中歐軟質(zhì)巖灌注樁豎向承載力設(shè)計(jì)對(duì)比

戴海新，張嵩云，江 義

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

依據(jù)港工規(guī)范，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖系指其母巖為飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk≤30 MPa的巖石[1]，該類巖石具有軟、弱、松、散等低強(qiáng)度的特點(diǎn)，多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖等。在軟質(zhì)巖地質(zhì)條件下，灌注樁通常較合適、并被廣泛采用。然而，當(dāng)前對(duì)軟質(zhì)巖中灌注樁的豎向承載力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力等方面的研究較少，也不夠深入；軟質(zhì)巖中樁側(cè)摩阻力規(guī)范推薦值也較為保守，這可能導(dǎo)致很多工程樁基入土深度較大，造成不必要的浪費(fèi)。

為了研究軟質(zhì)巖中灌注樁樁側(cè)摩阻力的合理取值，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下尋求較優(yōu)的樁基入土長(zhǎng)度，本文依托某阿布扎比項(xiàng)目，采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)(Eurocode 7，以下簡(jiǎn)稱歐標(biāo))和中國(guó)港工規(guī)范對(duì)灌注樁豎向承載力分別進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比兩種規(guī)范的差異性，尋求樁長(zhǎng)的合理優(yōu)化取值。最后，通過現(xiàn)場(chǎng)多種樁基檢測(cè)結(jié)果對(duì)軟質(zhì)巖地質(zhì)中灌注樁豎向承載力的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，為工程中類似地質(zhì)條件下的灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 歐標(biāo)灌注樁豎向承載力設(shè)計(jì)

1.1 歐標(biāo)的主要設(shè)計(jì)思想

歐標(biāo)的主要設(shè)計(jì)思想是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，規(guī)范中要求明確區(qū)分承載力極限狀態(tài)(ULS)和正常使用極限狀態(tài)(SLS)，使用不同的計(jì)算方法來驗(yàn)算[2]。對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，歐標(biāo)采用DA1、DA2和DA3共3種設(shè)計(jì)方法；對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，歐標(biāo)驗(yàn)算時(shí)分項(xiàng)系數(shù)采用1.0[3]。

1.2 結(jié)構(gòu)和土層的破壞

檢查結(jié)構(gòu)(STR)和土層(GEO)中出現(xiàn)破壞或者過度變形的極限狀態(tài)時(shí)，必須滿足不等式：

Ed≤Rd

(1)

式中：Ed為作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為抗力設(shè)計(jì)值。

1.3 歐標(biāo)樁基設(shè)計(jì)方法

歐標(biāo)采用分項(xiàng)系數(shù)法，根據(jù)不同國(guó)家的習(xí)慣存在DA1、DA2和DA3共3種不同的設(shè)計(jì)方法。由于本項(xiàng)目所在地位于阿布扎比，通常采用英國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選擇英標(biāo)附錄所采用的DA1進(jìn)行計(jì)算。

DA1根據(jù)計(jì)算情況的不同，分為“非樁與錨固結(jié)構(gòu)”以及“樁與錨固結(jié)構(gòu)”兩種情況。本文樁基計(jì)算僅考慮“樁與錨固結(jié)構(gòu)”的作用組合，其表達(dá)式為：組合1：A1+M1+R1；組合2：A2+(M1或M2)+R4；其中：A為荷載產(chǎn)生的作用，M土體強(qiáng)度參數(shù)，R為抗力。對(duì)應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)見表1。

表1 分項(xiàng)系數(shù)

1.4 灌注樁豎向承載力

單樁軸向抗壓承載力按土層參數(shù)計(jì)算方面，歐標(biāo)未直接給出具體的計(jì)算方法，具體公式參照PileDesignandConstructionPractice[4]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：Rcd為單樁豎向抗力設(shè)計(jì)值(kN)；Rbd、Rsd分別為樁端阻力設(shè)計(jì)值(kN)和樁側(cè)摩阻力設(shè)計(jì)值(kN)；Rbk、Rsk分別為樁端阻力特征值(kN)和樁側(cè)摩阻力特征值(kN)；γb、γs分別為樁端阻力和樁側(cè)摩阻力分項(xiàng)系數(shù)；qbk、qsk分別為單位面積樁端阻力特征值(kPa)和單位面積樁側(cè)摩阻力特征值(kPa)；Ab、As分別為樁端面積(m2)和樁側(cè)面積(m2)；qb、qs分別為單位面積極限樁端阻力值(kPa)和單位面積極限樁側(cè)摩阻力值(kPa)；γRd為模型系數(shù)。

