岩土工程勘察中桩基参数的综合取值方法

2021-04-28张学飞

地质学刊 2021年1期

张学飞

(1. 江苏省地矿局岩土工程应用技术研究中心，江苏镇江 212021；2. 江苏省岩土工程勘察设计研究院，江苏镇江 212021)

0 引言

目前，高层建筑通常有多层地下室，基础埋深大，为满足设计对变形控制的要求，多采用桩筏地基基础形式，单桩竖向极限承载力依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)由静载荷试验确定，作为设计依据的岩土勘察所提供的各岩土层的桩基参数取值的准确性就显得尤为重要。

目前，桩基参数的取值方法有原位测试法和规范经验法。原位测试法主要有：① 根据标准贯入试验成果估算混凝土预制桩竖向极限侧阻力(《高层建筑岩土工程勘察标准》(JGJ/T 72—2017)附录D)；② 根据单(双桥)静力触探资料估算混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值。经验参数法主要根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中关于土的物理力学性质指标提供的估算单桩竖向极限承载力所需的侧阻力、端阻力，并结合当地经验值提供参数的方法。

实际工作中，因勘察人员水平参差不齐，即使是同一个项目，不同的勘察人员往往会给出不同的桩基参数。为有效降低甚至避免人为因素的影响，尝试利用综合参数法对桩基参数进行取值，并结合工程实例进行验证。

1 桩基参数综合取值方法

1.1 桩基参数取值法分析

1.1.1 经验参数法根据土的物理指标，依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)提供桩基参数。土的物理指标常因勘察质量的好坏而存在一定的差异，勘察人员使用此物理指标按桩基规范表5.3.5-1、表5.3.5-2来提供桩基参数，但为了安全，往往提供取值范围内的小值，并没有按内插法去取值，这就是大量试桩结果比按勘察报告提供的桩基参数计算的极限承载力要高很多的主要原因，如果工艺试桩满足设计要求却不做破坏性试验，利用勘察报告提供的桩基参数来进行设计和施工往往会造成建设浪费。

1.1.2 静力触探法按静力触探探头端阻力和侧壁摩阻力来提供桩基参数。该方法较为准确(张学飞等，2011)，前提是静力触探试验的贯入速度必须按规范要求进行。目前，双桥静力触探基本上是机械式的，施工速度多快于规范要求(≤1.0 m/min)，会造成土的瞬时破坏，其超静孔隙水压力未起作用，探头的侧壁阻力偏小，因此在利用侧壁摩阻力时应适当进行纠偏。

1.1.3 标贯成果估算法标准贯入试验数据易出现误差，尤其是砂层中和较深的标贯(>30 m)试验中，因塌孔或未清理浮土，或预打击数不规范，造成实打标贯击数偏大。按此时的标贯实测击数提供的混凝土预制桩极限侧阻力偏大，显然不安全，这是预制桩(管桩)试桩结果达不到按勘察报告桩基参数估算的竖向极限承载力的主要原因。

上述经验参数法与静力触探法虽有一些研究(程红梅等，2008；王宗文等，2013)，但对静力触探指标与经验参数法及根据《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ/T 72—2017)附录D提供的桩基参数进行对比分析研究较少。

1.2 桩基参数综合取值方法

桩基参数综合取值方法利用经验参数法、双桥静力触探法和标贯法，分别提供桩侧极限摩阻力、桩端极限端阻力，取3种方法的加权平均值为桩侧极限摩阻力、桩端极限端阻力，步骤如下。

(1)根据分层后土层的物理力学指标平均值e、IL、N，依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)经验参数法表5.3.5-1、表5.3.5-2，按内插法取值提供桩侧极限摩阻力qsik、桩端极限端阻力qpk。

(2)根据分层后土层的双桥探头锥尖阻力平均值qc和侧壁摩阻力平均值fs提供桩侧极限摩阻力qsik、桩端极限端阻力qpk。

(3)根据分层后的标准贯入试验结果统计平均值，依据《高层建筑岩土工程勘察标准》(JGJ/T 72—2017)附录D的表D.0.1和表D.0.2，按内插法取值提供桩侧极限摩阻力qsik、桩端极限端阻力qpk。

(4)对上述步骤(1)—(3)桩侧极限摩阻力qsik、桩端极限端阻力qpk分别求和，取其平均值作为此次桩基的桩侧极限摩阻力qsik、桩端极限端阻力qpk。

该法可有效消除勘察中的参数取值误差，相较于按某一种方法提供桩基参数具有明显优势，不但安全性有保障，而且提供的桩基参数往往十分接近土层的真实应力状态。

按此法提供桩基参数，其单桩竖向极限承载力标准值按下式计算：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

式(1)中，Quk为单桩竖向极限承载力标准值，kPa；Qsk为总极限侧阻力标准值，kPa；Qpk为总极限端阻力标准值，kPa；u为桩身周长，m；qsik为综合取值后桩周第i层土的极限侧阻力，kPa；li为桩周第i层土的厚度，m；qpk为综合取值后桩周第i层土的极限端阻力，kPa；Ap为桩端面积，m2。

