淺談樁基正常使用與承載力檢測(cè)的邊界條件差異
[主要內(nèi)容]
結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中經(jīng)常碰到的幾類問(wèn)題（如負(fù)摩阻力基樁、在自然地面檢測(cè)承載力的地下室基樁、液化土層中的基樁等）進(jìn)行思考和分析，指出在某些特殊工程條件下，基樁正常使用與承載力檢測(cè)的邊界條件差異是非常顯著的，如不加分析和修正調(diào)整，將有可能導(dǎo)致承載力取值過(guò)大、配樁不足，而偏于不安全；并對(duì)這幾類問(wèn)題提出了解決的思路與方法。
[關(guān)鍵詞] 樁正常使用；樁承載力檢測(cè)；邊界條件；負(fù)摩阻力；地下室；液化土
引言
單樁豎向承載力特征值Ra是設(shè)計(jì)階段確定樁數(shù)的參數(shù)，樁基承載力檢測(cè)得到的參數(shù)是豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk。規(guī)范[1-3]規(guī)定Ra與Quk存在如下關(guān)系：
Ra=Quk/2 （1）
式（1）中“2”其實(shí)只是表觀安全系數(shù)，因?yàn)榛鶚墩Ｊ褂秒A段與承載力檢測(cè)的邊界條件或多或少存在差異。在某些特殊工程條件下，這種差異是非常顯著的，如不加分析，直接按式（1）確定Ra，將有可能導(dǎo)致承載力取值過(guò)大、配樁不足，而偏于不安全。下文列舉3種典型情況，期望引起業(yè)界的重視，采取必要的措施以保證樁基安全度。
1、負(fù)摩阻力基樁
1.1 工程實(shí)例
例1：哈爾濱市某小區(qū)取暖鍋爐房建在厚度為4~16m的雜填土地基上。為減少地基的不均勻沉降，決定用樁基礎(chǔ)穿過(guò)雜填土層，樁尖進(jìn)入承載力較高的土層2m；先進(jìn)行樁基靜載試驗(yàn)，試樁結(jié)果表明單樁承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載，然后進(jìn)行樁基施工。建筑完工后投入使用僅6個(gè)月發(fā)現(xiàn)墻體出現(xiàn)大量斜裂縫，地面也出現(xiàn)明顯沉陷和裂縫，墻體最大裂縫達(dá)20mm，墻體裂縫出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)雜填土層厚度較大處。事故分析認(rèn)為測(cè)樁數(shù)據(jù)無(wú)誤，由于地基雜填土填筑時(shí)間短、欠固結(jié)，鍋爐房排灰道漏水加速其固結(jié)，對(duì)工程樁產(chǎn)生的負(fù)摩阻力起到了主要的不利作用，由于填土厚度不均勻，使樁基產(chǎn)生了不均勻沉降
例2[5]：上世紀(jì)80年代末廣東省江門市某七層房屋采用 450沉管灌注樁基礎(chǔ)，單樁承載力特征值400kN，樁基施工完成后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。在結(jié)構(gòu)封頂并完成第一、二層墻體砌筑時(shí)，上部結(jié)構(gòu)作用于樁基的荷載也只是每樁200kN，遠(yuǎn)小于單樁承載力特征值。但此時(shí)在樓梯間出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫，裂縫從一層貫通到頂層，把建筑物分為兩塊，其中一塊沉降達(dá)35cm、另一塊達(dá)15cm。事后用水電效應(yīng)法和PDA動(dòng)力測(cè)樁法進(jìn)行了樁承載力補(bǔ)充檢測(cè)，結(jié)果仍滿足設(shè)計(jì)要求。事故分析反映，整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布有深厚的軟土層（平均厚度9m），其含水量w=60%、孔隙比e=1.6，在其上面填土約4m、造成大面積堆載約79.2kPa，填土后僅2個(gè)月即開(kāi)始打樁；按軟土Es=0.55MPa估算，其固結(jié)沉降約為130cm，由此對(duì)工程樁產(chǎn)生了較大的負(fù)摩阻力，使建筑物產(chǎn)生較大的沉降；由于樁尖進(jìn)入了軟硬不同的土層（一部分樁端進(jìn)入了軟塑~可塑的砂質(zhì)黏性土層、另一部分進(jìn)入了松散~稍密的細(xì)砂層），使建筑物兩部分產(chǎn)生較大的沉降差異。
1.2、有關(guān)問(wèn)題討論
