吳偉

(蚌埠市勘察設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，高層建筑越來越多，天然基礎(chǔ)已不能滿足設(shè)計(jì)要求，采用樁基礎(chǔ)越來越多。蚌埠淮河沿岸土質(zhì)較差，上部為可液化土層，高層建筑主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，特別是在近幾年，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在蚌埠地區(qū)沿淮地段不斷推廣，并受到了一定好評(píng)，但也存在估算單樁承載力等問題，單樁承載力對(duì)工程有著很大的工程意義。本文采用雙橋靜力觸探試驗(yàn)成果對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁承載力進(jìn)行估算，并討論其工程應(yīng)用。

2 雙橋靜力觸探的概述

2.1 靜力觸探原理

靜力觸探(CPT)是用靜力將探頭以一定的速率壓人土中，利用探頭內(nèi)的力傳感器，經(jīng)過自動(dòng)記錄儀來存儲(chǔ)貫入整個(gè)過程所得到的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了地基土的各種測量參數(shù)，如土類的判別、土的物理性質(zhì)、土的強(qiáng)度等。再通過貫入阻力與土的工程地質(zhì)特征之間的定性關(guān)系和統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，來取得土層剖面，提供地基承載力，選擇樁端持力層和估算單樁承載力等工程勘察成果。

2.2 雙橋靜力觸探基本參數(shù)

(1)探頭圓錐底截面積為15 cm2，錐尖角為60°，摩擦套筒高21.85 cm，側(cè)壁面積為300 cm2;

(2)探頭應(yīng)勻速垂直壓入土中，貫入速率以1.2 m/min;

(3)探頭測力傳感器應(yīng)連同儀器、電纜進(jìn)行定期標(biāo)定，室內(nèi)探頭標(biāo)定測力傳感器的非線性誤差、重復(fù)性誤差、滯后誤差、溫度漂移、歸零誤差均需要小于1%現(xiàn)場試驗(yàn)歸零誤差應(yīng)小于3%;

(4)深度記錄的誤差不該大于觸探深度的士1%;

(5)當(dāng)貫入深度超過30 m，或穿過厚層軟土后再貫入硬土層時(shí)，應(yīng)采取對(duì)策避免孔斜或斷桿，也可配置測斜探頭，量測觸探孔的偏斜角，校正土層界線的深度。

2.3 雙橋靜力觸探特點(diǎn)

雙橋靜力觸探以錐尖阻力(qc)和側(cè)壁阻力(fs)兩項(xiàng)指標(biāo)來反映地基土實(shí)際強(qiáng)度及變形特性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于不同類型的土可能具相同的ps、qc或fs單項(xiàng)值，因此單靠某一個(gè)指標(biāo)，是無法對(duì)土層正確分類的。使用雙橋探頭時(shí)，因?yàn)椴煌临|(zhì)的qc和fs不可能都相同，因而可以利用qc和fs這兩個(gè)指標(biāo)來區(qū)分土層類別。雙橋靜力觸探會(huì)更真實(shí)、更準(zhǔn)確的記錄下土層詳細(xì)情況。雙橋靜力觸探既是一種原位測試手段，也是一種勘探手段，它和常規(guī)的鉆探—取樣—室內(nèi)試驗(yàn)等勘探程序相比，具有快速、精確、經(jīng)濟(jì)和節(jié)省人力等特點(diǎn)。此外，在采用樁基工程勘察中，靜力觸探能準(zhǔn)確地確定樁端持力層等特征也是一般常規(guī)勘察手段所不能比擬的。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工特點(diǎn)及沉樁機(jī)理

靜壓法施工是通過靜力壓樁機(jī)的壓樁機(jī)構(gòu)以壓樁機(jī)自重和機(jī)架上的配重提供反力而將樁壓入土中的沉樁工藝。由于這種方法具有無噪音、無振動(dòng)、無沖擊力等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)今后對(duì)綠色巖土工程的要求;同時(shí)壓樁樁型一般選用預(yù)應(yīng)力管樁，該樁作基礎(chǔ)具有工藝簡明，質(zhì)量可靠，造價(jià)低，檢測方便的特性。兩者的結(jié)合便大大推動(dòng)了靜壓管樁在蚌埠地區(qū)淮河沿岸的應(yīng)用，使之成為蚌埠樁基發(fā)展的主打產(chǎn)品。靜壓樁沉樁機(jī)理沉樁施工時(shí)，樁尖“刺入”土體中時(shí)原狀土的初應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，造成樁尖下土體的壓縮變形，土體對(duì)樁尖產(chǎn)生相應(yīng)阻力，隨著樁貫入壓力的增大，當(dāng)樁尖處土體所受應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體發(fā)生急劇變形而達(dá)到極限破壞，土體產(chǎn)生塑性流動(dòng)(黏性土)或擠密側(cè)移和下拖(砂土)，在地表處，黏性土體會(huì)向上隆起，砂性土則會(huì)被拖帶下沉。在地面深處由于上覆土層的壓力，土體主要向樁周水平方向擠開，使貼近樁周處土體結(jié)構(gòu)完全破壞。由于較大的輻射向壓力的作用也使鄰近樁周處土體受到較大擾動(dòng)影響，此時(shí)，樁身必然會(huì)受到土體的強(qiáng)大法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁尖阻力的抵抗，當(dāng)樁頂?shù)撵o壓力大于沉樁時(shí)的這些抵抗阻力，樁將繼續(xù)“刺入”下沉。反之，則停止下沉。

