丁小偉

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

1 概 述

西安地區(qū)黃土層厚度較大，高層建筑基礎(chǔ)的主要形式為長(zhǎng)樁基礎(chǔ)或素混凝土樁復(fù)合地基，而在北郊渭河階地，地表以下20m左右存在較厚的密實(shí)砂層，工程地質(zhì)條件良好[1]。類似場(chǎng)地的高層建筑地基方案，一般會(huì)沿用上述方式，先將上部黃土經(jīng)過素土擠密樁處理消除濕陷性后，再采用穿透該砂層的灌注樁或素混凝土樁復(fù)合地基，顯然砂層的承載潛力沒有得到充分的挖掘利用。

PHC管樁質(zhì)量穩(wěn)定可靠，樁身強(qiáng)度高，具有卓越的貫入性能，相關(guān)資料表明[2，3]，隨著樁頂荷載的增加，敞口管樁沉入密實(shí)砂層，樁端周圍砂層受到劇壓，砂土涌入管內(nèi)形成一定高度的土芯，阻止外部土體繼續(xù)進(jìn)入樁內(nèi)，在樁下端砂層形成阻力拱效應(yīng)[4]，可以顯著提高樁豎向承載力和減小沉降量[5]，樁徑不大于600mm的小直徑敞口樁土塞效應(yīng)更強(qiáng)[2，4]，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于管樁土塞作用機(jī)理的探索研究較多，有結(jié)果顯示當(dāng)土塞高度大于5倍樁徑時(shí)一般不會(huì)發(fā)生破壞[4]，實(shí)際應(yīng)用可參考閉口樁的承載性能，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)[2]。敞口樁端阻力作用機(jī)理如圖1所示，在土塞效應(yīng)下，樁端在砂層中包含樁壁外側(cè)摩阻力、樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力及樁壁端阻力，在樁底周圍形成力學(xué)機(jī)理復(fù)雜的“應(yīng)力核”[4]。土塞的力學(xué)性狀受制于土塞高度、閉塞程度、沉樁工藝、樁徑、持力層土的密實(shí)度等因素，樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力很難定量，為了實(shí)際應(yīng)用，并與《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[6]中公式統(tǒng)一，按照力的平衡原理，將內(nèi)壁側(cè)摩阻力等量轉(zhuǎn)化為土塞端阻力，即將圖1簡(jiǎn)化為圖2，這樣就可以利用樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果，分析名義等效端阻力(為樁壁端阻力和土塞端阻力之和)，反算出砂層中端阻力修正系數(shù)，對(duì)文獻(xiàn)[6]中公式5.3.8-1進(jìn)行修正。該工程挖掘砂層的端承潛力，將其作為摩擦端承型管樁的持力層，取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2 項(xiàng)目概況及工程地質(zhì)條件

某建筑位于西安市北郊，地上33層，地下2層，建筑高度99.8m，地上建筑面積2.96萬m2，剪力墻結(jié)構(gòu)，平板式筏基，地下室與周圍地下車庫相通。基礎(chǔ)頂面以上荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合的豎向力，加上筏板及其以上土的自重標(biāo)準(zhǔn)值合計(jì)約為496000kN，抗震設(shè)防烈度為8°，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，該工程2012年6月完成設(shè)計(jì)，2014年1月結(jié)構(gòu)封頂。

擬建場(chǎng)地地貌屬于渭河二級(jí)階地，場(chǎng)地穩(wěn)定，適宜建造；地下水穩(wěn)定水位埋深介于16.50～17.60m，低于基礎(chǔ)底面約7.0m，不考慮抗浮設(shè)計(jì)；②黃土、③黃土、④古土壤屬Ⅱ級(jí)自重濕陷性黃土；⑤中細(xì)砂，飽和、密實(shí)，實(shí)測(cè)標(biāo)貫錘擊數(shù)平均值N=38.0擊，層厚4.30～8.10m，無液化影響；該工程±0.000相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高的397.60m，基底標(biāo)高為-10.60m，地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1，典型工程地質(zhì)剖面如圖3所示。

表1 地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 地基方案設(shè)計(jì)

