青岛某预制桩工程单桩竖向承载力设计案例分析

2022-09-23李慎锋张吉庆

科技创新导报 2022年13期

李慎锋张吉庆

（青岛瑞源工程集团有限公司山东青岛 266550）

青岛地区某个持力层为泥质粉砂岩的混凝土预制桩桩基工程，其试桩单桩竖向承载力较高，设计单位参照试桩结果进行取值，施工后，出现单桩竖向承载力普遍降低，桩基验收不合格的现象。预制混凝土桩主要承受竖向作用力，具有单桩竖向承载力高、造价低、施工速度快等优点，被普遍应用在桩基工程中［1］。青岛市地区，上部为土层、下部为强风化泥岩层主要分布在胶州市、城阳区及高新区一带。目前，在该地区的桩基工程施工时多采用锤击法沉桩［2］。常虹等［3］对泥岩持力层的管桩沉降作了相关研究；周浪［4］分析了PHC 管桩在白垩系泥质粉砂岩场地内的破坏类型；韩婷［5］提出当PHC管桩竖向抗压承载力不足时，可通过锤击复打后提高单桩竖向抗压承载力；任秀文［6］分析了预制管桩的土塞效应及其对承载力的影响；陈安等［7］分析了泥质粉砂岩的矿物成分；有研究指出地下水会对泥岩、粉砂岩产生强度弱化的影响［8-11］；周华［12］等研究了干燥失水对泥质粉砂岩遇水后物理力学性质的影响；刘新喜［13］等进行了高应力泥质粉砂岩蠕变特性及长期强度研究；徐朋威［14］研究了江西红色风化泥质粉砂岩地基承载力；李进［15］等进行了含节理泥质粉砂岩强度特征试验研究；罗坤［16］根据岩石单轴抗压强度，确定中风化软质岩石的地基承载力特征值，进而确定其桩端阻力特征值。

本文通过青岛地区一个预制桩单桩竖向承载力降低的工程案例，进行原因分析并提出处理措施。结合另外出现类似情况的工程案例，提出青岛地区预制混凝土单桩（400mm×400mm 低预应力方桩或直径500mm的预应力管桩）承载力特征值一般取值范围，旨在为青岛地区以该地层为持力层的预制混凝土桩桩基设计及施工提供借鉴。

1 工程概况

青岛高新区某地块预制桩工程，包括7个楼座，分别为2#至8#楼座。其中，2#、3#、6#和7#为住宅楼；4#、5#和8#为人才公寓；其他楼座为商业办公楼，采用天然地基。7个楼座桩基均采用低预应力预制混凝土实心方桩，型号NFZ-400-a，长度为10～14m，桩数共计1102个。设计单桩竖向承载力特征值均为2200kN，即单桩竖向极限承载力标准值4400kN。桩端入第16-1层（泥质粉砂岩强风化下亚带）不小于4m。楼座平面布置见图1。

图1 平面布置图

2 地质条件

地层编号采用了青岛市建委推广的《青岛市区第四系层序划分》标准地层层序编号，共揭示了5 个主层、5个亚层，地层描述以层及亚层为单位。从上至下分为第①1层粗颗粒素填土、第①2层细颗粒素填土、第⑥层淤泥质粉质黏土、第⑪1层黏土、第⑪层黏土、第⑮层泥质粉砂岩全风化带、第⑯层泥质粉砂岩强风化上亚带、第⑯1层泥质粉砂岩强风化下亚带，详见表1。

表1 预制桩设计参数

桩端持力层为第⑯1层泥质粉砂岩强风化下亚带，该层广泛分布，揭露厚度1.00～10.00m。紫红色，泥质—粉砂质结构，层状构造，以黏土矿物为主，含少量白云母，岩芯呈柱状，内含大量碎块状岩芯，手掰不易碎，可击碎，击声较闷。该层进行标准贯入试验66 次，50 击贯入深度12～27cm。地基承载力特征值fak=700kPa，变形模量E0=40MPa。岩石坚硬程度为软岩，岩体完整性指数Kv＜0.15，岩体极破碎，岩体基本质量等级Ⅴ级。

勘察单位结合场区工程地质情况，选取代表性钻孔39#钻孔，对推荐各桩型进行单桩竖向极限承载力估算，结果见表2所示。

表2 单桩竖向极限承载力标准值估算统计

3 施工过程

施工时，采用预制桩锤击沉桩法施工，锤重8.2t，采用有效桩长和贯入度双控，并以贯入度为主。最后，三阵每阵10锤的贯入度不大于30mm。

4 载荷试验

施工完后，进行单桩竖向抗压静载试验［17］。先对2#、3#、6#楼座各取1 根桩进行了静载试验，对7#楼取两根桩进行静载试验。结果发现，单桩竖向抗压极限承载力为2500～3720kN，5个桩均不满足设计单桩竖向极限承载力标准值4400kN的要求，随即停止对其他桩进行验收工作。其中，7#楼试验桩荷载为3080kN 时，累积沉降量为12.38mm；当荷载加载到3520kN 时，沉降量迅速增大，1h内累积沉降量达到23.06mm，试验桩沉降未能达到相对稳定标准，最后试验桩直接下沉。最终，单桩竖向抗压极限承载力2964.4kN，未达到设计要求的4400kN，见表3和图2。

