新沂城区超密砂层预制桩桩端阻力的取值探讨

孙君

(常州市规划设计院,常州 213000)

1 前言

新沂城区位于沭河西岸,地势平坦而开阔,地面略有起伏,东北部略高于西南部,地貌单元单一。埋深80～90 m内岩性以新生界为主。其中,第四系厚度约50 m,多以砂层和黏性土交替分布,第三系厚度约30 m,下伏基岩为白垩系王氏组紫红色砂岩[1]。

其中埋深23 m范围内分布多层高阻力超密砂层,双桥静探qc平均约25～33 MPa,土性较均匀,状态极好。而新沂城区采用预制桩时,由于超密砂层埋深较浅,其作为预制桩桩端持力层的破坏性试桩静载检测资料相对较少,故勘察提供的桩基参数多按建筑桩基技术规范[2]中的经验参数法取值,特别是桩端阻力取值明显偏于保守,不能真实反映出超密实砂层的桩端承载特性,与之对应的单桩承载力计算结果也偏低,在无破坏性试桩静载资料的支持情况下,桩基设计往往布桩偏密,加剧了工程桩沉桩穿越困难、桩身上涌导致桩端与持力层接触松弛甚至脱空等一系列问题,引发基桩阻力损失、基桩承载力降低等风险[3-8]。

目前,预制桩桩端阻力除采用根据规范取值外,多通过增做高应变检测方式估测[9-12]。本文结合新沂城区典型项目,针对新沂城区常作为预制桩持力层的埋深16～23 m段超密砂层,通过对常规的抗拔和抗压静载试验结果综合分析,对超密砂层中预制桩单桩承载力起主导作用的桩端阻力取值进行了探索,挖掘其作为预制桩桩端持力层的承载潜力,为预制桩桩端阻力取值提供借鉴和参考。

2 工程地质特性分析

典型工程项目位于新沂城区新安街道,地貌类型属于沂沭丘陵-平原区的冲积平原,第四系地层以砂土和黏性土为主。根据《岩土工程勘察规范》(DGJ32/TJ 208-2016)附图E.0.1《沂沭丘陵第四纪晚更新世(Q3)地层出露或浅埋区分布图》[13],场地位于Q3地层出露或浅埋区。Q3沉积土层埋深浅,第四系全新统(Q4)沉积土层分布于约4 m以浅(如表1中①层),第四系上更新统(Q3)及以前沉积土层一般分布于约4 m以下(如表1中②1层及以下土层)。23 m内分布的超密砂层为③层细中砂、⑤层中砂、⑦层中粗砂,其中⑦层中粗砂为预制桩设计桩端持力层(ZH-50实心方桩,桩顶标高22.25 m,桩端标高10.25 m)。土层基本物理力学性质指标如表1,由于场地土层层位均匀,选取典型剖面如图1,以此反映场地大致土层分布。

表1 基本物理力学性质指标统计平均值

图1 工程典型剖面图

3 预制桩桩基参数的选择与对比

新沂地区预制桩桩基参数通常参照桩基规范中的经验参数法,据土名和土的状态结合规范表5.3.5进行桩侧阻力和桩端阻力取值,按式(1)估算单桩竖向极限承载力标准值,符号意义见桩基规范第5.3.5条。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

除该取值方法外,桩基规范中尚提出原位测试法估算单桩极限承载力:对于黏性土、粉土和砂土,如无当地经验时,可根据双桥静力触探资料按式(2)确定混凝土预制桩单桩极限承载力标准值,其中βi·fsi相当于式(1)中桩侧阻力qsik,α·qc相当于式(1)中桩端阻力qpk,符号意义见桩基规范第5.3.4条:

Quk=Qsk+Qpk=u∑li·βi·fsi+α·qc·Ap

(2)

2016年颁布实施的江苏省岩土工程勘察规范,提供了我院基于常州地区地层建立的双桥静力触探测试指标估算桩基承载力的经验关系,并建议其他地区参照使用时,应结合静载荷试验验证。但该经验关系是基于常州地区土性双桥静探和静载荷试验统计回归得出的同一土层桩侧、桩端阻力与静力触探摩阻力fs、锥尖阻力qc近似线性关系,统计范围fs在5～180 kPa,qc在1.4～15.0 MPa之间,而本项目⑦层中粗砂qc平均约33.1 MPa,fs平均约218 kPa,均在江苏省岩土工程勘察规范最大桩侧和桩端阻力取值对应的双桥静力触探测试指标最高值范围外。根据上式(2)及相关文献[14]所述同一土层桩侧阻力、桩端阻力与静探测试指标qc、fs多呈线性或类线性关系,故基于江苏省岩土工程勘察规范密实砂层按qc、fs外延进行桩侧和桩端阻力取值。

以典型工程为例,对预制桩单桩承载力计算所涉②～⑦层土,分别参照建筑桩基技术规范中的经验参数法(表中简称“经验法”)、建筑桩基技术规范中的双桥静力触探原位测试法(表中简称“静探法”)和江苏省岩土工程勘察规范按qc、fs外延取值法(表中简称“外延法”),进行预制桩桩基参数对比,如表2。