3.1 地基方案比選

參照當(dāng)?shù)仡愃茍?chǎng)地高層建筑的地基形式，根據(jù)地基承載力和變形要求，可供選擇的有三種方案：

方案A為素土擠密樁+剪力墻下布置灌注樁，以⑧層中砂為樁端持力層，直徑0.55m，長(zhǎng)7.0m素土樁，@0.9m等邊三角形布置，共2185根；直徑0.7m鋼筋混凝土灌注樁，長(zhǎng)34.0m，共150根，梁筏折算為0.7m厚。

方案B為素土擠密樁+素混凝土樁復(fù)合地基，以⑦層粉質(zhì)黏土為樁端持力層(當(dāng)以⑤層為持力層時(shí)計(jì)算沉降過大不予考慮)。素土樁同方案A；直徑0.4m，長(zhǎng)21.0m，C30素混凝土樁，@1.3m等邊三角形布置，共762根，0.2m厚砂石褥墊層，1.4m厚平筏。

方案C為素土擠密樁+滿布管樁，以⑤中細(xì)砂層為樁端持力層。素土樁同方案A；PHC(400)AB-95型管樁，長(zhǎng)11.0m，@1.7m等邊三角形布置，共437根，1.4m厚平筏。通過試樁結(jié)果對(duì)比確定樁端是否設(shè)置鋼樁尖，為了充分利用持力層承載潛力和樁身強(qiáng)度，選用PHC400(AB)-95型，樁身軸壓承載力設(shè)計(jì)值為2288kN，對(duì)應(yīng)的特征值為2288/1.35=1695kN，與樁長(zhǎng)11.0m時(shí)的預(yù)估實(shí)際承載力特征值接近，同時(shí)，相比大直徑樁可有效減小沉樁擠土效應(yīng)的不利影響[7]。按照文獻(xiàn)[6]中公式5.3.8-1，估算單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：QUK=Qsk+Qpk=μ∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)=1079+831=1910kPa，式中參數(shù)的意義詳見規(guī)范，其中μ=1.256m，Aj=0.0910m2，Ap1=0.0346m2，λp=0.8，qPK=7000kPa，qsik和li依據(jù)表1和圖3取值。在設(shè)計(jì)過程中分析持力砂層標(biāo)貫值N=38.0、密實(shí)狀態(tài)，且以下各層為厚度較均勻的中壓縮性粉質(zhì)黏土及密實(shí)中砂層，綜合判斷若考慮土塞增強(qiáng)效應(yīng)，⑤層實(shí)際樁端阻力可以大幅提高[4，5]。持力砂層下粉質(zhì)黏土的地基承載力與持力層接近，不致發(fā)生下臥層土體的塑性擠出和失穩(wěn)[6]。由于剪力墻結(jié)構(gòu)空間整體剛度好，荷載分布較均勻，上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基協(xié)同工作，差異沉降量不會(huì)太大[8]，總沉降量完全可以控制在安全合理范圍內(nèi)，因此該方案具有可行性。

根據(jù)以上分析及工程經(jīng)驗(yàn)，在相應(yīng)的沉樁施工條件下，將管樁擠入密實(shí)砂層激發(fā)土塞效應(yīng)，砂層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值可以提高到13000kPa左右，據(jù)此估算11.0m長(zhǎng)管樁的豎向承載力特征值不小于1300kN，考慮經(jīng)濟(jì)性和沉降控制、留有適當(dāng)富裕量后，按照等邊三角形滿布，樁間距取1.70m，基礎(chǔ)筏板面積1068.0m2，略大于地下室面積918m2，樁數(shù)n=437根，樁位布置如圖4所示，從表2可見方案C在工期和造價(jià)上有明顯的優(yōu)勢(shì)。為了選擇安全可靠的施工工藝和參數(shù)，采用6組試樁做現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)。

表2 地基基礎(chǔ)方案對(duì)比

3.2 試樁結(jié)果分析及管樁承載力計(jì)算公式修正

基坑開挖至基底標(biāo)高，采用7.0m長(zhǎng)素土擠密樁消除場(chǎng)地土的濕陷性后，試樁選用PHC400(AB)-95型管樁，依據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]計(jì)算，樁頂允許最大壓樁力值Rd=3592kN，場(chǎng)地均勻布置6組樁，樁長(zhǎng)11.0m，為了進(jìn)行對(duì)比，3組樁樁端設(shè)置十字型鋼樁尖，另3組樁試驗(yàn)土塞效應(yīng)未設(shè)樁尖。

