傅國平

(銅陵市建筑工程管理局，安徽 銅陵 244000)

0 引 言

當(dāng)天然地基承載力不能滿足建筑物豎向承載力要求時(shí)，常選用樁基礎(chǔ)方案。樁基礎(chǔ)種類繁多，需要結(jié)合具體地質(zhì)情況選擇合適的樁型。當(dāng)樁基持力層為基巖及中風(fēng)化巖石時(shí)，常用的基礎(chǔ)方案為灌注樁，按照成孔工藝可以選用鉆孔灌注樁和人工挖孔樁。考慮施工安全性問題，人工挖孔樁被列為限制性用樁，但基樁進(jìn)入持力層，可以直觀地了解樁底巖土的特性，人工清孔可以嚴(yán)格控制樁底殘?jiān)穸?，故?dāng)柱底豎向荷載較大，條件允許時(shí)(如樁長短，無大面積填土，地下水位低等)，人工挖孔樁仍為最優(yōu)方案。其質(zhì)量安全可靠，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。目前，人工挖孔樁在我省一些地區(qū)如銅陵、六安等地仍有廣泛使用，且當(dāng)?shù)赜兄S富的施工經(jīng)驗(yàn)。而對(duì)于大直徑嵌巖樁的承載力計(jì)算，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算規(guī)定有所不同，本文結(jié)合工程實(shí)例，用計(jì)算結(jié)果詳細(xì)分析了兩本規(guī)范算法的差異，同時(shí)結(jié)合重慶[1]、貴州[2]等地的地基基礎(chǔ)規(guī)范的設(shè)計(jì)方法，給出了大直徑嵌巖樁的承載力計(jì)算建議。同時(shí)，針對(duì)大直徑嵌巖樁豎向承載力檢測(cè)困難的問題，依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)規(guī)范》并結(jié)合工程實(shí)例，給出了檢測(cè)方案。

1 工程概況

某四季瀾山項(xiàng)目，總建筑295 421.30 m2，分為住宅地塊和商業(yè)地塊。其中商業(yè)地塊總建筑面積129 227.35 m2，地上建筑面積為97 279.34 m2，地下總建筑面積31 948.01 m2。整個(gè)項(xiàng)目由酒店、會(huì)展中心、SOHO辦公、商業(yè)零售及相關(guān)配套用房等組成。3幢塔樓分別為1幢24層的酒店和2幢14層的loft公寓，如圖1所示。

圖1 四季瀾山商業(yè)地塊鳥瞰

2 基礎(chǔ)選型及承載力計(jì)算

2.1 地質(zhì)情況

表1 天然地基設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

地勘報(bào)告建議在填土較厚區(qū)可選用人工挖孔樁(墩)或鉆孔灌注樁方案，以⑤層中風(fēng)化砂巖作為樁端持力層，且進(jìn)入⑤層中風(fēng)化砂巖不少于0.5 m。

2.2 基礎(chǔ)方案選型

分析酒店塔樓對(duì)應(yīng)的地質(zhì)勘孔可知，酒店主樓基礎(chǔ)底板以下為①層雜填土，厚度為1.5～5 m，故無法采用天然地基方案，根據(jù)地質(zhì)情況，可選用灌注樁方案，施工工藝可選旋挖成孔或人工成孔，樁基持力層為⑤層中風(fēng)化砂巖。酒店主樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑總高度為99.45 m，柱網(wǎng)為8.4 m×8.4 m，單柱柱底荷載最大約為26 000 kN，柱底荷載巨大。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較研究，最優(yōu)基礎(chǔ)方案為單柱下大直徑擴(kuò)底灌注樁。其荷載傳力直接可靠，且可充分發(fā)揮擴(kuò)大頭的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)性好。

