厚填土地基强夯处理后的桩侧负摩阻力研究

刘智敏

中国中元国际工程有限公司 北京 100086

在厚填土场地进行桩基础设计时，负摩阻是影响桩竖向承载力的主要因素。根据《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008的5.4.4条，可以计算负摩阻力，最终得到桩的竖向承载力特征值，进行设计。当场地表层填土强夯后，提高了表层填土的密实度，但由于底部填土尚未固结，填土仍会发生相对于桩向下的位移，仍将对桩产生负摩阻力。这个负摩阻力取多大？《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008并没有给出明确数值，本文通过工程实例，现场试桩结果分析，给出设计建议，供设计师在以后的工作中参考。

1 工程概况

拟建项目为新建赣州大余某综合能源项目，包括服务区与工业区，其中锅炉基础，工艺专业对其沉降较为敏感，沉降变形要求严格，基础设计等级在初步设计时确认为乙级，拟建场地为填方场地已完成填平，回填厚度 6～25m。

根据场地岩土工程详细勘察报告，现状场平工作已回填处理完成，回填处理方式不详。回填土为素填土 (Q4ml)：褐黄色、褐色，松散，湿， 主要由粘性土组成，回填年限约5年，未完成自重固结。该层在场地局部分布，横向和纵向分布变化较小，厚度较小，素填土总体呈松散状，局部稍密，土质不均，层底高程219.63m(ZK3)～220.17m(ZK6)，层厚 6.00m(ZK4) ～23.0 m(ZK3)。填土层承载力特征值给的90kPa。压缩模量E0=2.5MPa。②层为中风化岩，极限侧阻力标准值为80kPa，极限端阻力标准值为1400KPa；③层为中风化岩，侧阻力为160kPa，端阻力为1400 kPa。地勘报告中建议采用桩基时，需同时考虑负摩阻力，回填土部分桩的极限侧阻力标准值qsik=23 kPa。报告中对于填土的承载力，地勘又建议按强夯地基检测报告取值。

甲方同时又给出一份场地经过强夯处理的检测报告：现场采用夯锤直径 2.0m (夯击能 6000KN·m)，单点夯击击数6-8 击，夯点间距为5m ，夯击遍数为四遍。检测报告显示强夯后地基承载力特征值为180kPa，强夯地基的最大沉降量15.23mm。

对于两份差异较大的报告，设计、甲方及勘探三方经过多次沟通未能达成统一。根据地勘报告提供的压缩模量，锅炉基础、烟囱基础沉降不满足规范要求。为了安全，采用了保守设计，听取地勘单位建议采用桩基，并考虑负摩阻的影响。最终方案锅炉房及辅助用房、锅炉基础、烟囱基础采用混凝土灌注桩，桩径600mm ，根据地勘报告分区选取三个典型点位进行桩基承载力特征值计算。覆土深度22～23.5m，但进入持力层深度不一样，桩长总长33m。

2 桩基设计

根据《建筑桩基技术规范》[1]的5.4.3条:桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力时，应根据工程实际情况考虑负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响；当缺乏可参照的工程经验时，可按下列规定验算。

1)对于摩擦型基桩，可取桩身计算中性点以上侧阻力为零，并可按公式验算基桩承载力： NK≤Ra

2)对于端承型基桩除应满足上式要求外，尚应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载Qng，并可按公式验算基桩承载力： NK+Qng≤Ra。

3)当土层不均匀或建筑物对不均匀沉降较敏感时，尚应考虑负摩阻力引起的下拉荷载计入附加荷载验算桩基沉降。

本设计最大的难点是如何准确计算经过强夯处理后桩的竖向承载力，包括桩的负摩阻系数的取值及负摩阻力引起的下拉荷载大小。经过查看地勘报告，需要打桩区域为厂房、锅炉基础及烟囱基础范围，基础下回填土厚度23m左右。初步计算，锅炉、烟囱基础采用桩筏基础，按最小桩距3.5d=2100mm布置；厂房基础采用单桩～四桩基础。烟囱基础单桩承受的最大竖向承载力标准值为400KN，锅炉及厂房基础单桩承受的最大竖向承载力标准值为1000KN，持力层为②层或③层，极限端阻力标准值均为，由此式可以看出，单桩竖向承载力主要靠桩侧阻力承受，根据《建筑桩基技术规范》的5.4.4条，桩端持力层为岩石，中性点深度比取1.0，即填土层的桩侧阻力为零计算单桩竖向承载力极限值，则单桩竖向承载力主要靠②或③层土的桩侧阻力承受。如不采用后注浆法，想要单桩竖向承载力满足设计要求，桩端入岩深度大部分在11m左右。根据《建筑桩基技术规范》的5.4.4条，中性点以上单桩桩周第i层土负摩阻力标准值可按公式计算：

故实际计算时素填土层桩侧摩阻力标准值取23kPa。则最大填土厚度23m桩侧负摩阻力引起的下拉荷载为。按常规设计，以全风化岩或强风化岩为持力层，桩端进入持力层深度取2m，总极限端阻力标准值均为，总极限侧阻力标准值为，由此式可以看出，单桩竖向承载力特征值计算约为，此值远小于998KN，考虑到本工程为嵌岩桩，且锅炉及烟囱基础对沉降较为敏感，但桩端阻力不起控制作用，承受的竖向荷载稍大于桩侧摩阻力，最终考虑计算一半的下拉荷载，取值499KN。即使这样，计算出桩的负摩阻力还是大于桩的竖向承载力特征值，桩没有可用荷载。据此结果，可以判断，强夯后仍按所有回填土厚度计算桩的负摩阻力不够合理，可又找不到规范或相关的理论知识推翻上述计算结果。