施工采用錘擊沉樁法，重錘輕擊，控制貫入度2.5～3.0cm/陣(每陣10擊)，根據(jù)試樁結(jié)果反饋，錘擊終止條件確定為最后連續(xù)3陣，按每陣貫入度不大于20mm收錘，結(jié)合地質(zhì)剖面圖，顯示樁已進(jìn)入持力砂層內(nèi)約5.5d(樁外徑)，經(jīng)檢查無浮樁現(xiàn)象。

試驗(yàn)在休止期滿15d后進(jìn)行，低應(yīng)變檢測(cè)樁身完整性為I類，采用堆重塊提供反力，通過一臺(tái)3300kN千斤頂分9級(jí)等量加載，首級(jí)加載增量為520kN，以后每級(jí)加載增量為260kN，每級(jí)卸載值為520kN，在加載至終止壓力2600kN時(shí)，6組樁的樁頂沉降量介于20.86～24.96mm，其中3組有樁尖樁為20.86、21.51、22.31mm，3組無樁尖樁為24.27、24.58、24.96mm，卸載后殘余沉降在13.10～18.96mm之間，在加載過程中，Q-S曲線(圖5)和s-lgt曲線呈平緩變形，未出現(xiàn)明顯陡降段，6組試樁的單樁豎向抗壓極限承載力均不小于2600kN，滿足工程要求，比規(guī)范計(jì)算值1910kN增加1.36倍以上，施工工藝合理。無樁尖樁僅沉降量稍大，承載力未受影響，故工程樁不設(shè)樁尖。

經(jīng)過擠密樁處理后土體的密實(shí)度增大，樁側(cè)摩阻力相應(yīng)提高[10，11]，同時(shí)考慮本地常用的孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法(DDC 工法)，普遍使用螺旋鉆機(jī)掏土成孔對(duì)擠密效果的不利因素[12]，地勘報(bào)告給出了較為合理的側(cè)摩阻力值；相比于樁側(cè)土，管樁彈性模量非常大，沉樁趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在豎向荷載作用下樁身壓縮變形量很小，與土體相對(duì)滑移不明顯，對(duì)側(cè)摩阻力貢獻(xiàn)不大[13]，同時(shí)，樁長(zhǎng)較短、樁底頂緊砂層，樁頂加荷載時(shí)大部分壓力很快傳到樁底，所以承載力提高的原因主要?dú)w于樁端阻力的貢獻(xiàn)。

根據(jù)試樁結(jié)果推算名義等效極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為Qpk=2600-1910+831=1521kPa，增加極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值修正系數(shù)ξp，代入文獻(xiàn)[6]式5.3.8-1中Qpk=ξpqpk(Aj+λpAp1)，依據(jù)文獻(xiàn)[6]表5.3.5-2中qPK=5500～7000kPa，其他參數(shù)同上文，反算得出ξp=1.83～2.33。

對(duì)于目前常用的靜力沉樁法，選擇合適配重的壓樁機(jī)，在滿足最大壓樁力不大于樁身豎向承載力設(shè)計(jì)值1.35倍條件下[14]，按照單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與施工終壓力的經(jīng)驗(yàn)比值0.8～0.9[15]，控制樁貫入砂層的速率也能形成有效土塞高度，達(dá)到提高承載力的作用[16]。工程樁沉樁過程中對(duì)土體產(chǎn)生的側(cè)向擠密作用，有利于側(cè)摩阻力的提高[17]，做為安全儲(chǔ)備。

3.3 樁基礎(chǔ)計(jì)算分析

3.3.1 樁基計(jì)算

采用JCCAD軟件，考慮上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用[18]，標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下樁的平均豎向力Nk=1179kN、樁頂最大豎向力Nkmax=1291kN，地震作用效應(yīng)和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下樁的平均豎向力NEk=1121kN、樁頂最大豎向力Nkmax=1670kN，基樁豎向承載力特征值R=1300kN，基礎(chǔ)底面未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。

荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下：Nk

地震作用效應(yīng)和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下：NEk<1.25R=1625kN，NEkmax<1.5R=1950kN。

