沉积岩地区不同桩径桩长的桩基承载力分析

吴仉华，李影，郑永阳

（抚州市城市建设集团有限公司，江西抚州 344099）

1 引言

单桩竖向极限承载力计算是高层建筑及桥梁桩基设计中主要的计算内容之一。建筑行业[1-2]、公路行业[3]、铁路行业[4]等各个行业标准的计算方法有所区别，本文主要是根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》进行计算。

大量试验结果[5]表明，岩土强度、成桩工艺、几何尺寸等因素都对单桩竖向极限承载力产生较大影响。通过单桩静载试验可以科学地确定单桩极限承载力标准值，但由于静载试验数量较少并且在设计前不可能进行完全与施工时相同条件的试验，因此，需要通过相关侧阻力标准值、端阻力标准值[6-9]、岩石饱和单轴抗压强度标准值以及相关修正系数来计算。

基于以上分析，本文通过一个实际工程案例计算，旨在揭示不同桩径和不同桩长的单桩竖向极限承载力变化规律，为高层建筑的桩基设计提供重要的参考依据。

2 工程概况

本项目为某市公共卫生中心建设项目，建筑用地约5.3 万m2，总建筑面积约为4.4 万m2，其中地上建筑面积约2.9 万m2，地下建筑面积约1.5 万m2，含1 栋11 层（其中地下1 层）的公共卫生应急指挥中心。

建设项目含有1 层整体地下室，地下室周长为610.61 m，地下室顶板标高为38.5 m，底板结构面标高为34.5 m，设计高度为4.0 m，上部结构采用框架剪力墙结构；场地室外整平标高为40.3 m。建筑结构安全等级为一级，建筑桩基设计等级为甲级。桩基采用钻孔灌注桩，桩径分别采用φ800 mm和φ1 000mm 两种规格，桩端持力层为中风化泥质粉砂岩；桩基混凝土强度等级采用C35，施工采用泥浆护壁。

3 岩土结构及特征

根据地勘报告，场地地层结构由第四系全更新统冲积层（Q4al）及白垩系上统南雄组（K2n）组成。按岩土层的地层时代、成因类型、岩性结构及工程地质特征等，自上而下可依次划分为①粉质黏土、②强风化泥质粉砂岩、③中风化泥质粉砂岩。各岩土层的成因类型、岩性结构、工程地质特征、埋藏深度和风化程度分述如下。

3.1 第四系全更新统冲积层（Q4al）

①粉质黏土：灰黄色，可塑状，主要由黏粉粒组成，刀切面较光滑，稍有光泽，无摇振反应，干强度及韧性中等。压缩系数平均值0.30 MPa-1，压缩模量平均值为6.37 MPa，属中等压缩性土。标准贯入试验实测击数N=7～10 击，实测平均击数为8.0击。

3.2 白垩系上统南雄组（K2n）

泥质粉砂岩：紫红色、青灰色，泥质胶结结构，中、厚层状构造，泥质胶结，胶结性较好，偶见垂直裂隙，少数可见Fe、Mn质浸染痕迹。岩石质软，遇水易软化，暴晒易崩解。勘探深度内，按岩石风化程度及工程特性的差异可分为：②强风化泥质粉砂岩、③中风化泥质粉砂岩。

②强风化泥质粉砂岩：紫红色、青灰色，粉砂质结构，中厚层构造，节理裂隙极为发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状、短柱状，碎块用手可掰断，正常钻进速度较快，岩芯采取率较低，泡水易软化，暴晒易崩解。重型圆锥动力触探试验修正后击数N63.5=10.30～16.60 击，修正后平均击数为13.3 击。岩石坚硬程度属极软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为V 级。

③中风化泥质粉砂岩：紫红色、青灰色，粉砂质结构，中厚-厚层状构造，泥质胶结，节理裂隙较为发育，裂隙面被Fe、Mn浸染，岩体较完整，岩面变化不大，岩芯呈柱状，长柱状，局部呈短柱状，岩石质量指标RQD 约75～85。岩石天然单轴极限抗压强度为3.7～10.9 MPa，标准值为5.4 MPa，岩石饱和单轴极限抗压强度为3.1～7.8 MPa，标准值4.7 MPa。岩石按坚硬程度划分属极软岩，岩石完整程度为较完整，岩体基本质量等级为V 级。

