浅议液化土地区灌注桩的单桩极限承载力标准值

赵跃亭，李耀杰，张吉宁

（山西冶金岩土工程勘察有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

目前高层、超高层建筑的基础常常采用桩基础形式，确定桩基础的单桩极限承载力标准值是基础设计的主要问题之一。由于桩基础的设计属于岩土工程和结构工程的交叉学科内容，不少初学者对确定桩基础单桩极限承载力标准值的影响因素了解得不够全面，在确定桩基础设计时可能过高地估计了单桩极限承载力标准值，使工程的后期使用存在一定的安全隐患。目前在勘察报告中同行通用的做法是根据场地地层情况和设计单位提供的上部荷载参照 JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》［1］（以下简称“JGJ 94－2008”）提供的参数进行单桩极限承载力标准值预估。由于后注浆技术对桩周和桩端阻力的提高较大，导致决定单桩极限承载力标准值的因素可能由土层的侧阻、端阻向桩身强度转变，加之液化土层的液化效应会加速这种转变，进而影响后注浆效果的发挥。对液化土地区确定单桩极限承载力标准值需要全面考虑桩周、桩端土层阻力、桩身强度、液化土层对侧阻及端阻的影响，液化土层对桩身强度的影响等各种因素。

本文根据太原某工地试桩结果，结合场地的详细岩土工程勘察报告，按现行规范 JGJ 94－2008 提供的设计参数进行一些探讨，对今后液化土地区确定灌注桩单桩极限承载力标准值有一定的参考价值。

1 工程概况

山西太原某工地拟建超高层公寓，基础埋深11.9 m，桩径 800 mm，主筋 16Φ14，保护层厚度 50 mm，桩长 51.5 m，采用灌注桩+后注浆，成孔工艺为旋挖成孔，根据场地详细岩土工程勘察报告及设计要求和JGJ 94－2008，场地地下水位埋深-7.0 m，第 ③、④ 层为液化土层，拟建场地的岩土设计参数值如表 1 所示。

2 试桩极限承载力标准值设计

依据设计单位提供的基底压力估算的单桩承载力标准值，根据场地岩土工程勘察报告提供的岩土层设计参数建议值表和设计拟采用的桩身混凝土强度，结合现场载荷试验共同确定单桩试桩的极限承载力标准值。

2.1 采用岩土参数计算试桩极限承载力标准值

由于试桩时桩周土层不液化，应采用注浆效果不考虑土层液化影响的单桩极限承载力标准值计算公式进行计算，考虑注浆效果的不确定性，根据 JGJ 94－2008 第 5.3.10 条，计算公式如式（1）所示，注浆增强系数取低值、均值、高值的单桩极限承载力标准值如表 2 所示。

表2 不同注浆系数下的试桩极限承载力标准值

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值，kN；u 为桩身周长，m；qsik、qpk分别为后注浆竖向增强段第 i 土层初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值，kPa；βsi、βp分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数；Ap为桩端面积；lj为桩周第 j 层的厚度，m；lgi为桩周第 i 层土的厚度，m。

2.2 采用桩身强度反算试桩极限承载力标准值

按照设计要求，试桩采用的混凝土强度等级为 C60，根据 JGJ 94－2008 第 5.8.2～5.8.3 条及其条文说明，计算公式如式（2）～（3）所示。

成桩工艺系数φc分别取 0.7、0.8，反算得到的单桩极限承载力标准值如表 3 所示。

表3 桩身强度反算的单桩极限承载力标准值

式中：Rp为桩身受压承载力设计值，kN；φc为成桩工艺系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；f ′y为主筋受压强度设计值，N/mm2；A′s为主筋截面面积，mm2；Aps为桩身截面面积，mm2。

表1 岩土层设计参数建议值

2.3 采用载荷试验确定试桩极限承载力标准值

试桩完成后，休止期达到检测条件时，依据JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》［2］4.3～4.4节进行单桩竖向抗压静载试验，加载方法采用慢速维持荷载法，典型桩部分试验结果如图 1 所示。

图1 典型试桩 p-s 曲线图

根据曲线图 1 可以得到试桩单桩极限承载力标准值可取 16 000 kN、单桩极限承载力特征值可取 8 000 kN。

由上述计算分析可知：由岩土参数设计的试桩极限承载力标准值比桩身强度反算和现场载荷试验的试桩极限承载力标准值略低，满足一定的安全裕度，本工程试桩极限承载力标准值取 16 000 kN、特征值可取 8 000 kN；本工程勘察报告提供的岩土层设计参数较合理，采用的后注浆工艺效果良好，现场施工管理水平较高，故可采用勘察报告提供的岩土层设计参数进行工程桩的设计。

3 工程桩极限承载力标准值设计

3.1 仅考虑液化影响计算工程桩极限承载力标准值

工程桩在工程使用年限内，桩周土层可能液化，承载力计算时应考虑液化土的影响，根据 JGJ 94－2008第 5.3.5 条，计算公式如式（4）所示。

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值，kN；u 为桩身周长，m；qsik、qpk分别为第 i 土层极限侧阻力标准值、极限端阻力标准值，kPa；Ap为桩端面积，m2；lj为桩周第 j 层土的厚度，m。

结合5.3.12条，由于基础位于液化土层中，土层液化影响折减系数中 φl取 0，可得 Quk=6 548 kN。

3.2 同时考虑液化和注浆影响计算工程桩极限承载力标准值

由于液化土层的液化效应导致单桩极限承载力标准值较低，为进一步提高单桩的极限承载力标准值，液化土地区一般建议采用后注浆工艺的桩基础。根据 JGJ 94－2008 第 5.3.10 条计算公式如式（5）所示。