图2 7#楼桩荷载—沉降曲线图

表3 静载试验分级加载沉降值

5 分析原因

5.1 单桩竖向承载力特征值取值太高

2018年7月5日，建设单位委托其他施工单位对该地块进行预应力混凝土方桩试桩，试桩尺寸为400mm×400mm，桩长14.5m，试桩单桩竖向抗压极限承载力为5280kN。设计单位取单桩竖向抗压极限承载力为4400kN，即单桩竖向承载力特征值为2200kN，设计值符合试桩测试结果，试桩结果见图3和表4。

表4 静载试验分级加载沉降值

图3 2#桩荷载—沉降曲线图

而根据前述勘察报告建议取值进行计算如下。

（1）桩身周长u、桩端面积Ap计算。

u=0.40×4=1.60m，Ap=0.40×0.40=0.16m2。

（2）单桩竖向极限承载力标准值估算。根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）5.3.5式［18］计算：

单桩极限侧阻力标准值为：Qsk=uqsikli=1.60×（60×1.00+75×2.00+120×2.00+180×4）=1872kN。

单桩极限端阻力标准值为：Qpk=qpkAp=0.16×7500=200kN。

单桩竖向极限承载力标准值为：Quk=Qsk+Qpk=1872+1200=3072kN。

单桩竖向承载力特征值Ra根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）5.2.2式［18］计算：

Ra=3072/2=1536kN。

根据实际施工桩长计算，同样桩截面尺寸为400mm×400mm的预制混凝土方桩，入持力层4m，桩长9m的单桩竖向极限承载力标准值Quk为3072kN。表2中勘察单位给的入持力层1m，桩长8.4m的单桩竖向极限承载力标准值Quk为2393kN，两者均小于设计单位提出的单桩竖向极限承载力标准值4400kN。

大多数的桩基设计普遍以试桩为主要参考依据，以勘察报告提供的参数，利用经验参数法进行估算单桩竖向承载力特征值为辅。本工程以试桩结果作为设计依据，设计取值太大，不符合实际情况。若当初以该勘察报告为设计依据，反而较能反映现场实际情况。这是该工程的特殊之处，对其进行原因分析如下。

5.2 地下水浸泡泥岩

经勘察揭露，桩端岩层存在地下岩石裂隙水，且打桩时为7～8月份，处于青岛地区的丰水期。为减少设备进出场成本、加快施工进度，现场采用锤击沉桩。现场泥岩具有遇水软化的特性，详见图4和图5。锤击过程中，桩端泥岩被水浸泡，持力层的泥质粉砂岩被反复振动，导致持力层岩基面软化，岩石强度下降。后期变更设计后进行补桩，送桩深度普遍比之前施工的桩深0.8～1.5m，可从侧面解释持力层岩基软化破坏的可能性。

图4 泥质粉砂岩强风化下亚带硬块岩芯

图5 泥质粉砂岩强风化下亚带风化后岩芯

5.3 未进行复打

设计桩间距多数为1600mm×1750mm，预制桩间距较密集。施工时，采用蛇形往返迂回打桩顺序，未进行严格意义上的从中间向四周的顺序施打，挤土效应导致桩身上浮，详见图6。经现场观测统计，2d 后，上浮量为31～79mm，多数桩上浮大于40mm。施工完后，因工期紧，单个楼座预制桩已多数施工完毕，桩机只能对周边桩进行复打，对里面的桩，桩机无工作面，无法进行复打。泥岩遇水软化膨胀的特点加剧了桩身上浮。后期设计变更进行补桩过程中，复打后，预制桩平均可多入土1m。虽然设计中单桩竖向极限承载力标准值满足试桩结果，但试桩时未考虑挤土效应，且持力层泥岩振动小，未浸水软化破坏。

图6 预制混凝土方桩现场施工图

6 解决措施

6.1 已施工桩基础改为复合地基

预制桩基工程包括7个楼座，其中，对已施工完的2#、3#、6#、7#和8#楼进行了补桩。仍采用低预应力预制混凝土实心方桩，规格400mm×400mm，桩身混凝土强度不低于C60，并全部改为刚性桩复合地基。

