某高层建筑灌注桩优化设计

刘少武

（广州市城市规划勘测设计研究院 广州510060）

1 工程概况

某高层建筑项目场地位于粤东沿海地区，东面临近河流，属第四系冲积相和海陆交互相沉积地貌。总用地面积为45 492 m2，总建筑面积为27 万m2，建筑设计为14 栋28～31 层的高层住宅楼，地下室2 层。项目于2013 年进行施工图设计。地质报告揭示的场地土层分布情况及承载力如表1所示。

2 基础选型

2.1 场地地质特点

场地地质有以下特点：⑴地质条件较为复杂，砂层与粘性土互层，层厚变化大；⑵土层中部有较为稳定的⑥粗砂层及⑦砾砂层，其下方普遍存在较厚的软弱下卧层；⑶花岗岩全风化及强风化层厚度变化大，中风化岩埋置深。

本工程属高层建筑，对地基的承载力和变形要求较高，因此适合采用桩基础。

2.2 桩基础选型

若考虑作为预应力管桩的桩端持力层，存在以下问题：⑴常用的预应力管桩难以穿越⑥粗砂层及⑦砾砂层，虽然桩端承载力比较高（qpa=4 000 kPa），但是这时桩的有效桩长只有11～16 m 左右，预应力管桩直径φ500 mm，单桩承载力特征值计算值为1 200 kN。无法满足本项目高层住宅的荷载要求；⑵粗砂层及砾砂层厚度变化幅度大，其中粗砂层厚度约为1.10～8.00 m，砾砂层厚度约为0.90～11.50 m。同时由于场地砂层与粘性土互相交错，部分地段砾砂层厚度不大，桩端持力层厚度可能会不足，桩基础也可能会穿越该层进入软弱下卧层⑧砂质粘性土，对桩的承载力及沉降产生一定的影响，可能会造成群桩的不均匀沉降。

若采用钻孔灌注桩，桩端则可穿越较厚的砂层，进入承载力较高且压缩性较低的强风化岩层（qpa=1 000 kPa）。灌注桩直径1 200 mm，桩端入强风化岩10 m，有效桩长约36～40 m。按表1 提供的侧摩阻力、端阻力特征值，计算得出单桩竖向承载力特征值为7 500 kN（其中总端阻力特征值为1 130 kN，总侧阻力为6 370 kN，总侧阻力占桩总承载力的85%）。

最终选定采用钻孔灌注桩进行施工图设计。

3 试验桩承载力验证与分析

工程桩正式施工前，先施工2根试验桩，分别采用基桩自平衡静载试验、单桩竖向抗压静载试验2 种方法进行承载力检测。

3.1 基桩自平衡静载试验

表1 土层分布情况及承载力建议值一览Tab.1 List of Soil Layer Distribution and Recommended Values of Bearing Capacity

3.1.1 试验原理［1，2］

基桩自平衡静载试验在受力特点上比较接近桩的实际工作条件。试验的加载设备为荷载箱，荷载箱与钢筋笼连接后安装在桩身的中下部，同时将高压油管和位移测量装置一起引到地面。试验过程中，从桩顶高压油管对荷载箱内部施加压力，随着箱顶与箱底被推开，就产生了向上与向下的推力，随之调动了桩周土的侧阻力与端阻力的发挥，直到设计要求的最大试验荷载，或者达到破坏。单桩抗压极限承载力由桩侧土摩阻力与桩端土阻力相加得到。根据岩土勘察资料及岩土参数进行计算，确定荷载箱埋设位置。计算的原则为荷载箱位置处的上、下段桩的承载力相等。试验桩的桩身平衡点计算情况如表2所示。

3.1.2 试验过程

1#试验桩第二级（对应荷载箱荷载1 500 kN）、第三级（对应荷载箱荷载2 250 kN）加载过程中油压能稳住，上部桩位移和桩顶位移均很小且均能达到相对稳定标准。加载第四级（对应荷载箱荷载3 000 kN）加载过程中油压能稳住，上部桩位移和桩顶位移均开始逐渐变大均但能达到相对稳定标准，此两级荷载的累计位移量分别是7.83 mm、7.52 mm。但在进行第五级（对应荷载箱荷载3 750 kN）加载过程中，上部的桩位移和桩顶的位移都在瞬间变大，荷载不能稳定，在停止补压情况下的荷载只能维持在3 100 kN 左右，上部的桩位移、桩顶位移及下部桩位移累计值分别达到22.61 mm、22.67 mm、13.06 mm。桩上部及桩下部荷载位移曲线如图1所示。

为防止试验桩发生整体滑移破坏，停止加载转为卸载，荷载箱上部桩的实测极限值取3 000 kN。

3.1.3 单桩竖向抗压承载力特征值的确定

根据《基桩静载试验自平衡法：JT/T 738-2009》的规定，单桩竖向抗压极限承载力为：

表2 1#试验桩平衡点的计算Tab.2 Calculation of Balance Point of Test Pile 1

式中：Qu为单桩竖向抗压极限承载力；Qu上为荷载箱上部桩的实测极限值；Qu下为荷载箱下部桩的实测极限值；W为荷载箱上部桩自重；γ为荷载箱上部桩侧阻力修正系数，取加权平均值。

图1 上部桩U-δ曲线和下部桩Q-s曲线Fig.1 U-δ Curve of Upper Pile and Q-s Curve of Lower Pile

根据1#桩试验位移数据可知，Qu上=3 000 kN，Qu下≥3000kN，W=834kN，γ=0.794，则Qu=5 727.14 kN。对应的单桩竖向抗压承载力特征值为Qa=Qu/2=2 863.50 kN。