樁基沉降量分別采用實(shí)體深基礎(chǔ)法[6]，及等效作用分層總和法計(jì)算[19]，不考慮回彈再壓縮變形量，計(jì)算沉降量平均值分別為102mm、105mm。根據(jù)本地區(qū)高層建筑的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[8]，群樁基礎(chǔ)沉降的實(shí)測(cè)值約為計(jì)算值的1/5～1/3，推算實(shí)際沉降量為20.7～34.5mm；另外工程經(jīng)驗(yàn)顯示，實(shí)際沉降量是試樁承載力特征值對(duì)應(yīng)沉降量的6倍左右，該工程試樁承載力特征值對(duì)應(yīng)沉降量為6.3～8.2mm，相應(yīng)預(yù)估沉降量為37.8～49.2mm，以上兩種結(jié)果均符合西安地區(qū)高層建筑沉降規(guī)律。

該工程樁基承載力和沉降計(jì)算均滿足要求，樁端持力層以下不存在承載力低于樁端持力層承載力1/3的軟弱下臥層，無需驗(yàn)算[6]。

3.3.2 PHC管樁在八度區(qū)的應(yīng)用

根據(jù)陜標(biāo)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》[14]附錄A，該工程樁側(cè)土類別為可塑～堅(jiān)硬、密實(shí)砂層，由于筏板剛度較大，管樁頂部設(shè)置2m長(zhǎng)填芯鋼筋混凝土(微膨脹混凝土)，鋼筋錨入筏板，強(qiáng)化了樁頂與筏板的連接[20]，可按照固結(jié)考慮，避免了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)造成樁端和筏板鏈接處破壞[21]，因此抗震設(shè)防烈度為8度時(shí)，PHC400(AB)-95型樁的單樁水平抗震承載力特征值為Reha=124kN[14]。SATWE計(jì)算結(jié)果地震作用下結(jié)構(gòu)底層剪力為FEk=14300kN，剪重比按規(guī)范取值3.2%，nReha=54188kN>FEK滿足要求。

該工程基礎(chǔ)埋深為建筑高度的1/10，滿足《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》[22]的要求，日本資料顯示[23]，大底盤地下室外墻回填土的約束，對(duì)上部結(jié)構(gòu)整體剛度提供了一定的補(bǔ)償性貢獻(xiàn)，當(dāng)回填土標(biāo)準(zhǔn)錘擊貫入度為20時(shí)，兩層地下室的樁基就可以不考慮地震剪力問題，所以要求肥槽回填土的壓實(shí)系數(shù)不小于0.93。

4 沉降觀測(cè)結(jié)果

在建筑物變形敏感部位布設(shè)13個(gè)降觀測(cè)點(diǎn)，2012年11月15日在主體施工至地面以上時(shí)起，進(jìn)行首次沉降觀測(cè)，以后每施工一層觀測(cè)一次，至2014年1月結(jié)構(gòu)封頂時(shí)觀測(cè)了33次，封頂后每季度觀測(cè)一次，至2016年01月觀測(cè)了8次，歷時(shí)805d，沉降逐漸趨于收斂，最后100d的最大沉降速率為0.010mm/d，小于《建筑變形測(cè)量規(guī)范》[24]規(guī)定的0.01/d～0.04mm/d，已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 最后一期沉降觀測(cè)值如圖6所示，沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)見表3。實(shí)際沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)在預(yù)估沉降值范圍之內(nèi)，符合西安地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

表3 沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總

5 結(jié) 論

突破西安地區(qū)高層建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的常用做法，結(jié)合北郊地區(qū)地表以下20m左右的密實(shí)砂層，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出敞口PHC短管樁優(yōu)化方案，由原位靜載試驗(yàn)確定沉樁工藝和承載力參數(shù)，經(jīng)過對(duì)試樁結(jié)果和沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

1)在以密實(shí)砂層為樁端持力層時(shí)，敞口PHC短管樁采用修正承載力計(jì)算方法時(shí)的沉降預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的，表明該方案可行。

2)在合理的沉樁條件下，樁端擠入密實(shí)砂層約5.0～6.0d時(shí)，可采用修正端阻力后的名義等效端阻力進(jìn)行樁承載力計(jì)算，修正系數(shù)本項(xiàng)目能夠達(dá)到1.83～2.33。

3)該項(xiàng)目試樁資料較少，無法從本質(zhì)上揭示管樁土塞效應(yīng)的力學(xué)機(jī)理，在今后工作中尚需不斷深入研究。