在進(jìn)行灌注樁豎向承載力計(jì)算時(shí)，歐標(biāo)規(guī)定對(duì)于計(jì)算樁徑有一定程度的折減，當(dāng)樁徑大于1 000 mm時(shí)，計(jì)算樁徑為實(shí)際樁基-50 mm。

在具體的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力計(jì)算上，對(duì)于在無黏性土、砂土以及巖石中的灌注樁有不同的計(jì)算公式。鑒于本工程區(qū)域地質(zhì)主要為軟質(zhì)巖(表層為回填砂，考慮負(fù)摩阻力)，本文僅列舉巖石中的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力計(jì)算。

對(duì)于巖石地基中的灌注樁，樁側(cè)摩阻力qs根據(jù)Williams & Pells 方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

qs=αβquc

(5)

式中：quc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度均值(kPa)；α為巖石單軸抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)，可根據(jù)quc查表得到；β為有關(guān)巖石裂縫間距的校正系數(shù)，可根據(jù)巖石RQD查表得出。

對(duì)于樁端在巖石地基中的灌注樁，樁端阻力qb可按下式計(jì)算:

qb=Abqub

(6)

式中：qub為樁端阻力(kPa)，根據(jù)Kulhawy & Goodman 經(jīng)驗(yàn)圖表，樁端阻力qub可由巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD直接確定。

2 國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)灌注樁豎向承載力設(shè)計(jì)

2.1 國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)思想

JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱中標(biāo))為國(guó)內(nèi)港口工程領(lǐng)域樁基設(shè)計(jì)的現(xiàn)行規(guī)范，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用抗力分項(xiàng)系數(shù)法，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足下式要求：

γ0Sd≤Rd

(7)

式中：γ0為不同結(jié)構(gòu)安全等級(jí)的重要性系數(shù)，一般水工建筑物為二級(jí)，γ0取1.0；Sd為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為抗力設(shè)計(jì)值。

2.2 灌注樁豎向承載力計(jì)算

當(dāng)采用承載力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定灌注樁單樁豎向承載力時(shí)，具體計(jì)算公式如下：

(8)

式中：Qd為單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值(kN)；γR為單樁軸向承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)，灌注樁γR取1.55～1.65；U為樁身截面周長(zhǎng)(m)；ψsi、ψp為樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，當(dāng)樁徑大于0.8 m時(shí)，以砂土、碎石類土為例取為(0.8d)，d為樁徑(m)；qfi為單樁第i層土的單位面積極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；li為樁身穿過第i層土的長(zhǎng)度(m);qR為單樁單位面積極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；A為樁端截面面積(m2)。

3 工程實(shí)例計(jì)算對(duì)比

3.1 樁力計(jì)算

阿布扎比哈里發(fā)集裝箱港岸線總長(zhǎng)1 200 m，其中800 m岸線已建成，剩余400 m碼頭及后方堆場(chǎng)已完成施工，需要對(duì)陸域400 m軌道梁進(jìn)行延伸設(shè)計(jì)。軌道梁基礎(chǔ)為樁徑1.2 m的鉆孔灌注樁，灌注樁間距為4 m，共計(jì)104根樁。 樁基上部所受荷載有自重、裝卸橋荷載，考慮作用效應(yīng)組合方式[5]：自重+裝卸橋荷載。分別用歐標(biāo)和中標(biāo)對(duì)軌道梁樁力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 歐標(biāo)與中標(biāo)樁力設(shè)計(jì)值對(duì)比(不考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力)

