建筑技术丨长螺旋钻孔压灌桩承载力设计取值实例分析

中部非洲国家文化艺术中心位于刚果民主共和国首都金沙，该项目包括文化中心和艺术学院两部分，均为钢筋混凝土框架结构，其中文化中心包含大、小剧场、办公楼，艺术学院包含教学楼、图书馆及体育馆。该项目按中国国内标准设计与施工，其相关设计、施工及试验测试工作均由中国企业完成。文化中心和艺术学院均采用桩基承台基础，基桩采用长螺旋钻孔压灌桩工艺，桩径600 mm，有效桩长12~18 m，桩端持力层分别为中密中砂层和密实细砂层。设计试桩前预估的承载力特征值分别为800 kN和1 200 kN。设计试桩参数见表1。表1设计试桩设计参数1、长螺旋钻孔压灌桩工艺长螺旋钻孔压灌桩工艺是国内发展较快的桩基施工技术，目前适用于施工深度不超过35 m（桩长不宜超过30 m）、成孔桩径为400~1 000 mm的压灌桩。该工艺采用长螺旋钻机，钻孔至设计深度后提钻，同时通过钻杆芯管压灌预拌混凝土。压灌至施工桩顶标高后移开钻机，将钢筋笼植入桩体。长螺旋钻孔压灌桩工艺和设备具有施工简捷、无泥浆污染、噪声小、穿透能力强、效率高等特点，适用工程地质条件范围广、综合费用相对合理。由于长螺旋钻孔压灌桩成桩特点、桩身混凝土与桩周土间无软弱介质充填，基桩承载力应高于相同几何尺寸的泥浆护壁成孔灌注桩，因而在中国大陆的基坑支护、地基处理和桩基施工等方面被大量推广应用，在海外岩土工程中也已开始陆续采用。基于基桩几何参数和工程场地适应性，金沙萨中部非洲国家文化艺术中心的结构基桩采用长螺旋钻孔压灌桩工艺，由于当地首次使用该工艺，为验证工程桩设计参数的合理性和施工工艺的可行性，并复核项目现场土层分布的状况，在现场进行了9根设计试桩，并据此调整与确认相关设计参数。2、单桩承载力特征值设计取值初始方法试桩前，根据JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》公式5.2.2、5.3.5和JGJ/T914—2018《长螺旋钻孔压灌桩技术标准》公式4.2.1、4.2.3进行了单桩承载力特征值的初步计算，其中公式5.2.2与4.2.1相同，公式5.3.5与4.2.3相同，如式（1）（2）所示。Ra=Quk/K

（1）Quk=u∑qsikli+qpkAp

（2）式中：Ra为单桩竖向承载力特征值；Quk为单桩竖向极限承载力标准值；K为安全系数，取K=2；u为桩身周长；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；li为桩侧第i层土的厚度；qpk为极限端阻力标准值；Ap为桩端面积。qsik和qpk可由岩土工程勘察单位根据当地经验和相应规范提出，若无当地经验可参照相关规范或标准取值。按项目岩土勘察报告和上述规范、标准计算三种设计试桩的单桩承载力特征值结果见表2、表3。表2qsik,qpk

