特殊地层条件对PHC管桩单桩竖向承载力的影响分析

2014-12-20牟晓成刘伦芳党发宁

水利与建筑工程学报 2014年4期

牟晓成，刘伦芳，党发宁

(西安理工大学，陕西西安710048)

近年来，预应力高强度混凝土管桩(简称PHC管桩)因其相对于钻孔灌注桩具有桩身质量易控制、生产及施工工艺便捷、成本较低等优点而在建筑工程地基处理中得到了广泛的应用[1－3]。但由于不同地区地层条件的差异，初步设计估算选择的试桩参数经试验检测其单桩竖向承载力特征值能否合理满足设计要求，避免重复试桩延误工期和造成浪费[4]，就需要在设计时重点考虑地层条件是否存在特殊性。如松散填土、欠固结土、液化土及流塑状土等特殊地层会使PHC管桩桩侧阻力降低，更有自重湿陷性黄土等特殊地层还会产生桩侧负摩阻力[5]，这些都会使得PHC管桩的实际承载力低于估算承载力，需要通过增加桩的入土长度或增大桩径来提高桩的承载力[6－8]。若初步设计未考虑特殊地层影响而估算的试桩参数，经试验检测与设计要求相差过大时，就需要调整参数重新进行试桩。本文以西安东郊某工程为例，分析了处于中密流塑状土层对PHC管桩竖向承载力的降低影响，对同类工程的设计及施工有一定的参考作用。

1 特殊地层条件下PHC管桩的设计理论

单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定，在初步设计时可按下式进行估算[9]:

式中:Ra为单桩竖向承载力特征值(kN);Ap为桩底端横截面面积(m2);qpa，qsia分别为桩端阻力特征值、桩侧阻力特征值(kPa)，由当地静载荷试验结果统计分析算得;up为桩身周边长度(m);li为第i层岩土的厚度(m)。

其中，在软土或湿陷性黄土地区，对于摩擦型基桩穿越特殊地层进入相对较硬土层时，其对单桩竖向承载力的影响通常可按三种情况考虑:一是当桩周软土在自重湿陷、桩侧堆载或降水等情况下产生的下拉荷载使得桩周土的沉降大于基桩的沉降时，需要视具体情况分析考虑桩侧负摩阻力对基桩的影响[5，10];二是当桩周填土或软弱土层较厚，力学性质很差，除自重外无其它下拉荷载作用，桩周土层沉降很小且小于基桩的沉降时，可取桩身相应土层侧阻力为零;三是桩周存在填土或软弱土层，力学性质较差，除自重外无其它下拉荷载作用时，可视具体情况对桩身相应侧阻力取一定的折减系数[11]。

2 工程实例

2.1 勘察资料

2.1.1 工程背景与场地条件

拟建工程位于西安东郊兴庆湖周边，六层框架结构，总高度23.95 m，场地地面标高介于415.63 m～416.73 m 之间，设计 ±0.000 标高为 417.00 m，基底压力标准组合220 kPa，基础埋深3.00 m。地层结构自上而下分层描述如下:

填土①Qml4:由杂填土①1及素填土①2组成。杂填土①1以建筑垃圾为主，层厚0.60 m～1.10 m;素填土①2主要成分为粉质粘土，褐黄色为主，含少量建筑垃圾，具湿陷性，层厚1.00 m ～5.00 m，层底深度 1.10 m ～5.00 m。

黄土(粉质粘土)②Qeol3:褐黄～黄褐色，可塑，稍密，湿。层顶局部呈块状结构，具湿陷性，属高压缩性土。层厚0.90 m ～2.20 m，层底深度2.90 m ～3.50 m。

黄土(粉质粘土)③Qeol3:褐黄～黄褐色，流塑，中密，很湿～饱和。土质均匀，偶见蜗牛壳及钙质结核，属中偏高压缩性土。层厚6.60 m～9.00 m，层底深度 10.90 m ～12.00 m。

古土壤(粉质粘土)④Qel3:褐红色，可塑，密实，饱和。块状结构，含白色钙质条纹及少量钙质结核，底部钙质结核富集成层、厚20 cm～30 cm，属中压缩性土。层厚3.90 m ～4.40 m，层底深度15.00 m ～16.30 m。

黄土(粉质粘土)⑤Qeol2:褐黄～黄褐色，软～可塑，密实，饱和。土质均匀，含少量钙质结核，偶见蜗牛壳，属中压缩性土。层厚7.70 m～8.4 m，层底深度 23.00 m ～24.00 m。

古土壤(粉质粘土)⑥Qel2:褐黄～黄褐色，硬塑，密实，饱和。土质均匀，含铁锰质斑点及钙质结核，偶见蜗牛壳，底部钙质结核富集成层、厚约20 cm，属中压缩性土。层厚2.90 m～3.50 m，层底深度26.40 m ～27.00 m。

粉质粘土⑦Qal2:黄褐～灰黄色，硬塑，密实，饱和。土质均匀，含钙质结核及少量铁锰质斑点，偶见蜗牛壳，属中压缩性土。勘察未揭穿该层，最深钻至30.20 m，最大揭露厚度3.80 m。

场地地下水属潜水类型，由于受到兴庆湖水的影响，地下水位埋深3.70 m ～4.65 m，相应高程介于411.95 m～412.16 m之间，各土层主要物理力学指标见表1。

