載體樁在太原地區粉土地層中的應用研究①

魏世輝, 郭建勇

(1.阜陽職業技術學院城鄉建設學院,安徽 阜陽 236031;2.鄭州中糧科研設計院有限公司,河南 鄭州 450053)

0 引 言

大型工業建筑因結構體系特殊、上部結構荷載較大、工藝要求精確度高,需要地基基礎具有較高的承載力和較小的沉降變形。載體樁因施工工藝簡單、質量易控制以及可以消納建筑垃圾等優點,在工程中被廣泛采用,國內學者針對載體樁在砂土、卵石等不同地質條件的受力性能進行了相應研究[1-4]。通過不同地質條件下載體樁的工程應用研究,表明載體樁在不同土質條件下均有很好的適用性,在有效的樁長的情況下取得較高的承載力,并能較好的抵抗沉降變形。例如杜明芳等[5]通過對密實砂土層作為持力層的載體樁試驗,證明載體樁在砂土層中能夠確保良好的施工質量,并獲得較高的單樁承載能力。王建安等[6]通過對比灌注樁和載體樁在粉質黏土中的成樁質量、靜載試驗結果和經濟效益,表明了在粉質黏土地區載體樁比灌注樁具有更好的經濟性。李輝[7]通過對載體樁在樁筏基礎的應用研究,表明了載體樁相比灌注樁具有較高承載力,且其施工工藝相對簡單、質量易控制、不受地下水影響,并可以消納建筑垃圾,節能環保。張培成等[8]通過在飽和軟土地基中采用載體樁,表明了載體樁在軟土地基中也有較高的承載力,施工質量較好,比預制管樁的工程性能更好。李均山等[9]研究了載體樁在卵石地層中的應用,結果表明以卵石為持力層的載體樁具有較好的適用性,承載能力和抵抗沉降性能良好。以上文獻針對不同的地址條件對載體樁的應用進行了研究,由于我國幅員遼闊,土質條件復雜多樣,載體樁在不用土質條件中的性能雖然有些差異,但整體表現良好。文章對載體樁在粉土層的應用進行研究,分析其在粉土層中特點,為載體樁在不同土層中適用情況提供支撐,同時也能為同地區載體樁的應用提供參考。

1 工程概況及地質條件

該工程位于山西省太原市,結構平面布局為長方形,長47m,寬16.8m。根據建筑功能和結構特點,采用框架結構,共7層,建筑高度為36.5m。由于上部結構荷載大,沉降變形要求嚴格,采用樁基礎,基礎埋深 2.5 m。

場地位于高低起伏黃土山體,高差較大,場地已進行整平處理。場地及場地附近無全新活動斷裂和其它不良地質作用,場地為相對穩定場地。場地內地下水位埋藏較深,不在勘察深度范圍內。場地地基土自上而下依次為:素填土、濕陷性粉土、粉土、粉質粘土;場地為非自重濕陷場地,地基濕陷等級為Ⅰ(輕微)級。各土層厚度、承載力、壓縮模量等物理力學參數見表 1。

表1 場地地層參數

2 載體樁設計

2.1 基礎設計方案選擇

該場地為高低起伏黃土山體,無全新活動斷裂通過,也不存在危及工程安全和場地穩定性的不良地質作用,屬于相對穩定場地。針對工程地質條件,對不同的基礎方案進行了初選。

圖1 載體樁樁身結構圖

(1)淺基礎方案。以濕陷性黃土層作為持力層,該土層具有非自重濕陷性,需進行處理,且該層承載力不足,沉降變形不易控制。以粉土層作為持力層,基礎埋置較深或換填厚度較大,施工困難,綜合造價較高。

(2)樁基礎方案。無論預制樁還是灌注樁,樁徑相對較小,需要樁長較長,需要40多米,且灌注樁成孔需要采取可靠的護壁措施,綜合造價高。

經對基礎方案綜合對比后,綜合現場試樁情況,考慮采用載體樁基礎方案。通過樁端載體對粉土持力層的擠密作用,有效提高載體樁的單樁承載力。同時,載體樁樁長總體可控制在14m左右,可有效降低施工難度和工程造價。該方案施工難度較低、施工可行性高,能有效保證工程的安全性,提高工程的經濟性。

2.2 載體樁設計

工程樁基礎設計等級為乙級,設計樁徑500 mm,單樁承載力特征值 2000 kN,以粉土層作為樁端持力層。載體樁豎向承載力按式(1)、式(2)計算,具體計算結果見表2。由計算結果可得出,單樁豎向承載力滿足設計要求。

