载体桩在太原地区粉土地层中的应用研究①

魏世辉, 郭建勇

(1.阜阳职业技术学院城乡建设学院,安徽 阜阳 236031;2.郑州中粮科研设计院有限公司,河南 郑州 450053)

0 引 言

大型工业建筑因结构体系特殊、上部结构荷载较大、工艺要求精确度高,需要地基基础具有较高的承载力和较小的沉降变形。载体桩因施工工艺简单、质量易控制以及可以消纳建筑垃圾等优点,在工程中被广泛采用,国内学者针对载体桩在砂土、卵石等不同地质条件的受力性能进行了相应研究[1-4]。通过不同地质条件下载体桩的工程应用研究,表明载体桩在不同土质条件下均有很好的适用性,在有效的桩长的情况下取得较高的承载力,并能较好的抵抗沉降变形。例如杜明芳等[5]通过对密实砂土层作为持力层的载体桩试验,证明载体桩在砂土层中能够确保良好的施工质量,并获得较高的单桩承载能力。王建安等[6]通过对比灌注桩和载体桩在粉质黏土中的成桩质量、静载试验结果和经济效益,表明了在粉质黏土地区载体桩比灌注桩具有更好的经济性。李辉[7]通过对载体桩在桩筏基础的应用研究,表明了载体桩相比灌注桩具有较高承载力,且其施工工艺相对简单、质量易控制、不受地下水影响,并可以消纳建筑垃圾,节能环保。张培成等[8]通过在饱和软土地基中采用载体桩,表明了载体桩在软土地基中也有较高的承载力,施工质量较好,比预制管桩的工程性能更好。李均山等[9]研究了载体桩在卵石地层中的应用,结果表明以卵石为持力层的载体桩具有较好的适用性,承载能力和抵抗沉降性能良好。以上文献针对不同的地址条件对载体桩的应用进行了研究,由于我国幅员辽阔,土质条件复杂多样,载体桩在不用土质条件中的性能虽然有些差异,但整体表现良好。文章对载体桩在粉土层的应用进行研究,分析其在粉土层中特点,为载体桩在不同土层中适用情况提供支撑,同时也能为同地区载体桩的应用提供参考。

1 工程概况及地质条件

该工程位于山西省太原市,结构平面布局为长方形,长47m,宽16.8m。根据建筑功能和结构特点,采用框架结构,共7层,建筑高度为36.5m。由于上部结构荷载大,沉降变形要求严格,采用桩基础,基础埋深 2.5 m。

场地位于高低起伏黄土山体,高差较大,场地已进行整平处理。场地及场地附近无全新活动断裂和其它不良地质作用,场地为相对稳定场地。场地内地下水位埋藏较深,不在勘察深度范围内。场地地基土自上而下依次为:素填土、湿陷性粉土、粉土、粉质粘土;场地为非自重湿陷场地,地基湿陷等级为Ⅰ(轻微)级。各土层厚度、承载力、压缩模量等物理力学参数见表 1。

表1 场地地层参数

2 载体桩设计

2.1 基础设计方案选择

该场地为高低起伏黄土山体,无全新活动断裂通过,也不存在危及工程安全和场地稳定性的不良地质作用,属于相对稳定场地。针对工程地质条件,对不同的基础方案进行了初选。

图1 载体桩桩身结构图

(1)浅基础方案。以湿陷性黄土层作为持力层,该土层具有非自重湿陷性,需进行处理,且该层承载力不足,沉降变形不易控制。以粉土层作为持力层,基础埋置较深或换填厚度较大,施工困难,综合造价较高。

(2)桩基础方案。无论预制桩还是灌注桩,桩径相对较小,需要桩长较长,需要40多米,且灌注桩成孔需要采取可靠的护壁措施,综合造价高。

经对基础方案综合对比后,综合现场试桩情况,考虑采用载体桩基础方案。通过桩端载体对粉土持力层的挤密作用,有效提高载体桩的单桩承载力。同时,载体桩桩长总体可控制在14m左右,可有效降低施工难度和工程造价。该方案施工难度较低、施工可行性高,能有效保证工程的安全性,提高工程的经济性。

2.2 载体桩设计

工程桩基础设计等级为乙级,设计桩径500 mm,单桩承载力特征值 2000 kN,以粉土层作为桩端持力层。载体桩竖向承载力按式(1)、式(2)计算,具体计算结果见表2。由计算结果可得出,单桩竖向承载力满足设计要求。

