合肥地區(qū)上更新統黏土中樁土共同作用特征測試分析

王小勇，陳誠，劉振杰

（安徽工程勘察院，安徽合肥230011）

0 前言

復合樁基是由樁基和承臺下的地基土共同承擔上部荷載的樁基礎。相較于傳統樁基礎設計方法，復合樁基將樁基與天然地基有機組合在一起，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，既可以充分發(fā)揮樁控制基礎沉降的能力，同時還能充分發(fā)揮樁對提高基礎承載力的作用，可以有效地解決高層建筑基礎設計時遇到的不僅要解決沉降過大問題還要解決天然地基承載力不足的問題，可以有效地降低工程造價，在工程建設中有著很好的發(fā)展前景。

關于復合樁基的設計，樁基規(guī)范已作出明確規(guī)定，在控制總體安全度及變形的前提下，復合樁基可明確按樁土應力比進行設計，但由于樁土共同作用的復雜因素，樁土間應力如何分配并沒有十分明確的定論。

合肥地區(qū)上更新統(Q3)黏土廣泛分布，屬硬塑—堅硬狀態(tài)，為超固結土，既可以作為樁基礎的樁端持力層，也可作為天然地基基礎持力層，是合肥地區(qū)工程建設中廣泛采用的基礎持力層。為了進一步探討合肥地區(qū)上更新統黏土中復合樁基的工作機理，研究復合樁基中樁土的分擔規(guī)律，在合肥市某高層住宅樓建設過程中，相關單位通過在建筑物基底埋設土壓力盒和鋼筋應力計，在主體結構施工階段跟蹤監(jiān)測樁應力和土應力，得到樁土應力數據并開展初步分析，對于研究合肥地區(qū)上更新統黏土中復合樁基樁土應力分擔特征進行了一次有益的探索。

1 項目概況

測試所選的該高層建筑物為地上34 層，地下1層，剪力墻結構，標準組合下設計總荷載約213000kN，基底位于上更新統黏土，基礎型式采用樁筏基礎，筏板面積470m2，厚750mm，復合樁基采用PHC 500 AB 125 管樁，剪力墻下布樁，參照以往類似經驗，設計時樁土應力分擔比按7∶3來計算，總樁數65 根，樁長15.0m，樁身及樁端均位于上更新統黏土中，樁間距最小值1.70m，最大約為3.75m，樁身混凝土強度等級C80，設計要求的單樁豎向抗壓承載力特征值為1950kN。

2 工程地質條件

擬建場地內上覆土層主要為第四系上更新統下蜀組(Q3)黏土，下伏基巖為古近系(E)砂質泥巖、泥質砂巖，地基巖土層分布及上更新統黏土主要物理力學性質見表1、表2。

3 測試方案

樁頂鋼筋應變計埋置：分別選取場地角樁、邊樁、中間區(qū)域的4根樁作為試驗對象，以測試樁基應力和承載力的發(fā)揮程度。每根作為試驗對象的管樁各放置6個鋼筋應力計，分散均勻布置，鋼筋應力計附在6根鋼筋上(即各成120°角），共計24 個鋼筋應變計，通過測試樁頂鋼管的應力推導出管樁的受力情況。

表1 建筑場地地層分布一覽表Table 1. Stratigraphic distribution in the construction site

表2 上更新統黏土主要物理力學性質指標一覽表Table 2. List of the main physical and mechanical properties of the upper Pleistocene clay

土壓力盒埋設：在埋設鋼筋應力計的管樁附近及中部區(qū)域地基土反力較大的8處埋設土壓力盒。土壓力盒埋設于筏板底板下約15cm 深的地基土中，土壓力盒保持水平放置，通過鋪砂及填水泥砂漿與周邊達到無孔隙且緊密接觸，每處埋設1～2個土壓力盒，共計12 個土壓力盒，通過測試得出地基反力(視同為地基承載力)。

樁頂鋼筋應變計及土壓力盒埋設位置見圖1。

圖1 基礎平面測試元件布置示意圖Figure 1. Schematic diagram for layout of foundation plane test elements

4 監(jiān)測數據

樁頂鋼筋應變計及土壓力盒在底板鋼筋綁扎完成和底板混凝土澆筑完成后分別進行了第一次測試和第二次測試，后根據實際施工進度，原則上每施工完三層，觀測一組數據，施工結束后三個月、六個月、一年再分別觀測一組數據。

監(jiān)測期間由于施工等原因造成部分監(jiān)測點破壞，但由于備份點正常工作，因此監(jiān)測數據完整性和準確性總體未受過太大影響。

4.1 鋼筋應變計監(jiān)測推導數據

鋼筋應變計共有20 只正常工作，通過鋼筋應變計監(jiān)測數據推導的4 根樁的應力值見表3，典型的Z14測點監(jiān)測變化曲線見圖2。

表3 樁應力值一覽表Table 3. List of pile stress values

圖2 Z1樁典型應變計（Z14）監(jiān)測變化曲線Figure 2. Curve of monitored change from Z1 pile typical strain gauge (Z14)

4.2 土壓力監(jiān)測數據

土壓力盒共有10只正常工作，土壓力盒監(jiān)測累計數據統計成果見表4，典型的T31 測點監(jiān)測變化曲線見圖3。

表4 土壓力累計值統計表Table 4. Statistics of soil pressure cumulative values

圖3 典型土壓力(T31)監(jiān)測變化曲線圖Figure 3. Monitored variation curve of typical soil pressure(T31)

