新沂城區超密砂層預制樁樁端阻力的取值探討

孫君

(常州市規劃設計院,常州 213000)

1 前言

新沂城區位于沭河西岸,地勢平坦而開闊,地面略有起伏,東北部略高于西南部,地貌單元單一。埋深80～90 m內巖性以新生界為主。其中,第四系厚度約50 m,多以砂層和黏性土交替分布,第三系厚度約30 m,下伏基巖為白堊系王氏組紫紅色砂巖[1]。

其中埋深23 m范圍內分布多層高阻力超密砂層,雙橋靜探qc平均約25～33 MPa,土性較均勻,狀態極好。而新沂城區采用預制樁時,由于超密砂層埋深較淺,其作為預制樁樁端持力層的破壞性試樁靜載檢測資料相對較少,故勘察提供的樁基參數多按建筑樁基技術規范[2]中的經驗參數法取值,特別是樁端阻力取值明顯偏于保守,不能真實反映出超密實砂層的樁端承載特性,與之對應的單樁承載力計算結果也偏低,在無破壞性試樁靜載資料的支持情況下,樁基設計往往布樁偏密,加劇了工程樁沉樁穿越困難、樁身上涌導致樁端與持力層接觸松弛甚至脫空等一系列問題,引發基樁阻力損失、基樁承載力降低等風險[3-8]。

目前,預制樁樁端阻力除采用根據規范取值外,多通過增做高應變檢測方式估測[9-12]。本文結合新沂城區典型項目,針對新沂城區常作為預制樁持力層的埋深16～23 m段超密砂層,通過對常規的抗拔和抗壓靜載試驗結果綜合分析,對超密砂層中預制樁單樁承載力起主導作用的樁端阻力取值進行了探索,挖掘其作為預制樁樁端持力層的承載潛力,為預制樁樁端阻力取值提供借鑒和參考。

2 工程地質特性分析

典型工程項目位于新沂城區新安街道,地貌類型屬于沂沭丘陵-平原區的沖積平原,第四系地層以砂土和黏性土為主。根據《巖土工程勘察規范》(DGJ32/TJ 208-2016)附圖E.0.1《沂沭丘陵第四紀晚更新世(Q3)地層出露或淺埋區分布圖》[13],場地位于Q3地層出露或淺埋區。Q3沉積土層埋深淺,第四系全新統(Q4)沉積土層分布于約4 m以淺(如表1中①層),第四系上更新統(Q3)及以前沉積土層一般分布于約4 m以下(如表1中②1層及以下土層)。23 m內分布的超密砂層為③層細中砂、⑤層中砂、⑦層中粗砂,其中⑦層中粗砂為預制樁設計樁端持力層(ZH-50實心方樁,樁頂標高22.25 m,樁端標高10.25 m)。土層基本物理力學性質指標如表1,由于場地土層層位均勻,選取典型剖面如圖1,以此反映場地大致土層分布。

表1 基本物理力學性質指標統計平均值

圖1 工程典型剖面圖

3 預制樁樁基參數的選擇與對比

新沂地區預制樁樁基參數通常參照樁基規范中的經驗參數法,據土名和土的狀態結合規范表5.3.5進行樁側阻力和樁端阻力取值,按式(1)估算單樁豎向極限承載力標準值,符號意義見樁基規范第5.3.5條。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

除該取值方法外,樁基規范中尚提出原位測試法估算單樁極限承載力:對于黏性土、粉土和砂土,如無當地經驗時,可根據雙橋靜力觸探資料按式(2)確定混凝土預制樁單樁極限承載力標準值,其中βi·fsi相當于式(1)中樁側阻力qsik,α·qc相當于式(1)中樁端阻力qpk,符號意義見樁基規范第5.3.4條:

Quk=Qsk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(2)

2016年頒布實施的江蘇省巖土工程勘察規范,提供了我院基于常州地區地層建立的雙橋靜力觸探測試指標估算樁基承載力的經驗關系,并建議其他地區參照使用時,應結合靜載荷試驗驗證。但該經驗關系是基于常州地區土性雙橋靜探和靜載荷試驗統計回歸得出的同一土層樁側、樁端阻力與靜力觸探摩阻力fs、錐尖阻力qc近似線性關系,統計范圍fs在5～180 kPa,qc在1.4～15.0 MPa之間,而本項目⑦層中粗砂qc平均約33.1 MPa,fs平均約218 kPa,均在江蘇省巖土工程勘察規范最大樁側和樁端阻力取值對應的雙橋靜力觸探測試指標最高值范圍外。根據上式(2)及相關文獻[14]所述同一土層樁側阻力、樁端阻力與靜探測試指標qc、fs多呈線性或類線性關系,故基于江蘇省巖土工程勘察規范密實砂層按qc、fs外延進行樁側和樁端阻力取值。

以典型工程為例,對預制樁單樁承載力計算所涉②～⑦層土,分別參照建筑樁基技術規范中的經驗參數法(表中簡稱“經驗法”)、建筑樁基技術規范中的雙橋靜力觸探原位測試法(表中簡稱“靜探法”)和江蘇省巖土工程勘察規范按qc、fs外延取值法(表中簡稱“外延法”),進行預制樁樁基參數對比,如表2。