3.3 各岩土层厚

①粉质黏土标高位于28.10～38.10 m，层厚10.0 m；②强风化泥质粉砂岩标高位于25.90～28.10 m，层厚2.2 m；③中风化泥质粉砂岩标高位于17.90～25.90 m，层厚8.0 m，未完全揭露。

4 桩基设计参数

根据场区内各土层的岩土工程特征，并结合地区及类似工程经验，依据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中的有关规定，综合确定场地岩土层相应桩型的极限侧阻力标准值及极限端阻力标准值详见表1。

表1 桩的极限侧阻力、极限端阻力标准值

5 单桩极限承载力计算

5.1 计算公式

工程实践中，可根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值。

对于摩擦桩，JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中5.3.5条给出以下计算式：

式中，Quk为单桩竖向极限承载力标准值；Qsk、Qpk分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值；u 为桩身周长；qsik为桩侧第i 层土的极限侧阻力标准值；li为桩周第i 层土的厚度；Ap为桩端面积；qpk为极限端阻力标准值。

根据该方法计算的单桩竖向极限承载力，包括侧阻力和端阻力两个部分，最关键的问题是合理科学确定相关经验参数。

大直径桩（d≥800 mm）静载试验表明，砂土中大直径桩的极限端阻随桩径增大而减小，侧阻力也随桩径增大而减小。因此，JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》建议考虑大直径桩端阻及侧阻的尺寸效应。

式中，ψsi、ψp分别为大直径桩的侧阻力、端阻力尺寸效应系数。

对于桩端置于完整、较完整基岩的嵌岩桩，JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中5.3.9 条给出以下计算式：

式中，frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值；ζr为桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数，与嵌岩深径比hr/d、岩石软硬程度和成桩工艺有关。

5.2 计算结果

以桩顶标高为33.70 m，分别计算φ800 mm 和φ1 000mm两种桩径的不同桩长的单桩竖向极限承载力。结果如表2所示。

表2 单桩竖向极限承载力标准值

5.3 结果对比分析

桩径及桩长显著影响桩基的单桩竖向极限承载力，图1和图2 分别给出了φ800 mm 及φ1 000mm 在不同桩长情况下的单桩竖向极限承载力变化情况。

图1 φ800 mm单桩竖向极限承载力标准值

图2 φ1 000 mm单桩竖向极限承载力标准值

从图1 和图2 所示结果可知，不同桩径的单桩竖向极限承载力标准随着桩长增加均提高，变化曲线前半段主要是从摩擦桩变成了嵌岩桩，提高较为显著，但进入基岩后，提高速度明显变缓，嵌岩段侧阻力系数和端阻系数都会下降，导致端阻综合系数增长趋缓。

由于摩擦桩需要考虑大直径尺寸效应，因此，加大直径（≥800 mm）对提高单桩竖向极限承载力的效应会打折扣；而嵌岩桩不考虑大直径尺寸效应，增大桩基直径会相应提高单桩竖向极限承载力。

6 结论

本文开展了不同桩基直径和桩长情况下的单桩竖向极限承载力计算分析，主要得到以下结论。

1）随着桩长的变化，桩基会出现摩擦桩和嵌岩桩两种桩型，其受力特点不同，也导致计算方法和公式不一样。

2）嵌岩桩单桩竖向极限承载力明显高于摩擦桩，因此，基岩埋藏深度较浅时，应尽量采用嵌岩桩。

3）摩擦桩需要考虑大直径尺寸效应，为提高单桩竖向极限承载力而增大桩基直径效果会打折扣，采用增加桩长效果更佳。

4）嵌岩桩进入基岩后，加大嵌岩深径比的单桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数增加逐渐变缓，因此，从技术经济角度出发，不宜过分依赖增加嵌岩深度提高单桩竖向极限承载力。