例如，2#楼复合地基承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定，要求复合地基承载力特征值fspk≥370kPa。地基采用低预应力预制混凝土实心方桩处理的复合地基，以第⑪1层黏土层为持力层，天然地基承载力特征值fak=170kPa。桩距1650mm×1800mm，矩形布置，有效桩长8.5～10m，桩端持力层均为第⑯1层（泥质粉砂岩强风化下亚带）。单桩竖向承载力特征值通过现场单桩竖向抗压静载试验确定，要求单桩竖向承载力特征值不小于900kN，即单桩竖向极限承载力标准值不小于1800kN。设计桩顶铺设200mm 厚的褥垫层，褥垫层材料可选用5∶5 级配砂石，最大粒径不大于30mm。褥垫层铺设采用静力压实法，压实后的褥垫厚度与虚铺厚度之比小于0.9，复合地基基础开挖时，预留桩顶应预留200mm以上由人工开挖。褥垫层宽出相应基础垫层300mm，详见图7。

图7 2#楼复合地基示意图

2#楼补桩155 根，单桩竖向承载力特征值降为900kN。3#楼补桩159，单桩竖向承载力特征值降为900kN。6#楼单桩竖向承载力特征值降为1100kN。7#楼补桩20根，单桩竖向承载力特征值降为1100kN。8#楼补桩155根，单桩竖向承载力特征值降为1800kN。

6.2 未施工桩基础改为管桩

4#楼改为采用直径500mm的管桩，单桩竖向承载力特征值降为1800kN。5#楼改为采用直径500mm 的管桩，单桩竖向承载力特征值降为1800kN。管桩桩端端口不封闭，可适当释放部分桩端超静水压力，防止桩身上浮。设计变更前后对比见表5。

表5 设计变更前后对比统计表

6.3 优化打桩顺序并及时复打

采取从中间向四周施打的施工顺序。当天完工预制桩，第二天全部复打一遍，直至桩身不再上浮为止。

经采取以上措施，施工后验收通过，质量合格。

7 其他两项类似工程案例

某工程位于青岛市高新区，滨海沉积地貌，场区地层自上而下依次为素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、中粗砂、全风化安山岩、全风化泥质粉砂岩、强风化安山岩、强风化泥质粉砂岩，其中桩端持力层现场标准贯入试验数据见表6。

表6 现场标准贯入试验数据

该桩基工程预制混凝土管桩型号为PHC-500-AB-125-11a，采用有效桩长和贯入度双控，并以贯入度为主。最后三阵每阵10 锤的贯入度不大于30mm。在现场共检测管桩7 根，其中，有3 根桩的单桩竖向承载力特征值小于设计值，具体检测数据如下。

73#桩，加载至第9 级时，沉降量72mm，应判定为第8级，单桩竖向极限承载力为4160kN，见图8。

图8 第73#试验桩沉降曲线

98#桩，加载至第8 级时，沉降量80mm，应判定为第7级，单桩竖向极限承载力为3640kN，见图9。

图9 第98#试验桩沉降曲线

45#桩，加载至第9 级时，沉降量58mm，应判定为第8级，单桩竖向极限承载力为4160kN，见图10。

图10 第45#试验桩沉降曲线

该工程的单桩竖向承载力特征值为1820～2080kN。

另一某桩基工程位于青岛市李沧区沧安路与安顺路交汇处。项目总建筑面积约11万m3，地下一层局部4 层，有高层住宅、人才公寓、商业Loft、底商、综合体等。预制混凝土持力层为第⑯1下层泥质粉砂岩强风化下亚带。砖红至棕红色，泥质、粉砂质结构，层状构造，主要矿物成分为砂屑和黏土矿物，岩芯呈块状至短柱状，锤击声闷、易断，具有浸水易软化的特点。该层选取岩芯中部分硬块进行点荷载试验，并换算成饱和单轴抗压强度，结果统计见表7。

表7 试验成果统计表

根据岩芯性状判定，该岩石属软岩—极软岩，岩体极破碎，基本质量等级V 级。该层地基承载力特征值fak=500kPa，变形模量E0=40MPa。该桩基工程预制混凝土管桩（PHC-500-AB-125-11a），采用桩长以贯入度控制为主，最后三阵每阵10 锤的贯入度不大于30mm。设计单桩竖向承载力特征值为1200kN。经施工后，验收合格。

通过以上3个青岛地区工程案例和黄凯［2］在青岛泥岩持力层上嵌岩打入桩承载力研究与工程分析得出：在青岛泥质粉砂岩地质条件进行预制桩（400mm×400mm低预应力方桩或直径500mm的预应力管桩）施工，采取贯入度控制桩深时，单桩竖向承载力特征值一般取值范围为900～2080kN，具体根据地质条件、桩型号、桩长等因素考虑。若超过2080kN，需要格外引起重视。因为泥岩在同一场地的不同位置处，泥岩性质在一定程度上会存在差异，且地下水的分布情况也并不完全相同，泥岩提供的承载力有所差别。若桩基设计时只根据某位置处的地层资料进行计算，而不考虑整个场区地层的实际情况，实际承载力会有较大差别。3根试桩的偶然性太大，在进行设计时，应多增加试桩数量，并全面考虑，不能只从单一方面的因素进行判断。