武汉周大福金融中心后压浆大直径嵌岩桩承载力计算

杨双乐

(武汉市勘察设计有限公司,湖北 武汉 430022)

0 引言

武汉周大福金融中心是新世界集团在全国布局的第三座周大福金融中心,是武汉市未来的地标式建筑。在其结构设计过程中,桩基承载力验算是非常重要的一环。拟采用后压浆大直径嵌岩桩,该桩型具有承载力高、沉降变形小的特点。关于计算后压浆大直径嵌岩桩的桩基承载力特征值,涉及的规范和公式较多,各公式中考虑的条件因素和参数取值也因人而异,不同的考量导致结算结果偏差较大。在对塔楼桩基设计时,甚至出现了因单桩竖向承载力计算结果偏低导致布置桩数过多、不满足最小中心距2.5d的情况;或者因设计桩长入岩深度大而施工困难。大直径、嵌岩石、后压浆和大桩长等工况的复合,桩基受力机理和破坏模式理论上十分复杂,本文只从实际应用的角度,从规范公式选取、考虑三向应力状态下桩端岩石三轴抗压强度等方面分析比较,对后压浆大直径嵌岩桩单桩承载力进行优化,对类似条件下尤其是未做桩基静载试验的桩基承载力计算具有很好的借鉴意义。

1 工程资料

工程占地面积66 200 m2,总建筑面积650 929 m2,其中地上393 874 m2,地下257 055 m2,办公面积249 053 m2,住宅79 780 m2,商业39 805 m2。场地±0.00=24.85 m,1号办公楼层数85层,高度约475 m;2号商业楼层数2层～3层,高度20 m～24 m;3号及4号住宅楼层数52层,高度约186 m;地下室约5层,其底板相对埋深为29.6 m～32.6 m。1号办公大楼结构拟采用核心筒+巨型柱结构,3号及4号住宅楼拟采用框架+剪力墙结构,基坑支护形式拟采用地下连续墙+钢筋混凝土支撑。根据勘察报告,场地的岩土层参数如表1所示。本工程属超高层建筑,荷重大,地下室埋藏深,在综合考虑上部结构特征和地质条件后,各建筑基础形式拟定采用桩筏基础,桩型采用钻孔灌注桩,桩端进入⑥-2中风化泥岩4.0 m～9.8 m,直径为1 000 mm,为减少入岩深度采用了桩侧桩端后压浆保证桩基承载力。

表1 场地地层物理力学性质表

2 各规范计算方法比较

涉及建筑嵌岩桩单桩竖向承载力计算的国家标准有GB 50007—2011建筑地基基础设计规范,行业规范主要有JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[1]和JGJ/T 72—2017高层建筑岩土工程勘察标准[2],地方规范有湖北省地方标准DB42/242—2014建筑地基基础技术规范,各计算公式如表2所示。其中国家标准《建筑地基基础设计规范》与湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》[3]中的公式表达一致,故不再单独列出讨论。

表2 桩基承载力各规范计算公式比较表

经过比较表2中各规范公式和相关条文,可以得出以下几点：

1)各规范公式对嵌岩桩承载力实质上都是侧阻力和端阻力的叠加,从形式上看区别在于土层段和嵌岩段侧阻力是否分开表达。JGJ 94—2008建筑桩基技术规范分开表达,将侧阻力分为土层段侧摩阻力和嵌岩段侧阻力,嵌岩段侧阻力和端阻力通过frk合并为总阻力。DB 42/242—2014建筑地基基础技术规范合并表达,嵌岩部分的侧摩阻力和端阻力参数通过frk查取规范表格中的经验值。JGJ/T 72—2017高层建筑岩土工程勘察标准分开表达,嵌岩段的侧摩阻力和端阻力参数也是通过frk查取规范表格中的经验值。

2)DB 42/242—2014建筑地基基础技术规范中的式(3)完全没有考虑桩侧摩阻力,只适用于进入完整硬质岩较浅的短桩,在桩长较长且入岩较深时不能使用。

3)关于嵌岩桩大直径的尺寸效应,JGJ 94—2008建筑桩基技术规范式(4)没有明确的规定,而式(2)和式(5)在规范中只提及到土层的尺寸效应系数,它来源于大量桩基载荷试验结果统计数据,大直径嵌岩桩可能是缺少这方面的数据统计。一般来说嵌岩段孔壁较稳定,而土层孔壁因应力释放会松弛,《建筑桩基技术规范应用手册》[4]中明确阐述了嵌岩段的侧阻力和端阻力不考虑尺寸效应系数,但计算嵌岩段以上土层侧阻力时应考虑。

4)关于后压浆的提高系数,JGJ 94—2008建筑桩基技术规范式(6)有明确的规定,其他两本规范只说明承载力应通过静载试验确定,对如何估算无具体规定,计算时参照式(6)的规定执行。

5)JGJ/T 72—2017高层建筑岩土工程勘察标准式(7)与DB 42/242—2014建筑地基基础技术规范式(1)比较,算法上都是查取规范经验值来确定桩基参数,只不过前者计算极限承载力标准值,后者是计算承载力特征值。后者规范中取值是基于大量载荷试验验证的地方经验,取值上更为可靠。