4 估算預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁豎向極限承載力實(shí)例分析

4.1 工程地質(zhì)概況

蚌埠某高層建筑工程位于在淮上區(qū)政府西路以西、政府北路以北。主要建筑物包括1 棟18 層商住樓，13 棟11 層住宅樓，27 棟3 ～6 層住宅樓，一層地下室。擬建場地地貌單元屬淮河北岸河漫灘相。主要土層為:①層耕土(Q4ml)，②層粉土(Q4al)，③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4al)，④層粉質(zhì)黏土(Q4al)，⑤層細(xì)砂(Q3al)，⑤1層粉質(zhì)黏土和細(xì)砂互層土(Q3al)，⑥粉質(zhì)黏土(Q3al)，⑦層細(xì)中砂(Q3al)，⑧層全風(fēng)化花崗片麻巖(Ar)，⑨層強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖(Ar)，⑩層中風(fēng)化花崗片麻巖(Ar)。在勘探深度范圍內(nèi)所揭露的10 個(gè)土層中，⑤層細(xì)砂和⑦層中砂強(qiáng)度較高。對(duì)本工程來講，建議選擇⑤層細(xì)砂或⑦層中砂強(qiáng)度較高作為樁端持力層。最初擬采用沉管灌注樁，經(jīng)鉆探后建議采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC 樁)。

4.2 實(shí)例計(jì)算

本場地地上部Q4沉積地層較厚且為液化土層，其含水量高、狀態(tài)差、強(qiáng)度低，不宜作為天然地基上的淺基礎(chǔ)持力層使用且工程上部荷載較大，擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，且樁外徑600 mm、內(nèi)徑340 mm。分別采用雙橋靜力觸探法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

(1)雙橋靜力觸探法

按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94 －2008)5.3.4 條，當(dāng)根據(jù)雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，對(duì)于黏性土、粉土和砂土，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)可按下式計(jì)算:

式中:QUK——單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)

QSK、QPK——分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)和總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kN);

u—樁身周長(m);

li—樁周第i 層土的厚度(m);

βi—第i 層土樁側(cè)阻力綜合修正系數(shù)，黏性土、粉土:βi=10.04(fsi)－0.55;

砂土:βi=5.05(fsi)－0.45;

fsi——第i 層土的探頭平均側(cè)阻力(kPa);

α—樁端阻力修正系數(shù)，對(duì)于黏性土、粉土取2/3，飽和砂土取1/2;

qc—樁端平面上、下探頭阻力，取樁端平面;以上4 d(d 為樁的直徑或邊長)范圍內(nèi)按土層厚度的探頭阻力加權(quán)平均值(kPa)，然后再和樁端平面以下1 d 范圍內(nèi)的探頭阻力值(kPa)進(jìn)行平均;

Ap—樁端面積(m2)

根據(jù)場地內(nèi)jk2，jk4，jk14，jk20 四個(gè)靜探孔的資料見圖1，采用⑦層細(xì)中砂作為樁端持力層，并進(jìn)入樁端1.5 m。采用式(1)計(jì)算如下:

jk2 號(hào)孔:QUK=QSK+QPK=u∑liβifsi+αqcAp=1.884×［4.5 × 10.04 × (34.2)－0.55× 34.2 + 2.1 × 10.04 ×(15.9)－0.55×15.9 +6.5 ×10.04 ×(32)－0.55×32 +6.8 ×5.05×(93.0)－0.45×93.0+3.8×5.05×(62.0)－0.45×62.0+2.7 × 10.04 × (14.7)－0.55× 14.7 + 1.5 × 5.05 ×(177.6)－0.45×177.6+0.5×19340×0.1919］=4246 kN;

同上所得，jk4，jk16，jk20 號(hào)孔單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值QUK分別為4 737 kN，4 632 kN，4 756 kN，其平均值:QUK=4593 kN。

各孔的側(cè)壁阻力和錐尖阻力及各孔詳細(xì)資料如表1、圖1所示。

表1 巖土參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值采用表

圖1 靜力觸探資料地質(zhì)剖面圖

(2)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算

按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94 －2008)5.3.8 條，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定敞口預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下列公式計(jì)算:

當(dāng)hb/d ＜5 時(shí)，λp=0.16hb/d

當(dāng)hb/d≥5 時(shí)，λp=0.8

qsik—樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94 －2008)表5.3.5 －1 取值;

qpk—極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)，可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94－2008)表5.3.5－2 取值。

Aj—空心樁樁端凈面積:管樁:Aj=π/4(d2－d21);