式中各参数取值同式（1）。

结合 5.3.12 条，由于基础位于液化土层中，土层液化影响折减系数 φl取 0。注浆增强系数取低值、均值、高值，分别计算得单桩极限承载力标准值，如表 4 所示。

表4 不同注浆系数下的试桩极限承载力标准值 kN

3.3 采用桩身强度反算工程桩极限承载力标准值

3.3.1 桩身混凝土强度等级的确定

根据 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［3］8.5.3 条及 JGJ 94－2008 第 4.1.2条，设计使用年限不少于 50 年时，灌注桩的混凝土强度等级不应低于 C25；二 b 类环境及三类及四类、五类微腐蚀环境中不应低于 C30；水下灌注混凝土的桩身混凝土强度等级不宜高于 C40。结合当前实际情况，设计采用的桩身混凝土强度等级一般不超过 C50。本文分别按桩身混凝土强度等级 C30、C40、C50 反算单桩极限承载力标准值。

3.3.2 不考虑液化土对桩身强度影响的工程桩极限承载力标准值的确定

根据 JGJ 94－2008 第 5.8.2～5.8.3 条及其条文说明，当不考虑桩身配筋仅考虑成桩工艺系数φc时，按φc分别取 0.7、0.8，桩身混凝土强度等级 C30、C40、C50 反算的单桩极限承载力标准值如表 5 所示。

表5 单桩极限承载力标准值表 kN

3.3.3 考虑液化土对桩身强度影响的工程桩极限承载力标准值的确定

1）地基土水平抗力系数的比例系数 m 的确定

根据 JGJ 94－2008 5.7.5条及 C.0.2 条，由于基桩侧面主要影响深度范围内的土层为④细砂，稍密状态，不考虑液化时 m 取 14～35 MN/m4；考虑液化时，应乘以 JGJ 94－2008 表 5 中的数值中相应的系数。

根据 GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》［4］4.3.4 条、4.4.3 条，Ncr及 λN计算公式如式（6）～（7）所示。

可得：Ncr=18.8，λN=0.72。

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，取 12；N为标准贯入锤击数实测值；λN为实测值/临界值；ds为饱和土标准贯入点深度，m；dw为地下水位，m；ρc为黏粒含量百分比，取 3；β为调整系数，取 0.95。

根据 JGJ 94－2008 表 6：0.6≤λN≤0.8，得φl=2/3，则 m 取 9.3～23.3 MN/m4。

2）桩的水平变形系数 α 的确定

根据 JGJ 94－2008 第 5.7.5 条，计算公式如式（8）～（9）所示。

式中：m 为桩侧水平抗力系数的比例系数；d 为桩身直径，m；EI 为桩身抗弯刚度，N/mm2；b0为桩身的计算宽度，m。

桩身混凝土强度等级为 C30、C40、C50 时桩的水平变形系数 α 如表 6 所示。

表6 不同桩身强度等级下桩的水平变形系数 α

3）桩身稳定系数φ及工程桩极限承载力标准值的确定

根据 JGJ 94－2008 第 5.8.4 条，桩周土层的液化深度 dl=8.9 m，φl=2/3，计算公式如式（10）～（11）所示。

式中：l′0为桩露出地面的长度，m；lc为桩身压曲计算长度，m；

结合表 6，可得：桩顶铰接时，桩身稳定系数φ的计算如表 7 所示。

表7 不同桩身强度等级下的φ

根据 JGJ 94－2008 第 5.8.4 条：对桩身穿越可液化土的基桩，应考虑压曲影响，可按文中式（2）～（3）计算所得桩身正截面受压承载力乘以φ（稳定系数）折减，折减后的单桩极限承载力标准值如表 8 所示。

表8 考虑稳定系数的单桩极限承载力标准值 kN

若基础埋深调整为-7.0m，φl=1/3，其他条件不变的情况下，则桩周土层的液化深度为 dl=13.0 m，l′0=8.67 m，桩顶铰接的情况下，桩身的稳定系数及单桩极限承载力标准值如表 9 所示。

表9 调整基础埋深后的单桩极限承载力标准值 kN

由以上计算分析可知，未考虑后注浆工艺的单桩极限承载力标准值最低；当考虑后注浆工艺后，由桩周、桩端岩土层确定的单桩极限承载力标准值介于由桩身强度反算的单桩极限承载力之间。单桩极限承载力标准值由桩身混凝土强度等级与采用了后注浆工艺的岩土层参数共同确定。

4 结论

本文通过现场载荷试验复核了场地岩土工程勘察报告提供岩土参数的合理性，根据 JGJ 94－2008 的相关条文对液化土地区桩基础在各种影响因素的单桩极限承载力标准值进行了计算对比分析。对太原液化土地区确定单桩极限承载力的确定有一定的指导意义和参考价值，得到以下结论：

1）对于未采用后注浆工艺的桩基础，其单桩极限承载力标准值由桩周、桩端岩土层设计参数决定，桩身设计强度等级不起控制作用。

2）对于采用了后注浆工艺的灌注桩，其单桩极限承载力标准值的控制因素存在由桩身强度设计值到岩土设计参数的转变，当桩身混凝土强度等级≤C40时，单桩的极限承载力标准值由桩身混凝土强度等级确定，后注浆效果不能充分发挥。当桩身混凝土强度等级＞C40 时，当不考虑液化效应对桩身强度的影响时，单桩的极限承载力标准值由采用了后注浆工艺的岩土层参数确定，当场地的液化程度严重且桩周穿越液化土层较大时，单桩极限承载力标准值设计值的控制因素完全可能由桩身强度设计值控制。

因此，桩基础设计人员在确定单桩极限承载力标准值时一定要综合考虑桩身强度设计值与岩土层设计参数的影响，避免给工程的使用留下安全隐患。Q