3.2 单桩竖向抗压静载试验

2#试验桩抗压静载试验结果如下：桩径φ1 200，桩长39.0 m，单桩承载力特征值为7 500 kN，终止荷载为15 000 kN，单桩极限承载力为11 000 kN，最大沉降量为129.76 mm，残余沉降量为117.42 mm，承载力特征值对应沉降量为20.56 mm。单桩竖向抗压承载力特征值取11 000/2=5 500 kN。

3.3 试验结果分析

基桩自平衡静载试验中，平衡点以上桩的侧摩阻力极限值为3 000 kN，推算得出桩侧摩阻力特征值约为14 kPa。按地质报告中提供的参数，平衡点以上桩的侧摩阻力特征值的加权平均值为38 kPa。桩侧摩阻力特征值按试验结果推算仅达到按地质报告参数计算的37%。

单桩竖向抗压静载试验得出单桩承载力特征值为5 500 kN，端阻力按地质报告提供的1 130 kN，推算出桩的总侧摩阻力特征值约为4 370 kN。按地质报告参数计算，原设计桩总侧摩阻力特征值6 370 kN。桩侧摩阻力按试验结果推算仅为按地质报告参数计算的69%。

上述桩承载力试验，均达不到原设计的单桩承载力要求。原因是场地中粗砂层、砾砂层及花岗岩残积土厚度比较大，普遍达到30 m 左右，泥浆护壁成孔灌注桩在这些土层范围内，桩土之间形成比较厚的软塑状泥皮。这些泥皮的存在，大大削弱了灌注桩的侧摩阻力。岩土工程勘察报告提供的场地岩土层侧摩阻力，实际上无法达到。从试验结果还可以看到，土层侧摩阻力上部土层比下部土层削弱的程度更大。

4 后注浆灌注桩设计

4.1 后注浆灌注桩的作用原理

近年来，后注浆钻孔灌注桩在建筑工程和交通工程中应用比较广泛［3-8］。为达到原设计的单桩承载力特征值，在不增加桩长及桩径的情况下，对钻孔灌注桩考虑增加桩端后注浆的施工工艺进行改进。在灌注桩的桩身预埋注浆管，当桩身混凝土达到指定的强度后，采用高压将水泥浆液通过注浆管注入到桩端或者桩侧设定范围的土层中。水泥浆液通过渗透、劈裂、填充、置换、压密及固结，对桩端沉渣和桩侧泥皮进行一定程度的固化，桩端、桩侧设定范围内土的物理力学性质得到改善，不同程度地提高了桩端阻力和桩侧阻力，减少了桩基的沉降。

4.2 后注浆灌注桩的主要设计参数

注浆量及注浆压力是后注浆灌注桩的主要设计参数。依据《建筑桩基技术规范：JGJ 94-2008》［9］第5.3.10条，桩端阻力增强系数βp按强风化岩取2.0。从桩端以上12 m 范围内桩侧阻力增强系数βsi按全、强风化岩取1.4；桩侧其余部分的侧阻力按岩土工程勘察报告建议值的0.7 倍取值计算。在单桩竖向承载力特征值保持为7 500 kN，其中总端阻力特征值为2 260 kN，总侧阻力为5 240 kN。

后注浆钻孔灌注桩注浆量按文献［9］第6.7.4 条计算。桩端注浆量经验系数αp取1.5～1.8，直径1 200 mm 的灌注桩注浆量约为2.2 t（以水泥质量计），注浆终压力≥3 MPa。满足下列条件之一可终止注浆：①注浆压力及注浆总量均达到设计要求；②注浆总量不小于设计值的75%，同时注浆压力不小于设计值。

实际施工中，由于场地砂层比较厚，对桩施工工艺试验时，满足注浆终压力≥3 MPa的水泥用量基本都达到3.4 t以上，约为文献［9］建议范围较高值的1.5倍。

按此推算，桩端注浆量经验系数ap约为2.8。按《建筑地基基础设计规范：BDJ 15-31-2016》［10］第10.1.8条，注浆量按桩径的2～3倍估计，则实际注浆量与按文献［10］建议范围的较高值比较接近。本工程最终确定直径1 200 mm的灌注桩注浆量约为3.4 t，注浆终压力不低于3 MPa。

4.3 后注浆灌注桩的承载力验证

后注浆灌注桩施工后进行了单桩竖向抗压静载试验，主要结果如表3 所示。单桩竖向承载力特征值均能满足不低于7 500 kN的设计要求。

表3 后注浆灌注桩单桩抗压静载试验结果Tab.3 Static Load Test Results of Single Post Grouting Pile

5 结语

⑴泥浆护壁成孔灌注桩在花岗岩土层的桩土之间形成比较厚的泥皮，大大降低了灌注桩的侧摩阻力。按岩土工程勘察报告提供的场地岩土层侧摩阻力，应乘以一定的折减系数采用，对花岗岩及其残积土层，土层侧摩阻力的折减系数取值应不大于0.7。

⑵试验表明，采用后注浆的灌注桩，桩端阻力和桩侧阻力都有不同程度的提高，并且有效减少桩基沉降。

⑶花岗岩及其残积土层上的后注浆灌注桩，注浆量取值宜适当放大。当按文献［9］进行设计时，桩端注浆量经验系数αp可按建议值最高限值的1.5 倍取值。当按文献［10］进行设计时，可按建议值的最大值取值，即注浆量按桩径的3倍计算确定。