通过多次讨论，确定锅炉基础、厂房基础及烟囱基础最终的单桩竖向承载力特征值仅考虑一半的下拉荷载，分别取为1500KN，1200KN及900KN。若仅根据规范上的计算公式，经过计算，要达到以上承载力特征值桩长为33m，入岩深度为11m。入岩11m，现场施工难度大，施工周期长，施工费用大幅度增加。经与甲方沟通协商，决定现场采用静载荷试验确定桩的竖向承载力特征值，虽然试桩会增加工程成本，在理论计算不合理的情况下进行试桩是优化设计的唯一途径，后期优化会大幅度节约成本。

试桩时取三个区域的典型点共9根桩（每处3根），桩长从自然地面算起，分别取为27m、28m、29m，入岩深度为4m， 回填土约为25m。这样选取桩长既能反映出负摩阻的计算是否正确，也能看出入岩深度对桩侧阻力的影响作用。

初步的试桩方案是每个区域取一根桩进行竖向承载力静载荷试验，如入岩4m的桩加载至其破坏，其加载结果仍不能满足设计要求，后面的试桩采用后注浆方案以提供桩的承载力。其中29m桩加载至4550KN时，施工单位又反馈，桩没有破坏迹象，但加载用的堆重材料仅进场6500KN，加载千斤顶受力极限值8000KN，咨询设计怎么办？考虑到施工周期紧张，如拆除重新加载，时间来不急，确定加载到6500KN，停止加载，此时，Q-s曲线未出现陡降，s-lgt曲线尾部未出现明显弯折，各桩在加载到6500KN均未破坏。试验数据图1-3。

图1 Q-s曲线

图2 s-lgt曲线

图3 s-lgQ曲线

《建筑基桩检测技术规范》[2]JGJ106第4.4.2条，单桩竖向抗压极限承载力[3]Qu可按下列方法综合分析确定：对于缓变形Q-S曲线可根据沉降量确定，宜取S=40mm对应的荷载值。

以此为依据完善Q-S曲线，则三根桩的极限承载力都超过8000KN。考虑到场地填土不均匀，地勘报告显示局部还存在淤泥，对于填土25m，入岩深度4m的桩极限承载力取值6500KN。

试桩时桩长从自然地面算起，承台底标高-2.5m，也就是有2.5m桩长在强夯处理最为密实的填土层，此范围桩不仅不会产生负摩阻力，正摩阻力对桩竖向承载力发挥作用，导致试桩的承载力比实际情况大。②、③号桩填土层仅为23m，实际施工时，桩在强夯加固填土层将减少2.5m，经计算分析，最终施工方案是入岩4m，单桩竖向承载力极限值取4500KN，特征值取2250KN。

单桩竖向承载力极限值试桩结果远大于理论计算值，分析查找原因：

a施工单位反映，填土深度14m左右，钻机明显比上面进入困难，说明填土14m以下回填时间较长，已基本固结。填土经强夯加固后的加固深度大致在6～8m，这样23～25m的填土，未加固土层厚度仅8m左右。若按8m填土考虑，单桩竖向承载力极限值计算时，回填土中有15m不仅不需考虑负摩阻，反而需考虑侧阻力。理论计算时考虑了全部填土层的负摩阻力，试桩时，单桩竖向承载力主要靠填土层的桩侧阻力提供，这是试验桩的竖向承载力远大于理论计算值的主要原因之一。

b整个厂区进行了强夯处理[4]。强夯时产生的冲击能使土的渗透性骤然大增，孔隙水迅速排出，孔隙水压力很快消散[5]（数据显示，5d左右能消散80%以上），从而产生很大的瞬间沉降，使土体压密，强度大幅度提高。工程实例显示：地基经强夯处理后，可明显提高地基承载力、压缩模量，增加干重度，减少孔隙比，降低压缩系数，增加场地均匀性，消除湿陷性，膨胀性，防止振动液化。填土经强夯加固后的性质优于同层位的天然土，能有效地解决桩的负摩阻力问题[6]。

从试验数据可以看出计算桩的竖向承载力时全部填土均考虑负摩阻力是不合理的。最后将单桩竖向承载力特征值取为2250KN，桩入岩深度4m，所有桩检测均满足设计要求的承载力特征值。本工程桩基设计，理论计算时，共布桩268根，桩长平均33m，桩入岩深度平均11m；试桩后优化设计，桩数146根，桩长平均26m，入岩深度均为4m，大大节省工期，并大幅减少工程造价，共节约造价289万，本工程现已施工完成，运行良好。

3 结束语

厚填土层经强夯处理后场地桩的负摩阻力计算比较复杂，影响因素较多，全部填土层均考虑负摩阻力的保守计算不大合理，至少表层强夯处理范围内的6-8m填土层可以不用考虑负摩阻力。一般情况下，填土地基强夯处理后桩的负摩阻力约是理论计算值的一半。强夯使填土压实，则其中性点深度ln应小于l.0，强夯后填土的负摩阻系数也应降低，这些都有待继续积累工程经验。总之，设计时应充分考虑土体实际情况，通过试验后再进行桩基设计，会更加合理、经济及安全。