表1 土的主要物理力学指标

2.1.2 岩土工程评价

根据土工试验结果，判定场地湿陷等级为Ⅰ级(轻微)[12]，经分析，拟建建筑不宜采用天然地基或垫层法处理，建议采用灌注桩或PHC管桩方案，可优先采用PHC管桩方案。结合原位测试及本地经验，确定各层地基土PHC管桩侧阻力特征值qsia及桩端端阻力特征值qpa按表2采用。

表2 PHC管桩侧阻力及端阻力建议值

2.1.3 地基处理方案分析

拟建建筑基底压力220 kPa，基底标高414.00 m，根据该场地土层分布，由表2值计算的不同桩长、不同桩径的PHC管桩单桩竖向承载力特征值估算及建议如表3所示。

2.2 试桩参数与检测结果

初设据此选定4组参数为PHC－AB500(125)－22a的试桩，其中桩型为管桩，桩径500 mm，壁厚125 mm，有效桩长L=22 m，带桩尖，桩顶埋深为－2.45 m(标高为 414.55 m)，混凝土强度等级为C80，设计单桩竖向抗压极限承载力值为2 400 kN(特征值为1 200 kN)，通过试验检测以确定地基土在天然状态下的单桩竖向抗压极限承载力值是否满足2 400 kN的设计要求。

施工机具选用ZYJ680T静力压桩机，施工流程为:对点→压桩。待固结期满，按规范要求进行检测，其单桩竖向抗压静载荷试验沉降量汇总见表4，荷载(Q)－沉降(s)曲线见图1。

据试验结果可以看出，四组试桩在加载未达到设计要求之前均呈沉降破坏，其单桩竖向抗压承载力极限值之一为1 680 kN，另三组均为1 440 kN，平均值为1 500 kN，未达到设计要求。

2.3 初步设计存在的问题分析

从以上所选试桩参数及检测结果看，实际承载力极限值1 500 kN比设计所需达到的2 400 kN相差甚远，从勘察资料不难看出，第①层填土和第②层黄土(粉质粘土)的力学性质很差，但这两层的厚度较小，且处于基底以上，对桩基的承载力影响很小，可忽略不计;第④层及以下土层分别为古土壤(粉质粘土)、黄土(粉质粘土)、古土壤(粉质粘土)Q2el和粉质粘土 Q2al，均处于密实状态，均属中压缩性土，含白色钙质条纹及少量钙质结核，底部钙质结核富集成层，对桩的侧摩阻力贡献较大[13]。因此，主要问题应出在第③层黄土(粉质粘土上，该土层存在四大不利影响因素，第一，密实状态为中密，密度低;第二，属中偏高压缩性土，可压缩性大;第三，层厚 6.60 m ～9.00 m，层厚大，影响大;第四，因其受兴庆湖水影响，地下水位较浅，呈流塑状，这种流塑状土层的力学性质很差，承载力极低[14]。

表4 初设单桩竖向抗压静载荷试验沉降量汇总表

图1 S1、S2、S3、S4的荷载(Q)－沉降(s)曲线

由于该场地湿陷等级为Ⅰ级(轻微)，且不存在桩侧堆载或降水等产生的下拉荷载作用，根据文章第1节分析知该流塑状土层属于其所述的第二种情况，因此，在进行单桩竖向承载力特征值估算时，可取桩身相应土层侧阻力为零进行估算。由于第③层黄土的厚度为6.60 m～9.00 m，在其它参数不变的情况下，桩长应至少增加7.00 m进行核算。根据式(1)估算如表5。

表5 单桩竖向承载力特征值Ra估算表

根据估算表5可知，如将古土壤⑥作为桩端持力层、桩长24.9 m估算出的单桩竖向承载力特征值1 013.64 kN不能满足设计要求;而将粉质粘土⑦作为桩端持力层、桩长29 m估算出的单桩竖向承载力特征值1 317.27 kN能够满足设计要求。

2.4 调整后的试桩及检测

调整后的试桩参数为 PHC－AB500(125)－29a，有效桩长L=29 m，桩型及其它参数不变。按规范要求进行试桩施工、固结，做单桩竖向抗压静载荷试验及基桩低应变动力检测试验。根据试验结果判定，在天然状态下，当桩径500 mm、桩长29 m、带桩尖，桩顶标高为－2.45 m(标高为 414.55 m)时，单桩竖向抗压极限承载力值为2 640 kN，满足单桩竖向抗压极限承载力值2 400 kN(特征值1 200 kN)的设计要求。调整后的单桩竖向抗压静载荷试验沉降量汇总见表6，荷载(Q)－沉降(s)曲线见图2。基桩低应变动力检测出的桩身波传播平均速度一般为4 028 m/s～4 394 m/s，平均值为4 185 m/s，为Ⅰ类桩[15]，满足设计及规范要求。

表6 调整后单桩竖向抗压静载荷试验沉降量汇总表

图2 S5、S6、S7、S8的荷载(Q)－沉降(s)曲线

3 结语

通过对该工程PHC管桩试桩参数的估算和试验研究可知，在特殊地层诸如杂填土、自重湿陷性黄土、液化土及流塑状土层条件下，在进行单桩竖向承载力估算时，应当按照桩侧土的性质及受力不同，分析是否需要考虑桩侧负摩阻力的影响，或依据当地工程经验考虑是否需要对桩侧阻力进行适当折减，尤其对于流塑状土或淤泥质土层通常可取桩身相应土层侧阻力为零进行估算，确保选择的试桩参数合理满足设计要求，避免重复试桩影响工期和造成浪费。

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