,λp是桩端进入持力层深度与桩径之比,而没体现土柱进入桩体的高度,用一维理论对管内灌入土高度的受力分析,得到桩端开孔部位桩端阻力特征值计算公式,公式如下：

(5)

通过该文献推荐经验公式,可以确定桩的承载力为：

Qu=λs∑qsiAsi+qpA0+qplugAsiplug

(6)

应用上述公式对工程实例进行计算,公式中,λs为开孔管桩挤土效应系数,利用公式进行计算：

(7)

qplug为土塞的单位承载力,利用公式：

(8)

对于本文中的工程实例进行计算,计算中λs为0.943 6,土塞率PLR为0.188, 管内壁的有效应力法β值为0.548 2,土进入管中高度H为2.068 m。由此可得qplug=4 023 kPa。

代入公式中可得

通过计算可知通过考虑土体进入管桩高度而得到的值基本上和静载荷试验值相吻合,计算得到的值略高的原因是在取每层土的特征值时取最大值的结果,如果在取值中取适当的值的话就不存在高于静载荷值的结果。

5 结 语

对于绍兴滨海，包括上虞区城北,杭州的滨江、下沙、萧山等地,上部20 m以内的地层以粉土粉砂为主,对采用12～13 m的短桩基础工程来说,由以上研究可得出如下结论：

1)桩基参数的取值可以根据工程地质条件采取相应的值,通过本工程载荷试验分析,不论是粉土层还是粉砂层,桩基设计参数可取省标规范中取值范围中的最大值。

2)对②-3层,桩基设计参数均宜按粉砂层取值,在省标规范给定的参数范围内取其最大值,就基本与实际测桩成果差不多,但仍有10%的提高余地。

3)针对滨海地层,②-3层的土性是最关键因素,粉土和粉砂的取值对单桩承载力估算的大小有较大的影响。因此对土的取样、分析和定名提出了严格要求。