综上,对武汉周大福金融中心后压浆大直径嵌岩桩单桩竖向承载力可选用式(1)和式(4)为基础计算,同时应考虑上部土层的尺寸效应和后压浆提高效应,相关系数参照其他几条相应公式中的规定。

3 考虑桩端岩石三向应力状态

式(4)计算嵌岩桩的竖向极限承载力考虑的影响因素较为全面,如成桩工艺、桩底岩石坚硬程度、深径比、清底状况等均有涉及[5-6],但是公式中frk为岩石单轴饱和抗压强度,可以认为是无围压下的岩石单向受力状态下的强度,与桩端岩石实际三向应力状态(如图1所示)不符。根据库仑强度准则,桩端下岩石小单元体三向主应力存在如下关系：

(8)

(9)

(10)

实际上式(10)是一种近似解,桩受嵌岩段岩石的侧向约束,由于纵横向变形的差异,在桩顶外荷载增加下桩侧岩石对桩身产生的附加围压σ3随之增加,用桩端处岩石的自重应力pcz计算应有一定的误差,但满足实际设计应用。在对武汉周大福金融中心旁压试验的原位测试数据中的初始压力p0进行统计分析后,发现与式(10)计算结果接近,但旁压试验与岩石地应力的相关性没有成熟研究,故实际计算中不以其相关测试数据为准。对于上述公式中c,φ值应采用三轴压缩强度试验模拟三向应力状态下的真实数据，不宜采用岩石的经验值或直剪试验值。为保证数据代表性，武汉周大福金融中心共完成10组三轴压缩强度试验(其中典型的1组试验成果见图2)，经统计后采用c=14.17 MPa，φ=32.9°，μ=0.14。

4 计算及试桩结果验证分析

4.1 后压浆大直径嵌岩桩单桩竖向承载力公式计算

算法1：以DB 42/242—2014建筑地基基础技术规范式(1)为基础,考虑大直径和后注浆,公式形式为：Ra=βpqpaAp+up∑ψsiβsiqsiali,强风化段不考虑尺寸效应。假设有效桩长25.2 m,从地面下30 m计起,入中风化岩9.0 m,桩径d=1 000 mm,查规范表ψsi=0.928,则Ra=1.1×2 800×3.14×0.52+3.14×1.0×(0.928×1.8×26×4.3+0.928×1.8×33×9.2+0.928×1.9×50×1.1+1.5×60×1.6+1.0×170×9.0)=10 157.46 kN。

算法2：以JGJ 94—2008建筑桩基技术规范式(4)为基础,考虑大直径和后注浆,公式形式为Quk=u∑ψsiβsiqsikli+ζrfrkAp,强风化段不考虑尺寸效应,后压浆则ζr提高1.2倍。假设有效桩长25.2 m,从地面下30 m计起,入中风化岩9.0 m,桩径d=1 000 mm,查规范表ψsi=0.928,ζr=1.2×1.71=2.06,则Quk=3.14×1.0×(0.928×1.8×50×4.3+0.928×1.8×60×9.2+0.928×1.9×90×1.1+1.5×115×1.6)+1.71×1.2×12 700×3.14×0.52=25 895.12 kN,Ra=0.5Quk=12 947.56 kN。

4.2 试桩结果验证分析

试桩于2021年3月21日～5月22日之间进行,采用慢速维持荷载法共试桩17根,均为破坏性试桩。其中,锚桩法抗拔静载6根,桩径800 mm,桩端层位⑤或⑥-1层。堆载法抗压静载11根,桩径1 000 mm,桩端层位为⑥-2层中风化泥岩,为对比基坑开挖段的侧阻影响,11根试桩中8根使用双套筒,3根不使用双套筒,抗压最大加载量27 500 kN～32 100 kN。根据试桩附近的钻孔地层,按与试桩相同条件,采用4.1节中三种算法计算,其单桩竖向承载力特征值对比如图3所示。

可以看出,采用算法1的结果最小,算法2其次,采用算法3与压桩成果最为接近,差值仅在3.5%以内。算法1中桩基参数系地方规范中经验值,说明地方规范中取值较为保守,若采用算法1进行桩基设计,应根据试桩成果对桩基参数优化。

5 结语

后压浆大直径嵌岩桩竖向承载力计算目前规范中没有直接的公式,武汉周大福金融中心按照DB 42/242—2014建筑地基基础技术规范和JGJ 94—2008建筑桩基技术规范中的基础公式来计算,同时考虑上部土层的尺寸效应和后压浆提高效应,相关系数参照规范其他公式中的规定。经过计算比较,采用JGJ 94—2008建筑桩基技术规范中的嵌岩桩计算公式,在考虑桩端岩石三向应力状态后的算法与实际试桩结果最为接近,该算法为其他类似工程提供了思路和参考。当然,后压浆大直径嵌岩桩承载力影响因素较多,多重条件复合,计算理论目前还不成熟,在此情况下,应结合桩基静载试验综合分析确定单桩竖向承载力。