從工程實(shí)例可見(jiàn)，即使進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，如果忽視了邊界條件的差異，還是有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的樁基工程事故。靜載試驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)試負(fù)摩阻力基樁在正常使用階段的承載力，原因在于：
1）樁周土沉降大于基樁的沉降，是產(chǎn)生樁負(fù)摩阻力的根本原因；2）地基土的固結(jié)沉降是個(gè)極其緩慢的過(guò)程，可以是幾個(gè)月甚至是幾年；
3）靜載試驗(yàn)時(shí)荷載是在極短時(shí)間（如24h）內(nèi)全部施加到樁頂上，施加的荷載也遠(yuǎn)大于正常使用階段（至少是其2倍），試驗(yàn)時(shí)樁的沉降速度將遠(yuǎn)大于負(fù)摩阻力土層的固結(jié)沉降速度，負(fù)摩阻力土層與樁的相對(duì)位移是向上，試樁時(shí)負(fù)摩阻力土層也提供了正摩阻力。
負(fù)摩阻力基樁靜載試驗(yàn)結(jié)果不但沒(méi)有反映負(fù)摩阻力的不利影響，反而將中性點(diǎn)以上地基土負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)化為正摩阻力，邊界條件差異明顯，不能準(zhǔn)確地反映負(fù)摩阻力基樁在正常使用階段的承載力。
1.3、設(shè)計(jì)建議
1.3.1設(shè)計(jì)前采用靜載試驗(yàn)測(cè)定了Quk
此Quk值包含了中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力土層的極限正側(cè)阻力。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]第5.4.3條的取值原則，無(wú)論對(duì)端承樁還是摩擦樁，確定Ra時(shí)均是取中性點(diǎn)以上側(cè)阻力為零。因此不能直接按式（1）確定Ra，而應(yīng)按下式計(jì)算：
Ra=（Quk-Qsk2）/2 (2)
式中Qsk2為中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力土層的總極限正側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。
1.3.2事前沒(méi)有采用靜載試驗(yàn)測(cè)定Quk，設(shè)計(jì)時(shí)采用巖土勘察報(bào)告提供的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定樁承載力
這種情況尚應(yīng)在設(shè)計(jì)文件提出樁基檢測(cè)時(shí)所要達(dá)到的Quk最低值。按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]第5.4.3條進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，Ra不包含中性點(diǎn)以上負(fù)摩阻力土層的極限正側(cè)阻力，根據(jù)承載力檢測(cè)的邊界條件，檢測(cè)的Quk最低值應(yīng)計(jì)入此項(xiàng)，按下式計(jì)算：
Quk=2Ra+Qsk2 (3)
1.4、算例
為了說(shuō)明采用式（3）的必要性，下面列舉一個(gè)算例，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要計(jì)算條件如下：端承型樁，承載力檢測(cè)階段負(fù)摩阻力土層的總極限正側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值Qsk2=400kN，正常使用階段負(fù)摩阻力土層產(chǎn)生的下拉荷載為Qgn=200kN，非負(fù)摩阻力土層可提供的巖土抗力特征值為Rsa1+Rpa=1300kN（相應(yīng)的總極限值為Qsk1+Qpk=2600kN），上部結(jié)構(gòu)傳至樁頂?shù)暮奢d標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)為Nk=1000kN。
（1）根據(jù)圖1（b）承載力檢測(cè)的邊界條件，負(fù)摩阻力土層發(fā)揮正的側(cè)阻力，所以試驗(yàn)得到的結(jié)果應(yīng)該是Quk=Qsk1+Qpk+Qsk2=2600+400=3000kN。