表2 預制樁參數取值對比表

基于以上預制樁參數3種不同取值結果,以圖1中J1、J2號孔為例,估算單樁抗壓承載力值如表3。

通過對預制樁樁基參數3種取值方法計算所得單樁抗壓承載力進行分析可知:單樁總極限側阻力標準值相差不大,極差在13%以內;而總極限端阻力因樁基參數中的極限端阻力qpk取值不同導致計算結果差異極大,外延法所得總極限端阻力接近經驗法的3倍,其單樁抗壓承載力極限值接近經驗法的2倍;由計算結果根據承載性狀分類,按經驗法基樁類型為摩擦型樁(端承摩擦樁),按靜探法和外延法基樁類型為端承型樁(摩擦端承樁)。為了明確基樁實際受力性狀和進一步驗證樁基參數選取的合理性,極限端阻力qpk的取值至關重要。

4 靜載驗證和分析

為驗證樁基參數,尤其是極限端阻力qpk的合理取值區間,選取典型工程場地布置的4根抗拔試樁(樁號KB-SZ1～KB-SZ4),6根抗壓試樁(樁號1-SZ1～1-SZ4、3-SZ1、3-SZ3),具體位置詳見圖2,試樁信息如表4。

單節預制樁錘擊進入⑦層中粗砂后結合壓樁力終止沉樁。試樁施打完畢滿足休止期要求后,進行了單樁豎向抗壓和抗拔靜載試驗,抗拔加載值超過420 kN后每級按70 kN加載,抗壓加載值超過2 800 kN后每級按400 kN加載,結果匯總如表5,樁長12 m的4根抗拔樁承載力檢測值均為1 750 kN,抗壓極限承載力檢測值均為8 050 kN。由于場地土層分布均勻,為簡化分析,視場地抗壓和抗拔樁為針對同一地層檢測。

表4 試樁信息表

表5 試樁靜載結果匯總表

由單樁抗拔極限承載力標準值計算公式:

Tuk=∑λi·qsik·ui·li

(3)

對于等周長樁來說,公式(3)即為公式(4):

Tuk=∑λi·Qski

(4)

Qski為樁側分層極限側阻力標準值,其他符號意義詳見樁基規范第5.4.6條,其中抗拔系數λ對于砂土取0.5～0.7,對于黏性土、粉土取0.7～0.8。進一步的,將式(4)中極限側阻力按砂土和黏性土分開,并假定樁身范圍內砂土總側阻為黏性土總側阻的m倍,則式(4)變為式(5):

Tuk=λ砂·m·Qsk黏+λ黏·Qsk黏

(5)

將式(5)代入式(1),則qpk表達為式(6):

qpk=[Quk-(m+1)Tuk/(λ砂m+λ黏)]/Ap

(6)

對于抗拔、抗壓檢測結果及m值為定值情況下,λ砂、λ黏取低值時,對應的qpk取值為下限值;λ砂、λ黏取高值時,對應的qpk取值為上限值。

為了獲得m值,將表3中總極限側阻力標準值Qsk分解為砂土極限側阻力標準值Qsk砂和黏性土極限側阻力標準值Qsk黏,m值即為Qsk砂/Qsk黏,如表6所示,mz值最大值和最小值極差約17%,m值建議取其平均值2.52。

表6 砂土和黏性土側阻力及m值計算表

將m、Tuk、Quk、Ap值代入式(6),λ砂、λ黏分別取低值0.5、0.7時,對應qpk下限值為19 628 kPa;λ砂、λ黏分別取低值0.7、0.8時,對應qpk上限值為22 590 kPa;故qpk取值大致在19 628～22 590 kPa之間時,與實際檢測結果更為接近。

5 結語

基于新沂城區典型工程勘察和樁基靜載資料,對淺部16～23 m深度段的超密砂層進行了工程地質特性分析、預制樁樁基參數反分析,提出如下說明和建議:

(1) 從靜載結果看,該深度段的超密砂層,狀態極好,尤其作為預制樁樁端持力層時,其端承特性顯著,樁端阻力對單樁承載力的貢獻大。

(2) 初步分析,樁端土層剛度越大,上部樁側土體位移起到阻滯約束作用,致使樁端附近土體圍壓增加,土體抗剪強度得到加強,會表現為樁端附近阻力存在增強效應。

(3) 從靜載檢測反算的極限端阻力qpk取值區間看,對于該超密砂層,qpk按建筑樁基技術規范中的經驗參數法進行取值,明顯過于保守;按建筑樁基技術規范中的靜力觸探法取值,尚存在一定的安全儲備;江蘇省巖土工程勘察規范密實砂層按qc、fs外延進行qpk取值,與實際檢測結果更為接近。

(4) 超密砂層按照不同規范和方法,預制樁極限端阻力qpk最大和最小取值之間的比值可能高達約3倍。僅按建筑樁基技術規范中的經驗參數法進行取值和一味按單樁承載力計算值主控、不作破壞性試樁的樁基設計方法,往往導致樁基設計經濟性差,同時還會帶來沉樁穿越困難等一系列樁基施工問題。故提供合理的樁基參數建議、進行破壞性試樁靜載荷試驗驗證和調整樁基參數,更有利于優化樁基設計。

(5) 本文中砂土總側阻與黏性土總側阻的比值m是通過計算結果統計得出的,作為實際砂土、黏性土樁側受力分擔情況的假定;抗拔系數λ砂、λ黏采用建筑樁基技術規范建議取值范圍的最大和最小值參與反分析,而建筑樁基技術規范λ砂、λ黏是根據全國部分城市抗拔試驗結果并參照有關規范給出的,具有統計包絡性但更加寬泛,故得出的qpk取值區間范圍相應也稍大,精確度稍差。