Ra=fa·Ae

(1)

fa=fak+ηdγm(d-0.5)

(2)

表2 載體樁豎向承載力

根據《載體樁技術標準》(JGJ/T135-2018)規定[10],載體樁樁間距不宜小于3倍樁身直徑,當被加固土層為粉土、砂土或碎石土時,樁間距不宜小于1.6m。該工程樁中心距取1.8m,根據荷載大小不同,分別采用兩樁承臺、三樁承臺、四樁承臺和五樁承臺。施工時應按照規范要求,嚴格控制落距、填料用量和最后三擊貫入度。載體樁樁身設計圖見圖1。

2.3 樁身強度驗算

樁身強度影響著載體樁對豎向荷載的承載能力,根據《載體樁技術標準》(JGJ/T135-2018)規定,當樁頂以下5倍樁身直徑范圍內的螺旋式箍筋間距大于100 mm[10]時,載體樁正截面受壓承載力可以按式(3)計算,參數含義和樁身強度計算見表3。由計算結果可得出,樁身強度滿足設計要求。

(3)

表3 樁身強度計算

2.4 沉降計算

根據載體樁技術標準進行沉降計算[10],計算公式見式(4)。式中計算參數含義及取值見表4。

(4)

表4 沉降計算參數及結果

根據計算結果,本工程基礎沉降差小于規范允許值(15.0 mm),基礎變形滿足規范要求。

3 載體樁檢測

3.1 低應變動力檢測

該工程采用低應變反射波法檢測樁身結構的完整性,對樁身缺陷位置、混凝土強度等級進行判斷和評定。在樁頂安置加速度傳感器,通過在樁頂實施錘擊,激起樁頂質點的振動,從而在混凝土樁身中傳播而形成應力波,利用應力波反射狀況判斷樁身完整性情況。該工程在試驗樁靜載試驗前、后進行了2次低應變動力檢測,全部為Ⅰ類合格樁。

3.2 單樁豎向抗壓靜載試驗

該工程載體樁單樁豎向抗壓靜載試驗采用自動載荷測試分析系統進行檢測,加載系統采用壓重平臺反力裝置,檢測樁數為隨機抽取3根。檢測加載采用慢速維持荷載法,最大加載值為4000 kN,分級荷載為最大加載值的1/10,其中第一級按分級荷載的2倍加載。單樁靜載試驗結果見表5。

表5 載體樁單樁靜載試驗結果

根據靜載試驗結果,繪制出SZ1樁的Q-s和s-lgQ曲線,見圖2。其他2根試驗樁的Q-s和s-lgQ曲線同SZ1相似。

由于載體樁靜載試驗以檢測單樁承載力是否滿足要求為目標,沒有進行破壞性壓力試驗。由圖3可看出,載體樁Q-s曲線呈緩變型,特征點不明顯,無明顯陡降段;s-lgQ曲線尾部未發生明顯向下彎曲。根據靜載實驗結果表明,載體樁的端承效應明顯,單樁承載力特征值可取為2000 kN。

3.3 建筑沉降觀測

為了掌握建筑物的沉降情況,保證建筑物安全使用。按照建筑地基規范的要求,在建筑物施工過程中和使用期間進行了沉降觀測。

根據沉降觀測結果表明,建筑在施工完成后,最大沉降量達到6.8mm,9個月沉降基本穩定,最大沉降量為10.4mm。建筑物沉降量小于沉降計算值和單樁載荷試驗值,這是因為,一是在施工過程的碾壓、堆載等活動促進土的固結;二是載體樁加固性能好、安全儲備較高。

4 結 論

(1)工程實踐表明,載體樁在粉土中有較好的工程適用性,以粉土層為持力層可以獲得較高的單樁承載力。采用載體樁基礎,可以控制樁長,具有較好的經濟性。

(2)載體樁在靜載試驗下的Q-s曲線呈緩變型、s-lgQ曲線無明顯向下彎曲,表明載體樁承載能力較好,其受力形式接近于端承樁,符合載體樁承載力計算模型。沉降觀測表明載體樁抵抗沉降變形能力良好,樁端加固效果好,加固范圍土體抗剪強度提高,滿足工程要求。

(3)載體樁單樁承載力計算時,以端承樁的模式進行計算,沒有考慮樁身側摩阻力。結合載荷試驗,載體樁承載力相對于計算值仍有較大的儲備。為充分發揮載體樁的承載能力,提高工程的經濟性,施工前應先進行試樁,合理確定載體樁單樁承載力。