（2）樁豎向承載力驗(yàn)算：根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]第5.4.3條的取值原則，無(wú)論對(duì)端承樁還是摩擦樁，確定Ra時(shí)均是取中性點(diǎn)以上側(cè)阻力為零，取Ra=Rsa1+Rpa=1300kN。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]式（5.4.3-2），Nk+Qgn=1000+200=1200kN
（3）按式（3）計(jì)算Quk試驗(yàn)最低值，Quk=2Ra+Qsk2=2×1300+400=3000kN，符合第（1）點(diǎn)的邊界條件；按式（1）反算，Quk=2Ra=2×1300=2600kN，小于第（1）點(diǎn)邊界條件的計(jì)算結(jié)果。
（4）假定某根樁的極限承載力實(shí)測(cè)值為2800kN，按式（3）確定試驗(yàn)最低值Quk，該樁顯然是不合格的。若試驗(yàn)最低值Quk按式（1）反算，則會(huì)把該不合格樁誤判為合格，遺留工程隱患。
2、在自然地面檢測(cè)承載力的地下室基樁
隨著高層建筑和地下空間開(kāi)發(fā)利用的發(fā)展，基坑越來(lái)越深、越來(lái)越大。基坑開(kāi)挖支護(hù)與工程樁的成樁、承載力檢測(cè)是相互制約的。若先開(kāi)挖基坑后成樁、檢測(cè)承載力，工程樁的邊界條件差異不大，但基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用期限不得不延長(zhǎng)，擠土型工程樁的擠土效應(yīng)以及錘擊型工程樁的振動(dòng)都不利于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，采用內(nèi)撐式基坑支護(hù)時(shí)工程樁的成樁作業(yè)空間將受到限制。因此有時(shí)候不得不采用“先成樁并檢測(cè)承載力、后開(kāi)挖基坑”的施工順序，對(duì)此需要密切關(guān)注工程樁邊界條件的差異。
2.1、工程實(shí)例
例3[6,7]：山東菏澤某高層住宅樓工程，地上22層、地下2層，樁筏基礎(chǔ)，鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)28m，樁徑600mm，單樁承載力特征值2200kN，基坑開(kāi)挖段深度為6.80m。樁基正式施工前，在自然地面先施工了3根試驗(yàn)樁，試驗(yàn)樁總長(zhǎng)32.150m（從自然地面算起），在自然地面進(jìn)行了單樁豎向承載力靜載試驗(yàn)，在基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高后又對(duì)其中2根樁進(jìn)行了坑底靜載試樁復(fù)測(cè)，前后承載力檢測(cè)結(jié)果匯總于
2.2、討論及設(shè)計(jì)建議
從表1實(shí)例數(shù)據(jù)可見(jiàn)，自然地面測(cè)樁與地下室基樁正常使用階段的邊界條件差異有時(shí)是非常顯著的，應(yīng)予以適當(dāng)調(diào)整方可保證樁基的安全度。由于在設(shè)計(jì)階段尚不確定工程樁的施工順序和檢測(cè)方案，應(yīng)就“先開(kāi)挖后成樁”和“先成樁并檢測(cè)、后開(kāi)挖”兩種施工順序分別采取不同的設(shè)計(jì)措施，具體建議如下：
（1）如果設(shè)計(jì)前先通過(guò)自然地面靜載試驗(yàn)測(cè)定Quk的，宜采取專門的技術(shù)手段來(lái)消除基坑開(kāi)挖段樁側(cè)摩阻力的影響，如松動(dòng)開(kāi)挖區(qū)土法、活樁頭短樁試驗(yàn)法、雙套筒試樁法等。如沒(méi)有采取專門的測(cè)試手段予以處理，則不能直接按式（1）確定Ra，而應(yīng)按式（4）計(jì)算Ra。若是先在基坑底測(cè)定了Quk，則與常規(guī)情況無(wú)異，可直接按式（1）確定Ra。
Ra=（Quk-Qsk3）/2 (4)
式中Qsk3為基坑開(kāi)挖段土層的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。