本工程地質(zhì)主要以軟質(zhì)巖為主，軟質(zhì)巖表層為后期回填的粉砂，由于該層砂為后期回填，土體松散而產(chǎn)生沉降，須考慮其對(duì)樁基產(chǎn)生的負(fù)摩阻力作用，以鉆孔BH8為例分析計(jì)算。參考PileDesignandConstructionPractice，負(fù)摩阻力τsneg根據(jù)有效應(yīng)力計(jì)算：

τsneg=βσ′vo

(9)

式中：β為有關(guān)入土深度的折減系數(shù)，當(dāng)入土深度小于15 m時(shí)，β取為0.3；σ′vo為垂直上覆土體有效土壓力(kPa)。

本工程地下水位以上砂層厚度為3.897 m(砂層頂高程高于樁頂1.9 m)，密度為1.9 tm3；地下水位以下砂層厚度為10.010 m，浮密度為0.9 tm3；計(jì)算所得回填砂產(chǎn)生的負(fù)摩阻力總和為1 372 kN?？紤]樁側(cè)負(fù)摩阻力后樁力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 歐標(biāo)與中標(biāo)樁力設(shè)計(jì)值對(duì)比(考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力)

3.2 灌注樁豎向承載力計(jì)算

根據(jù)鉆孔地質(zhì)資料，本工程所在區(qū)域巖土層分布較為規(guī)律，地層較為單一，表層為后期回填粉砂，松散-中密-密實(shí)，其下為軟質(zhì)巖鈣質(zhì)巖和粉砂巖。以鉆孔BH8為例，根據(jù)歐標(biāo)計(jì)算各土層樁側(cè)摩阻力及樁端阻力，計(jì)算結(jié)果見表4。

歐標(biāo)計(jì)算得到的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力與中標(biāo)計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，見表5。

表4 土層分布及土體力學(xué)參數(shù)

注：RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)，j為質(zhì)量因子，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)和質(zhì)量因子j的關(guān)系參照PileDesignandConstructionPractice確定。

表5 歐標(biāo)與中標(biāo)計(jì)算各土層樁側(cè)摩阻力及樁端阻力對(duì)比

由表5可以看出，軟質(zhì)巖內(nèi)灌注樁采用歐標(biāo)計(jì)算得到的側(cè)摩阻力約為中標(biāo)推薦值的1.85倍，而采用歐標(biāo)計(jì)算得到的樁端阻力僅為中標(biāo)推薦值的25%，兩個(gè)規(guī)范的計(jì)算值差別較大。

采用歐標(biāo)及中標(biāo)計(jì)算灌注樁豎向承載力，其結(jié)果對(duì)比見表6。

表6 采用歐標(biāo)與中標(biāo)計(jì)算灌注樁豎向承載力對(duì)比

注：歐標(biāo)組合a指樁端阻力和樁側(cè)摩阻力采用不同的分項(xiàng)系數(shù)，歐標(biāo)組合b指樁端阻力和樁側(cè)摩阻力采用共同的組合分項(xiàng)系數(shù)1.15。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)表6的結(jié)果，歐標(biāo)計(jì)算顯示灌注樁在軟質(zhì)巖中樁側(cè)摩阻力占樁基總承載力的比例為95%，占絕大部分，樁端阻力基本可以忽略，具有明顯的摩擦樁特點(diǎn)。中標(biāo)顯示灌注樁在軟質(zhì)巖中樁側(cè)摩阻力占樁基總承載力的比例為75%，樁端阻力占比為25%，具有摩擦端承樁的特點(diǎn)，兩項(xiàng)占比均很重要。

樁入土長(zhǎng)度10.16 m、樁總長(zhǎng)度22.2 m時(shí)，根據(jù)歐標(biāo)計(jì)算灌注樁豎向承載力已滿足設(shè)計(jì)要求；但根據(jù)中標(biāo)計(jì)算，豎向承載力仍不滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)按港工規(guī)范豎向承載力滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，樁入土長(zhǎng)度需16.86 m，樁總長(zhǎng)度28.9 m，按中標(biāo)計(jì)算樁基長(zhǎng)度比歐標(biāo)計(jì)算長(zhǎng)度長(zhǎng)了6.7 m。