5 監(jiān)測數據分析

通過對監(jiān)測數據及監(jiān)測曲線的分析，可以得知在整個施工過程中各個時間節(jié)點對應的樁土應力值和樁土應力發(fā)展情況，進而分析出樁土應力分擔比例、樁土應力發(fā)展趨勢和樁土應力共同作用的一些特征。

5.1 樁土應力分擔比例分析

根據設計提供的參數，該建筑在標準組合下設計總荷載約213000kN，本次監(jiān)測時間至竣工后一年，此時的實際荷載為106500kN 左右。根據監(jiān)測數據分析，實測的單樁承載力平均值為1106.3kN，實測的土壓力平均值為111.2kPa。實際由樁承擔的最大荷載約為72000kN，其余的上部荷載34500kN 由土承擔，地基土分擔的荷載占比約32%，可得出30層左右高層建筑在上更新統黏土中采用復合樁基時樁土應力的分擔比例約為7∶3，與設計采用的分擔比例較為吻合。

5.2 樁土應力發(fā)展趨勢分析

通過樁承載力監(jiān)測曲線和地基土承載力曲線形態(tài)及相應數據分析可知，在結構施工階段各監(jiān)測樁承載力和各土壓力盒監(jiān)測數據總體均隨樓層荷載的不斷增加而增大，而且曲線也能反映出施工速度快慢對承載力影響的趨勢。建至6層之后，隨著樓層不斷增高，樁土應力呈不斷增大狀態(tài)，直至竣工之時，樁土應力隨樓層增加呈直線增加狀態(tài)，當竣工后荷載增加緩慢，樁土應力曲線也表現出趨緩狀態(tài)。這種樁土應力發(fā)展情況最直觀地反映了上部荷載變化對樁和地基土受力的影響，即樁基和地基土受力均與上部荷載變化呈緊密的正相關關系。

同時，根據樁承載力監(jiān)測曲線和地基土承載力曲線形態(tài)及相應數據分析，總體上，在上部荷載作用下，樁首先發(fā)揮作用，隨著上部荷載的逐漸增大，樁間土逐漸分擔荷載，分擔比例隨上部荷載的增加逐漸由小變大，結構竣工時，樁土分擔比例也趨于穩(wěn)定，樁間土在承載過程中反映出滯后于樁基的現象。因此，對于復合樁基，其位于較硬土層中時，樁間土承擔荷載隨上部荷載增加而逐漸增加，如果以單樁極限承載狀態(tài)來設計樁基，那么，由于樁間土分擔的荷載可作為基礎設計的安全儲備及樁基承載力安全的補充，可以認為這種情況下的地基基礎是安全的。

5.3 樁土應力共同作用分析

根據監(jiān)測數據，距樁相對較近的土壓力盒測得的地基力均相對較小，而距樁較遠的土壓力盒測得的地基承載力則相對較大，反映了復合樁基中，樁土有明顯的共同分擔上部荷載的現象，樁基樁距對于樁土應力共同作用有明顯的影響，樁距越小(密樁)，樁基承擔的上部荷載越大，反之，樁距越大(疏樁)，地基土承擔的上部荷載越大。

監(jiān)測數據也表明，該建筑工程中，角樁和邊樁承受的荷載明顯大于中心區(qū)域樁基所受荷載，而地基土承受荷載大小值差異更大，但受部位的影響沒有明顯的規(guī)律。說明雖然我們在巖土工程中一般將地基土視為各向均質體，但由于建筑荷載在空間上的差異，復合樁基中樁土應力分配在場地內并不是單一值，而是隨之在空間上存在相應的差異，因此，希望通過理論計算來精準地確定樁土應力比沒有太大的實際意義。而在關于復合樁基具體的工程設計中，著重的還是要通過采用合理的樁土應力分擔比例，確保單樁承載力及地基承載力不超過極限值，同時控制沉降差才更為關鍵。

6 結論和啟示

(1)根據本次現場實測資料，證明樁筏基礎中筏板的荷載分擔現象是客觀存在的，筏板的荷載分擔比與場地土體的力學特性具有一定關系，對于34 層的建筑，本場地硬塑—堅硬狀態(tài)的上更新統黏性土中，其荷載分擔比約為32%，相對于復合樁基中土應力分擔比例一般為10%～45%的區(qū)間值，其分擔比處在較高位，與以往合肥地區(qū)測試的經驗較為吻合，因此合肥地區(qū)30層左右的高層建筑在上更新統黏土中進行復合樁基初步設計時，可將樁土應力的分擔比例設為7∶3。建議相關單位在條件許可時多開展相關測試工作，以形成成熟的理論經驗，指導今后同類型工程建設。

(2)本次測試數據顯示，復合樁基中，當樁間土較為堅硬時，即使采用疏樁方式布置樁基，樁基的承載力往往也達不到極限值，因為較堅硬的樁間土可能承擔了比設計值更高的上部荷載。因此對于合肥地區(qū)硬塑—堅硬狀態(tài)的上更新統黏土，在將其作為復合樁基的雙持力層(樁基樁端持力層及承臺基礎持力層)時，考慮承臺效應的PHC管樁墻下布樁基礎方案是相對安全合理的。

(3)本次監(jiān)測表明，由于土體具有蠕變性，樁土應力比實際上也一直處于變化之中，如果將復合樁基中的樁與土視為一整體，則樁土之間的應力分配變化只是整個復合樁基的內力調整，始終是個動態(tài)平衡過程，也可以看作是樁土間安全儲備的轉移。