Apl—空心樁敞口面積;

λp—樁端土塞效應(yīng)系數(shù);

d—空心樁外徑;

d1—空心樁內(nèi)徑。

同樣根據(jù)場地內(nèi)jk2，jk4，jk14，jk20 四個(gè)靜探孔的資料，采用⑦層細(xì)中砂作為樁端持力層，并進(jìn)入樁端1.5 m。采用式(2)計(jì)算如下:

jk2 號(hào)孔:Quk= QSK+ QPK= u∑qsikli+ qpk(Aj+λpApl)=1.884 ×(40 ×4.5 +28 ×2.1 +60 ×6.5 +56×6.8 + 40 × 3.8 + 55 × 2.7 + 80 × 1.5)+ 6500 ×(0.1919 +0.0907 ×0.40)= 4177(kN);

同上所得，jk4，jk16，jk20 號(hào)孔單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值QUK分別為4 208 kN，4 308 kN，4 360 kN，其平均值:QUK=4 263 kN。

各孔的側(cè)阻力和端阻力及各孔詳細(xì)資料見表1及圖1。

4.3 結(jié)果對(duì)比與分析

經(jīng)過兩種單樁承載力算法，靜力觸探法比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法值對(duì)比和分析，現(xiàn)總結(jié)如下;

(1)單從兩種計(jì)算過程來說，用靜力觸探資料估算混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，方法較為簡單，計(jì)算過程不繁瑣，靜探數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，但對(duì)樁端qc值的計(jì)算較為繁瑣。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法，其數(shù)據(jù)都是估算值，沒有靜探資料直接。同時(shí)靜探資料也能采取一孔一算，上述幾點(diǎn)比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法優(yōu)越。

(2)單從計(jì)算結(jié)果來說，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算數(shù)值小于靜力觸探資料計(jì)算的數(shù)值。對(duì)于本工程來說，如果以靜力觸探資料計(jì)算出的數(shù)值為主，作為樁基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)的參數(shù)，可有效地減少工程上對(duì)人力和物力的浪費(fèi)。

(3)單從適應(yīng)性來說，蚌埠沿淮地區(qū)的地貌單元類型為淮河河漫灘，主要土性為黏性土、粉土、砂土。靜力觸探適合該地質(zhì)環(huán)境，也可更好地反映沉樁情況。

(4)從準(zhǔn)確性來說，靜力觸探法估算的平均值比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算的平均值大了330 kN，高出約8%。從工程試樁結(jié)果來說，其值大于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算值和靜力觸探法估算值，靜力觸探法估算值更接近試樁結(jié)果。但其準(zhǔn)確性還需要更多的資料來驗(yàn)證。

(5)兩種估算結(jié)果都小于試樁結(jié)果，可能原因如下:①估算的側(cè)壁及樁端估算值保守，導(dǎo)致其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值偏小。②靜力觸探法中的βi選擇，在場地內(nèi)⑤1層粉質(zhì)黏土和細(xì)砂互層土，對(duì)于βi選擇也是值得考慮的。③靜力觸探原始數(shù)據(jù)的處理問題。靜力觸探曲線上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)非常陡的“峰”或“谷”，這正反映了天然沉積土層，特別是砂層的土性、強(qiáng)度的變化。對(duì)于本工程來說，對(duì)于樁端qc的統(tǒng)計(jì)就存在不小的差別。④《規(guī)范》中的計(jì)算公式，是適合全國的，全國各地區(qū)地質(zhì)條件不盡相同，各地都有特殊性，如果要想估算出更符合實(shí)際的數(shù)值，應(yīng)該積累本地區(qū)的資料，在有大量的可靠資料后，對(duì)該公式進(jìn)行某些修正，使之能適用本地區(qū)的各種地質(zhì)條件的公式。

5 結(jié) 語

通過蚌埠沿淮地區(qū)的實(shí)際工程場地的雙橋靜探資料并按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94 －2008)中靜力觸探的方法對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行估算，并與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法估算值進(jìn)行對(duì)比與分析，雙橋靜力觸探法估算預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁承載力在蚌埠沿淮地區(qū)是可以適用的。同時(shí)靜力觸探適合該地質(zhì)環(huán)境，且靜力觸探機(jī)理和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的作用機(jī)理類似，可以采用雙橋靜力觸探法為基準(zhǔn)，通過積累本地區(qū)的工程資料，對(duì)公式進(jìn)行修正，建立地方經(jīng)驗(yàn)公式，從而提高估算單樁豎向極限承載力的準(zhǔn)確性，從而提高工程勘察成果質(zhì)量，為工程節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

［1］工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì)．工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．

［2］JGJ94 －2008．建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［3］梁勇．靜力觸探試驗(yàn)估算預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁承載力的工程應(yīng)用［J］．廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2009(4):99 ～102．

［4］張俊仁．用靜力觸探資料估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的幾點(diǎn)體會(huì)［J］．吉林地質(zhì)，2011，30(1):139 ～142．