表2 预制桩参数取值对比表

基于以上预制桩参数3种不同取值结果,以图1中J1、J2号孔为例,估算单桩抗压承载力值如表3。

通过对预制桩桩基参数3种取值方法计算所得单桩抗压承载力进行分析可知:单桩总极限侧阻力标准值相差不大,极差在13%以内;而总极限端阻力因桩基参数中的极限端阻力qpk取值不同导致计算结果差异极大,外延法所得总极限端阻力接近经验法的3倍,其单桩抗压承载力极限值接近经验法的2倍;由计算结果根据承载性状分类,按经验法基桩类型为摩擦型桩(端承摩擦桩),按静探法和外延法基桩类型为端承型桩(摩擦端承桩)。为了明确基桩实际受力性状和进一步验证桩基参数选取的合理性,极限端阻力qpk的取值至关重要。

4 静载验证和分析

为验证桩基参数,尤其是极限端阻力qpk的合理取值区间,选取典型工程场地布置的4根抗拔试桩(桩号KB-SZ1～KB-SZ4),6根抗压试桩(桩号1-SZ1～1-SZ4、3-SZ1、3-SZ3),具体位置详见图2,试桩信息如表4。

单节预制桩锤击进入⑦层中粗砂后结合压桩力终止沉桩。试桩施打完毕满足休止期要求后,进行了单桩竖向抗压和抗拔静载试验,抗拔加载值超过420 kN后每级按70 kN加载,抗压加载值超过2 800 kN后每级按400 kN加载,结果汇总如表5,桩长12 m的4根抗拔桩承载力检测值均为1 750 kN,抗压极限承载力检测值均为8 050 kN。由于场地土层分布均匀,为简化分析,视场地抗压和抗拔桩为针对同一地层检测。

表4 试桩信息表

表5 试桩静载结果汇总表

由单桩抗拔极限承载力标准值计算公式:

Tuk=∑λi·qsik·ui·li

(3)

对于等周长桩来说,公式(3)即为公式(4):

Tuk=∑λi·Qski

(4)

Qski为桩侧分层极限侧阻力标准值,其他符号意义详见桩基规范第5.4.6条,其中抗拔系数λ对于砂土取0.5～0.7,对于黏性土、粉土取0.7～0.8。进一步的,将式(4)中极限侧阻力按砂土和黏性土分开,并假定桩身范围内砂土总侧阻为黏性土总侧阻的m倍,则式(4)变为式(5):

Tuk=λ砂·m·Qsk黏+λ黏·Qsk黏

(5)

将式(5)代入式(1),则qpk表达为式(6):

qpk=[Quk-(m+1)Tuk/(λ砂m+λ黏)]/Ap

(6)

对于抗拔、抗压检测结果及m值为定值情况下,λ砂、λ黏取低值时,对应的qpk取值为下限值;λ砂、λ黏取高值时,对应的qpk取值为上限值。

为了获得m值,将表3中总极限侧阻力标准值Qsk分解为砂土极限侧阻力标准值Qsk砂和黏性土极限侧阻力标准值Qsk黏,m值即为Qsk砂/Qsk黏,如表6所示,mz值最大值和最小值极差约17%,m值建议取其平均值2.52。

表6 砂土和黏性土侧阻力及m值计算表

将m、Tuk、Quk、Ap值代入式(6),λ砂、λ黏分别取低值0.5、0.7时,对应qpk下限值为19 628 kPa;λ砂、λ黏分别取低值0.7、0.8时,对应qpk上限值为22 590 kPa;故qpk取值大致在19 628～22 590 kPa之间时,与实际检测结果更为接近。

5 结语

基于新沂城区典型工程勘察和桩基静载资料,对浅部16～23 m深度段的超密砂层进行了工程地质特性分析、预制桩桩基参数反分析,提出如下说明和建议:

(1) 从静载结果看,该深度段的超密砂层,状态极好,尤其作为预制桩桩端持力层时,其端承特性显著,桩端阻力对单桩承载力的贡献大。

(2) 初步分析,桩端土层刚度越大,上部桩侧土体位移起到阻滞约束作用,致使桩端附近土体围压增加,土体抗剪强度得到加强,会表现为桩端附近阻力存在增强效应。

(3) 从静载检测反算的极限端阻力qpk取值区间看,对于该超密砂层,qpk按建筑桩基技术规范中的经验参数法进行取值,明显过于保守;按建筑桩基技术规范中的静力触探法取值,尚存在一定的安全储备;江苏省岩土工程勘察规范密实砂层按qc、fs外延进行qpk取值,与实际检测结果更为接近。

(4) 超密砂层按照不同规范和方法,预制桩极限端阻力qpk最大和最小取值之间的比值可能高达约3倍。仅按建筑桩基技术规范中的经验参数法进行取值和一味按单桩承载力计算值主控、不作破坏性试桩的桩基设计方法,往往导致桩基设计经济性差,同时还会带来沉桩穿越困难等一系列桩基施工问题。故提供合理的桩基参数建议、进行破坏性试桩静载荷试验验证和调整桩基参数,更有利于优化桩基设计。

(5) 本文中砂土总侧阻与黏性土总侧阻的比值m是通过计算结果统计得出的,作为实际砂土、黏性土桩侧受力分担情况的假定;抗拔系数λ砂、λ黏采用建筑桩基技术规范建议取值范围的最大和最小值参与反分析,而建筑桩基技术规范λ砂、λ黏是根据全国部分城市抗拔试验结果并参照有关规范给出的,具有统计包络性但更加宽泛,故得出的qpk取值区间范围相应也稍大,精确度稍差。