根據(jù)地勘報(bào)告要求，樁端要求進(jìn)入⑤層中風(fēng)化砂巖不少于0.5 m。由于持力層坡度較大(坡度約15%)，為確保樁基設(shè)計(jì)安全，需樁底最不利截面處(基巖坡下方)進(jìn)入持力層大于0.4D且大于0.5 m，故對(duì)成孔后的樁端持力層檢驗(yàn)尤為重要。經(jīng)過綜合考慮，確定采用人工挖孔樁方案，該樁型在當(dāng)?shù)貞?yīng)用廣泛，且成樁質(zhì)量可靠?？筛鶕?jù)柱底荷載不同，調(diào)整樁底擴(kuò)大頭大小來滿足承載力要求，充分發(fā)揮樁身強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，具有其他鉆孔樁無法比擬的經(jīng)濟(jì)效果。同時(shí)，為了確保施工安全，嚴(yán)格控制擴(kuò)大頭直徑不大于樁身直徑的2倍。

2.3 樁長的選取

現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大直徑擴(kuò)底灌注樁技術(shù)規(guī)程》[4]第2.1.1條對(duì)大直徑擴(kuò)底灌注樁給出的定義為：樁身直徑不小于800 mm,樁長不小于5.0 m的樁。如果有效樁長小于5 m，則按墩基礎(chǔ)(淺基礎(chǔ))進(jìn)行設(shè)計(jì)，墩基的適用范圍一般為埋深大于3 m、直徑不小于800 mm且埋深與墩身直徑的比小于6或埋深與擴(kuò)底直徑的比小于4的獨(dú)立剛性基礎(chǔ)。墩身有效長度不宜超過5 m。墩基礎(chǔ)的地基承載力特征值一般按天然基礎(chǔ)寬度和深度修正(巖石地基均不修正)，并且不計(jì)墩身側(cè)阻力。由于基底面積按天然地基的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，免去了單墩載荷試驗(yàn)，這種算法在工期緊張的情況下較受歡迎。但經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樁與墩的承載力有著明顯差別，如Φ800 mm的樁(不擴(kuò)頭)單樁豎向承載力為2 000 kN,而Φ800 mm的墩(不擴(kuò)頭)的豎向承載力為900 kN?？梢?，由于規(guī)范的限制，樁長微小的差距就可能造成單樁豎向承載力數(shù)倍的變化。故本工程在設(shè)計(jì)時(shí)盡量控制樁長為大于5 m，但有時(shí)考慮人工入巖困難且施工緩慢等施工因素，本工程裙房少數(shù)柱底荷載小的基礎(chǔ)按照墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

2.4 單樁承載力計(jì)算

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第8.5.6條規(guī)定：?jiǎn)螛敦Q向承載力特征值按式(1)計(jì)算：

Ra=qpaAP+up∑qsiali

(1)

當(dāng)樁端嵌入完整或者較完整的硬質(zhì)巖中，當(dāng)樁長較短且入巖較淺時(shí)，單樁豎向承載力特征值按式(2)計(jì)算：

Ra=qpaAP

(2)

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；AP為樁底端橫截面面積，m2；up為樁身周邊長度(m)；li為第i層巖石的厚度，m。

而《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]第5.3.9條規(guī)定，當(dāng)樁端嵌入完整或者較完整的硬質(zhì)巖中，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按式(3)計(jì)算：

Quk=Qsk+Qrk

(3)

Qsk=u∑qsikli

(4)

Qrk=ζrfrkAP

(5)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qsk、Qrk分別為土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；u為樁身周長，m；qsik為樁周第i層土的極限側(cè)阻力；frk為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ζr為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]第5.2.2條，單樁豎向承載力特征值Ra應(yīng)按式(6)確定：

(6)

式中：K為安全系數(shù)，取K=2。

對(duì)比兩種規(guī)范算法可以發(fā)現(xiàn)，兩者最大的差別在于樁端阻力的計(jì)算。為便于直觀研究兩種算法的區(qū)別，本文取Φ1 000 mm的樁，按照不同的嵌巖深度計(jì)算單樁豎向承載力，計(jì)算結(jié)果見表3，考慮上覆土層樁身側(cè)阻力較小，計(jì)算忽略持力層以上的樁身摩阻力。