Ra=fa·Ae

(1)

fa=fak+ηdγm(d-0.5)

(2)

表2 载体桩竖向承载力

根据《载体桩技术标准》(JGJ/T135-2018)规定[10],载体桩桩间距不宜小于3倍桩身直径,当被加固土层为粉土、砂土或碎石土时,桩间距不宜小于1.6m。该工程桩中心距取1.8m,根据荷载大小不同,分别采用两桩承台、三桩承台、四桩承台和五桩承台。施工时应按照规范要求,严格控制落距、填料用量和最后三击贯入度。载体桩桩身设计图见图1。

2.3 桩身强度验算

桩身强度影响着载体桩对竖向荷载的承载能力,根据《载体桩技术标准》(JGJ/T135-2018)规定,当桩顶以下5倍桩身直径范围内的螺旋式箍筋间距大于100 mm[10]时,载体桩正截面受压承载力可以按式(3)计算,参数含义和桩身强度计算见表3。由计算结果可得出,桩身强度满足设计要求。

(3)

表3 桩身强度计算

2.4 沉降计算

根据载体桩技术标准进行沉降计算[10],计算公式见式(4)。式中计算参数含义及取值见表4。

(4)

表4 沉降计算参数及结果

根据计算结果,本工程基础沉降差小于规范允许值(15.0 mm),基础变形满足规范要求。

3 载体桩检测

3.1 低应变动力检测

该工程采用低应变反射波法检测桩身结构的完整性,对桩身缺陷位置、混凝土强度等级进行判断和评定。在桩顶安置加速度传感器,通过在桩顶实施锤击,激起桩顶质点的振动,从而在混凝土桩身中传播而形成应力波,利用应力波反射状况判断桩身完整性情况。该工程在试验桩静载试验前、后进行了2次低应变动力检测,全部为Ⅰ类合格桩。

3.2 单桩竖向抗压静载试验

该工程载体桩单桩竖向抗压静载试验采用自动载荷测试分析系统进行检测,加载系统采用压重平台反力装置,检测桩数为随机抽取3根。检测加载采用慢速维持荷载法,最大加载值为4000 kN,分级荷载为最大加载值的1/10,其中第一级按分级荷载的2倍加载。单桩静载试验结果见表5。

表5 载体桩单桩静载试验结果

根据静载试验结果,绘制出SZ1桩的Q-s和s-lgQ曲线,见图2。其他2根试验桩的Q-s和s-lgQ曲线同SZ1相似。

由于载体桩静载试验以检测单桩承载力是否满足要求为目标,没有进行破坏性压力试验。由图3可看出,载体桩Q-s曲线呈缓变型,特征点不明显,无明显陡降段;s-lgQ曲线尾部未发生明显向下弯曲。根据静载实验结果表明,载体桩的端承效应明显,单桩承载力特征值可取为2000 kN。

3.3 建筑沉降观测

为了掌握建筑物的沉降情况,保证建筑物安全使用。按照建筑地基规范的要求,在建筑物施工过程中和使用期间进行了沉降观测。

根据沉降观测结果表明,建筑在施工完成后,最大沉降量达到6.8mm,9个月沉降基本稳定,最大沉降量为10.4mm。建筑物沉降量小于沉降计算值和单桩载荷试验值,这是因为,一是在施工过程的碾压、堆载等活动促进土的固结;二是载体桩加固性能好、安全储备较高。

4 结 论

(1)工程实践表明,载体桩在粉土中有较好的工程适用性,以粉土层为持力层可以获得较高的单桩承载力。采用载体桩基础,可以控制桩长,具有较好的经济性。

(2)载体桩在静载试验下的Q-s曲线呈缓变型、s-lgQ曲线无明显向下弯曲,表明载体桩承载能力较好,其受力形式接近于端承桩,符合载体桩承载力计算模型。沉降观测表明载体桩抵抗沉降变形能力良好,桩端加固效果好,加固范围土体抗剪强度提高,满足工程要求。

(3)载体桩单桩承载力计算时,以端承桩的模式进行计算,没有考虑桩身侧摩阻力。结合载荷试验,载体桩承载力相对于计算值仍有较大的储备。为充分发挥载体桩的承载能力,提高工程的经济性,施工前应先进行试桩,合理确定载体桩单桩承载力。