（2）如果設(shè)計(jì)前沒(méi)有通過(guò)靜載試驗(yàn)測(cè)定Quk，設(shè)計(jì)時(shí)采用巖土勘察報(bào)告提供的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定樁承載力，除按規(guī)范計(jì)算Ra、確定樁數(shù)外，尚應(yīng)在設(shè)計(jì)文件同時(shí)提出“自然地面測(cè)樁”和“基坑底測(cè)樁”兩種情況下所要達(dá)到的Quk最低值。對(duì)“自然地面測(cè)樁”， Quk按式（5）計(jì)算；對(duì)“基坑底測(cè)樁”，可按式（1）反算Quk。
Quk=2Ra+Qsk3 (5)
3、液化土層中的基樁
3.1規(guī)范要求簡(jiǎn)述
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]第4.4.3條提出了液化土層中低承臺(tái)樁基抗震驗(yàn)算的相關(guān)要求，要分別驗(yàn)算主震和余震時(shí)的樁基豎向承載力[9]：
（1）地震（主震）時(shí)土體尚未完全液化，但土體剛度明顯降低，故基樁承載力仍按地震作用下提高25%取用，但應(yīng)對(duì)液化土層的摩阻力做適當(dāng)折減。
（2）地震后液化土中的超靜水孔隙壓力需要較長(zhǎng)時(shí)間消散，地面噴水冒砂在震后數(shù)小時(shí)發(fā)生，并可能持續(xù)1~2d。在此過(guò)程中，液化土層完全喪失承載力。由于主震后有余震發(fā)生，故余震的地震作用按水平地震影響系數(shù)最大值的10%采用，基樁承載力仍按地震作用下提高25%取用，但應(yīng)扣除液化土層全部樁側(cè)阻力和承臺(tái)下2m深度范圍內(nèi)非液化土層樁側(cè)摩阻力。
3.2、討論及設(shè)計(jì)建議
液化土中基樁需要驗(yàn)算3種工況的豎向承載力，3種工況下的樁頂作用效應(yīng)以及基樁承載力取值各不相同，匯總對(duì)比于表2。
很顯然，基樁靜載試驗(yàn)結(jié)果不能反映土層地震液化的不利影響，其邊界條件僅對(duì)應(yīng)于非抗震工況的Ra1。建議采取以下設(shè)計(jì)措施：
（1）如果設(shè)計(jì)前先通過(guò)靜載試驗(yàn)測(cè)定了Quk，按式（1）只能確定Ra1，驗(yàn)算非抗震工況樁基豎向承載力。驗(yàn)算主震和余震工況的樁基豎向承載力時(shí)，必須按規(guī)范要求（也就是表2的取值原則）修正后確定Ra2和Ra3。
（2）如果設(shè)計(jì)前沒(méi)有通過(guò)靜載試驗(yàn)測(cè)定Quk，設(shè)計(jì)時(shí)采用巖土勘察報(bào)告提供的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定樁承載力，則按表2的原則分別計(jì)算確定Ra1，Ra2和Ra3，以及對(duì)應(yīng)的樁頂作用效應(yīng)，進(jìn)行3種工況的樁基豎向承載力驗(yàn)算。此外尚應(yīng)在設(shè)計(jì)文件提出樁基檢測(cè)時(shí)所要達(dá)到的Quk最低值。不論是由哪個(gè)工況決定配樁數(shù)量，Quk最低值均應(yīng)該用Ra1按式（1）反算，即Quk=2Ra1。
4、結(jié)語(yǔ)
靜載試驗(yàn)是規(guī)范推薦確定單樁豎向承載力的首選方法，是常規(guī)樁基設(shè)計(jì)中評(píng)價(jià)承載力最為可靠的方法。即使如此，對(duì)靜載試驗(yàn)結(jié)果也應(yīng)進(jìn)行必要的研讀判斷，對(duì)邊界條件差異明顯者，應(yīng)根據(jù)正常使用階段的邊界條件進(jìn)行必要的修正，方可用來(lái)確定配樁數(shù)量，以避免承載力取值過(guò)大、配樁不足而偏于不安全；若是事后進(jìn)行驗(yàn)證性檢測(cè)樁承載力的，應(yīng)根據(jù)承載力檢測(cè)的邊界條件，在設(shè)計(jì)文件提出所要達(dá)到的Quk最低值，避免檢測(cè)Quk值取得過(guò)小，把承載力不符合要求的樁誤判為合格，遺留工程隱患。
必須指出，樁基承載力檢測(cè)只是保證其承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求的必要手段，并不能說(shuō)明其正常使用極限狀態(tài)也同時(shí)滿足要求，文中所列的工程事故正是忽視了正常使用極限狀態(tài)的結(jié)果。因此必須重視樁基的變形控制，設(shè)計(jì)階段尚需要對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行必要的沉降變形驗(yàn)算，施工和使用階段進(jìn)行必要的沉降觀測(cè)