4 樁基承載力檢測(cè)結(jié)果

施工時(shí)，灌注樁樁長(zhǎng)按22.2 m設(shè)計(jì)，實(shí)際樁尖持力層為-20.3～-19.0 m。樁基檢測(cè)采用了5種不同方法分別進(jìn)行檢測(cè)。

4.1 高應(yīng)變PDA檢測(cè)

檢測(cè)按照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 4945-2017進(jìn)行，采用24 t的自由落體動(dòng)力錘進(jìn)行錘擊，最大落錘高度1.75 m。本次檢測(cè)共抽檢5根樁，PDA檢測(cè)結(jié)果表明5根基樁均完整性很好。樁基荷載平均標(biāo)準(zhǔn)值為6 800 kN，要求的試驗(yàn)載荷為1.5倍的樁基荷載標(biāo)準(zhǔn)值，取為10 200 kN。CASE樁波分析程序(CAPWAP)檢測(cè)結(jié)果見表7[6]。

表7 CASE樁波分析程序(CAPWAP)檢測(cè)結(jié)果

表7分析表明，樁基承載力均超過了10.200 MN的要求試驗(yàn)載荷，滿足要求，這也反映了采用歐標(biāo)計(jì)算所得的樁長(zhǎng)22.2 m是合適的。

4.2 樁基自平衡法檢測(cè)(Osterberg Cell 法)

表8 自平衡試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)軟質(zhì)巖側(cè)摩阻力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，鈣質(zhì)巖平均側(cè)摩阻力為428 kPa，與歐標(biāo)計(jì)算所得的369 kPa較為接近，這表明現(xiàn)行中標(biāo)推薦的軟質(zhì)巖內(nèi)灌注樁側(cè)摩阻力值明顯偏保守。

4.3 靜載試驗(yàn)

樁基靜載試驗(yàn)按照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1143—07進(jìn)行，加載反力裝置由工字梁和混凝土預(yù)制塊組成，采用一臺(tái)液壓千斤頂和一個(gè)操作泵施加荷載。

樁基荷載平均標(biāo)準(zhǔn)值為6.800 MN，最大試驗(yàn)載荷為1.5倍的樁基荷載標(biāo)準(zhǔn)值，取為10.200 MN。本次檢測(cè)共抽檢3根樁進(jìn)行試樁，最大加載下的樁基檢測(cè)結(jié)果見表9[8]。

表9 最大加載下的樁基檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)規(guī)范要求，在最大試驗(yàn)載荷條件下最大軸向樁頭位移應(yīng)不超過12.0 mm，或樁徑的1%，3組試樁軸向樁頭位移均非常小，滿足規(guī)范要求。樁基靜載試驗(yàn)結(jié)果表明：采用設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22.2 m是滿足要求和合理的。

5 結(jié)語

1)中標(biāo)和歐標(biāo)在主要設(shè)計(jì)思想上是相同的，均采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，主要區(qū)別在于荷載組合分項(xiàng)系數(shù)取值不同，造成樁力設(shè)計(jì)值有所差別。

2) 中標(biāo)和歐標(biāo)灌注樁豎向承載力的計(jì)算均按照樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的合力進(jìn)行，不同之處在于歐標(biāo)計(jì)算軟質(zhì)巖樁側(cè)摩阻力占樁基總承載力的比例更大，樁端阻力基本可以忽略，具有明顯摩擦樁的特點(diǎn)，而中標(biāo)計(jì)算中樁端阻力占樁基總承載力的比例為25%，是不可或缺的一部分承載力。

3)采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行灌注樁豎向承載力計(jì)算時(shí)，按中標(biāo)計(jì)算值偏保守，這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①兩個(gè)規(guī)范在計(jì)算時(shí)均對(duì)灌注樁樁徑有所折減，按國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的折減系數(shù)較小，為(0.8d)(樁徑大于0.8 m)，按歐標(biāo)為1.15、1.20。②中標(biāo)軟質(zhì)巖內(nèi)灌注樁側(cè)摩阻力的取值偏保守，采用自平衡法試樁檢測(cè)出的樁側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦值上限。

4)國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟質(zhì)巖內(nèi)灌注樁側(cè)摩阻力的取值偏保守，建議規(guī)范在下一次修訂時(shí)可以考慮進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行修正。