表3 不同規(guī)范算法計(jì)算的單樁承載力特征值

2.根據(jù)樁端持力層巖石鉆芯法檢測(cè)結(jié)果，frk近似取最小值為18.2 MPa；ζr按規(guī)范表5.3.9內(nèi)插取值，對(duì)于人工挖孔樁清底干凈，取放大系數(shù)1.2。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，隨著嵌巖長度的增加，兩種算法計(jì)算的單樁豎向承載力特征值差距越來越大，即使按照常用的嵌巖長度0.5 m計(jì)算，采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算的單樁承載力特征值也是按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果的2.3倍。而目前安徽省的地勘報(bào)告通常只給出qpa，很少給出frk，故大多數(shù)設(shè)計(jì)人員只能按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)，究其原因是地勘部門認(rèn)為中風(fēng)化巖石由于風(fēng)化程度的不同，巖體完整程度不同，故給出的計(jì)算參數(shù)都偏保守。按照地勘報(bào)告提供的⑤層中風(fēng)化砂巖天然地基承載力反算，巖石強(qiáng)度折減系數(shù)ψr僅取規(guī)范的最小值，約為0.1。此算法大大影響了基巖強(qiáng)度的發(fā)揮，造成了不必要的浪費(fèi)。針對(duì)此種情況，可參考重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB J50-047—2016)(以下簡(jiǎn)稱“重慶地標(biāo)”)中的處理方法。

該規(guī)范將巖質(zhì)地基分為兩個(gè)檔次：

一是對(duì)于地勘資料給出巖石單軸強(qiáng)度較低、巖石較破碎難以獲得單軸抗壓強(qiáng)度，或工程需要進(jìn)一步提高地基承載力已進(jìn)行原位巖石載荷板試驗(yàn)得到了較高的樁端地基承載力。原重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB J50-047—2006)提出了通過樁側(cè)假想擴(kuò)散角模擬樁側(cè)巖石阻力的擴(kuò)底端承樁計(jì)算公式。具體規(guī)定內(nèi)容如下：

干作業(yè)成孔且清底干凈的嵌巖樁，嵌入完整、較完整巖石段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定時(shí)，可按下列公式計(jì)算：

當(dāng)嵌巖深度小于1倍樁徑時(shí)，

Qrk=fukAP

(7)

當(dāng)嵌巖深度不小于1倍樁徑時(shí)，

Qrk=1.2βfukAP

(8)

式中：fuk為現(xiàn)場(chǎng)載荷板試驗(yàn)所得樁端地基極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

AP為嵌巖段樁端橫截面面積；

β為考慮嵌固力影響后的承載力綜合系數(shù)，當(dāng)嵌巖深度小于1倍樁徑時(shí)，β=1；當(dāng)嵌巖深度不小于1倍樁徑時(shí)，β按規(guī)范表8.7.8-1～3取值。該系數(shù)按樁型區(qū)分。

二是對(duì)樁端嵌入完整、較完整巖石時(shí)，直接利用巖石單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算，此時(shí)計(jì)算公式同式(5)。計(jì)算單樁承載力特征值時(shí)，第一檔次計(jì)算的安全系數(shù)取3，第二檔次計(jì)算的安全系數(shù)取2。

對(duì)比重慶地標(biāo)和國標(biāo)可知，當(dāng)樁端持力層基巖完整度較差時(shí)，重慶地標(biāo)要求根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算樁基承載力，同時(shí)對(duì)于嵌巖樁忽略樁身摩阻力。故本文建議在設(shè)計(jì)嵌巖樁時(shí)應(yīng)主動(dòng)要求地勘單位提供frk，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，條件合適時(shí)可考慮現(xiàn)場(chǎng)做巖基載荷試驗(yàn)確定樁端地基承載力。當(dāng)基巖為軟巖時(shí)，可對(duì)比增設(shè)擴(kuò)大頭和增加嵌巖長度兩種方案的經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮施工因素給出最優(yōu)方案。

3 樁基承載力檢測(cè)

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.5.6條規(guī)定，單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過靜載試驗(yàn)確定，而加載方式規(guī)范明確為慢速維持荷載法。本工程最大的單樁豎向承載力為26 900 kN,對(duì)于這么大的噸位，現(xiàn)場(chǎng)沒有條件來堆載，也遠(yuǎn)超過了樁端預(yù)埋載荷箱的試驗(yàn)范圍。依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]第3.3.7條規(guī)定，本工程共采用了下列幾種方式進(jìn)行樁基承載力和樁身質(zhì)量核驗(yàn)[8]:

(1) 采用鉆芯法測(cè)定樁底沉渣厚度及檢測(cè)樁身完整性。選取數(shù)量為不少于樁總數(shù)的10%且不少于10根，本工程抽檢數(shù)量為10根，檢測(cè)結(jié)果均為Ⅰ類樁且樁底無殘?jiān)?。選取不少于樁總數(shù)的10%且不少于10根進(jìn)行樁端持力層巖土芯樣檢測(cè)，本工程共選取22根樁鉆取樁端持力層巖土芯樣檢測(cè)試件進(jìn)行檢測(cè)(其中單柱單樁全部檢測(cè))，芯樣最小強(qiáng)度為18.1 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

(2) 采用深層平板載荷試驗(yàn)或巖基平板載荷試驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)量不應(yīng)小于總樁數(shù)1%且不少于3點(diǎn)，本工程檢測(cè)點(diǎn)數(shù)為3點(diǎn)，依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄H,巖基平板載荷試驗(yàn)采用直徑300 mm圓形剛性承壓板。試驗(yàn)最大加載能力不小于設(shè)計(jì)樁端持力層承載力特征值3倍。荷載分級(jí)：按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)附錄H第H.0.5條規(guī)定，加載時(shí)，第一級(jí)加載值應(yīng)為預(yù)估值的1/5，以后每級(jí)應(yīng)為預(yù)估設(shè)計(jì)荷載的1/10，某加載點(diǎn)的平板載荷試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 巖基平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

由表4可知，當(dāng)加載到12 000 kPa時(shí)，沉降速率仍保持穩(wěn)定，最大沉降量為1.978 mm。故將極限荷載除以3可得到基巖的樁端承載力為4 000 kPa，符合設(shè)計(jì)要求。

(3) 采用低應(yīng)變進(jìn)行人工挖孔樁的樁身完整性檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)量為100%；所有檢測(cè)的樁均為Ⅰ類樁，均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(4) 對(duì)于大直徑嵌巖灌注樁，采用聲波透射法隨機(jī)抽查樁身的完整性。規(guī)范要求抽檢數(shù)量為10%，本工程檢測(cè)數(shù)量為30%。檢測(cè)結(jié)果為12根Ⅰ類樁，8根Ⅱ類樁，均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(5) 人工挖孔樁終孔時(shí)，采用釬探法進(jìn)行樁端持力層檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)孔底下3倍樁徑或5 m深度范圍內(nèi)有無土洞、溶洞、破碎帶或軟弱夾層等不良地質(zhì)條件。本工程對(duì)基樁進(jìn)行了釬探檢測(cè)，孔底下3倍樁徑或5 m深度范圍內(nèi)均無土洞、溶洞、破碎帶或軟弱夾層等不良地質(zhì)條件，均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

綜合所述，為確保工程質(zhì)量，本工程依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》并采用了比規(guī)范更為嚴(yán)格的多種檢測(cè)方法進(jìn)行了持力層、樁基承載力和樁身質(zhì)量核驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果均合格，確保了工程質(zhì)量，為進(jìn)行下一步施工工序奠定了良好基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

(1) 人工挖孔樁雖為限制性用樁，但當(dāng)樁基設(shè)計(jì)等級(jí)較高，樁端持力層傾斜面大，且無不利施工因素時(shí)仍可重點(diǎn)考慮。

(2) 現(xiàn)行規(guī)范對(duì)嵌巖樁的單樁豎向承載力計(jì)算規(guī)定有較大區(qū)別，本文建議設(shè)計(jì)嵌巖樁時(shí)應(yīng)優(yōu)先按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》考慮嵌徑比的方法進(jìn)行計(jì)算。

(3) 對(duì)于大直徑嵌巖灌注樁，當(dāng)受設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)條件限制無法檢測(cè)單樁豎向抗壓承載力時(shí)，可采用其他多種方式綜合核驗(yàn)樁基承載力。