该方法适用范围较广，黏性土、粉土、砂土及全风化土层均适合。

2 工程实例

某工程(张学飞，2018)总建筑面积约为16.3万m2，其中地上建筑面积约为11.8万m2，地下建筑面积约为4.6万m2，住宅楼地上8～28层，地下1～2层，单柱最大荷载为10 420 kN，采用桩筏基础，各建筑均设有1层地下室(局部2层)，与纯地下车库结构通过大底盘连为一体，其中高层建筑与多层及地下室层差超过10层。按相关规范判定其勘察等级、桩基础设计等级、地基基础设计等级均为甲级，地下车库基坑支护结构安全等级为三级，其结构重要性系数应≥0.90；抗震设防类别为丙类。勘察查明的场地土层分布及有关岩土参数见表1。

该工程天然地基不能满足设计要求，勘察查明场地内⑦、⑧、⑨、⑩等层土为中等压缩性为主的土层，其下卧层均为中偏低压缩性土层，分布稳定，强度较高，是较好的桩端持力层。勘察报告建议对地下室抗浮、多层建筑和小高层建筑采用预制桩(竹节桩)，以⑦层粉砂或⑧层粉质黏土为桩端持力层；对高层建筑建议采用钻孔灌注桩，以⑨层粉质黏土为桩基持力层，以上桩型均按摩擦桩设计。

对表1按综合取值法步骤(1)、(2)、(3)、(4)分别提供预制桩的桩基参数(表2)。

同理，按上述方法求得泥浆护壁灌注桩的综合取值法桩基参数，将2种取值法求得的桩基参数作为勘察报告最终提交的桩基参数(表3)。

土层的液化折减系数、桩周土的负摩阻力系数、抗拔桩的抗拔系数等按相关规范提供(表3)。

3 桩基参数的精确性及其验证

按规范要求在地质情况较差的勘探孔部位进行工艺性试桩，桩基持力层为⑦层粉砂层，设计桩长从自然地面往下21.0 m，桩基龄期满28天后进行静载荷试验，结果工艺试桩最大加载为3 100 kN，满足设计单桩极限承载力3 100 kN要求，检测合格，故未做破坏性检测，但试桩结果只能表明勘察提供的桩基参数是安全的，其合理性和经济性无法进行推测。

表1 土层分布及原位测试结果

表2 综合取值法预制桩桩基参数

表3 勘察报告桩基参数(综合取值法)

由于1#、2#楼(淮安市水勘院工程检测有限公司，2019a)工程桩(竹节桩)检测不合格，可用于验证勘察报告提供的桩基参数的合理性。

1#楼、2#楼均为8层小高层，地下2层，设计采用预应力混凝土竹节桩，设计单桩承载力特征值为1 500 kN，桩端持力层为⑦层粉砂且进入持力层3d，竹节桩编号为T-PC-B500-460(110)，静压法施工，1#、2#楼桩统一编号，施工日期为2018-07-27—2018-08-06，1#楼总桩数为77根，2#楼总桩数为78根。根据规范要求，1#楼、2#楼各抽测3根工程桩进行单桩竖向抗压静载荷试验(表4)。

表4 受检桩施工记录

表4中的6根工程桩均在加荷至2 100 kN时发生桩顶沉降量>40 mm的情况，达到了破坏性检测要求。根据《建筑地基基础检测规程》(DGJ32/TJ 142—2012)，取前一级荷载为单桩极限承载力实测值。桩检测结果见表5。

6根桩所在的位置均为勘察时地层相对较差的位置，对应在勘察报告剖面图30-30′上，其附近可利用计算的勘探孔及桩剖面图(图1、图2)。

由图1、图2可知，这6根试桩中仅26#桩、48#桩刚进入⑦层粉砂层，依据《岩土工程勘察规范》(DGJ 32/TJ 208—2016)未达到进入持力层3d倍，即1.5 m，其余4根桩停留在⑥层粉质黏土上，未进入⑦层持力层。根据表5，这6根桩均已达到破坏性试验，可对③、④、⑤、⑥、⑦层土的桩侧壁极限摩阻力和⑥、⑦层土的极限端阻力进行反向计算及分析验证。

依据《预应力混凝土管桩基础技术规程》(DJ 32/TJ 109—2010)混凝土预应力管桩单桩竖向极限承载力标准值估算公式如下：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)

(2)

取λp=0.8、d=0.50 m、d1=0.28 m，根据图1、图2，按桩基参数表3计算其单桩竖向极限承载力值(表6)。

可见，提供的第③、④、⑤、⑥、⑦层桩基参数接近土的真实应力状态，经济合理。表中6根工程桩均未达到设计要求的进入⑦层持力层的3d(后续处理及造成1#楼、2#楼桩基检测不合格的原因不在探讨范围之内)。根据相关规范，工艺性试桩一般需要做破坏性试验，然后根据工艺性试桩结果并结合勘察报告中提供的桩基参数进行优化设计(陈红玲等，2014)。

综合取值法在另外的桩基破坏性检测中也得到了大量验证(验证方法同上)。