取值

kPa表3单桩承载力特征值计算计算结果表明，按现行规范或标准计算单桩承载力特征值，其数值上相差不超过3%，而按岩土工程勘察报告提供的参数，数值上比规范或标准计算值低10%~25%。3、现场试验数据分析现场设计试桩的目的是复核拟定桩型和参数条件下的单桩承载力，检验长螺旋钻孔压灌桩工艺的适应性。试桩按我国技术标准，采用长螺旋钻孔压灌桩工艺施工，试桩施工中揭露地层与地勘资料基本一致。试桩测试也按中国相关专业技术规范的基本要求进行。设计试桩承载力测试取值根据JGJ106—2014《建筑基桩检测技术规范》，试验结果汇总如表4、图1所示。表4试桩静载试验结果汇总图1静载试验Q-s曲线由于现场配重及加载能力的限制，单桩最大加载能力按规范或标准计算极限承载力的1.25倍准备，即单桩静载试验最大加载能力为3 000 kN。在加载过程中，所有试桩的桩顶沉降均未出现由于加载引起的不稳定状态。总体而言，在相同的桩顶荷载下，长桩（如SZH2S-1~SZH2S-3）的桩顶位移值较小、短桩（如SZH1-1,SZH1-2,SZH1S-1,SZH1S-2）桩顶位移较大。从图1和表4可看出，根据沉降量、回弹分析，对SZH1和SZH1S桩型，当最大加载量为3 000 kN时，约为初步设计计算承载力特征值（根据岩土工程勘察报告计算）的3.6~4倍，除SZH1-1号桩外余桩加载至3 000 kN时其桩顶沉降值小于其桩径的6%，均未达到极限状态。对SZH2S桩型的抗压承载力，当最大加载量为3 000 kN时，约为初步设计计算承载力特征值（根据岩土工程勘察报告计算）的2.4倍，单桩承载力还有较大的发挥空间。对SZH1-2,SZ1S-1号桩，在最大加载量为3 000 kN时桩顶沉降数值超过20 mm，但其增量依然连续且未出现数值上的突变，即在最大加载作用下，桩顶沉降量小于前一级荷载沉降量的5倍。刚果河两岸流域许多建筑地基土层分布不均匀性明显，与本项目隔河相望的刚果共和国布拉柴维尔商务中心基坑开挖揭示同一建筑场地基底位置同时存在稍密饱和细砂、淤泥质粘土、未成岩砂岩及密实胶结砂的情况。综上所述，按目前专业技术标准的相关规则，桩长分别为18 m和12 m的2组试桩，其单桩承载力特征值可取1 500 kN，而桩长为14 m的一组试桩，综合考虑各种因素其单桩承载力特征值取1 200 kN，分别比初始预估值提高了25%~50%。上述结果尽管满足现行专业技术规范的相关要求，同时反映了试桩场地非均匀性的影响；但也说明试验设计存在缺陷，最大加载量未能反映试桩的实际最大承载能力，而最大加载量是按岩土勘察资料和现行技术规范或标准中物理指标法预估的。因此，恰当地运用长螺旋钻孔压灌桩的工艺特点，如提钻灌注的速率和压力能根据桩周实际地层进行调控，其单桩承载特性比同几何尺寸与地层条件的普通泥浆护壁灌注桩承载变形能力有明显改进。各组试桩竖向抗压刚度和桩身刚度影响系数及弹塑刚度比见表5，表中单桩竖向抗压刚度kp的计算值可由文献所述公式及岩土勘察资料和桩身设计参数确定，实测值可通过单桩静载试验Q-s曲线直接计算求出。表5试桩单桩竖向抗压刚度计算结果汇总从表5可知，对设计桩长12.0m,14.0m,18.0m的试桩，单桩竖向抗压刚度的计算值均值分别为342.05MPa·m,405.40MPa·m,563.65MPa·m。其相对偏差范围分别为(89%~113%),(92%~107%),(97%~101%)。相应的实测值均值为448.22MPa·m,519.33MPa·m,775.57MPa·m。其相对偏差范围分别为(59%~178%),(40%~184%),(73%~150%)。即单桩竖向抗压刚度的计算值与实测值随桩长而增加，计算值比较偏差范围比实测值小。桩身刚度影响系数λ0为考虑桩侧与桩端地基变形时对单桩竖向抗压刚度的影响系数。其数值为单桩竖向抗压刚度kp与桩身刚度EpA/L的比值。EpA/L的物理含义为桩端及其下卧地基为刚性且桩侧表面无摩阻力时，仅由桩身弹性变形产生的单桩竖向抗压刚度。当系数λ0≥2时，单桩的承载特性以侧向摩擦为主；当λ0≤2时，单桩的承载特性以端承为主；当2>λ0>1时，单桩的承载特性表现为侧向与桩端共同承载。从表5可知，对设计桩长12.0 m,14.0 m,18.0 m的试桩，桩身刚度影响系数λ0计算值均小于1.0，桩的承载特性均以端承为主。在桩长为12.0 m时λ0实测值小于1.0，桩的承载特性均以端承为主；在桩长为18.0 m时λ0实测值约为1.0，单桩的承载特性表现为侧向与桩端共同承载。单桩抗压静载试验时，与承载力特征值相应的抗压刚度可视为弹性刚度，与最大加载量或承载力极限值相应的抗压刚度弹可视为塑性刚度，两者的比值简称为弹塑刚度比。显然，一般情况下值应大于1.0；接近1.0说明桩的承载特性接近弹性状况，值越大说明桩的变形特性越表现为塑性；当超过5.0或更高的数值后，即认为桩身结构较大部分出现塑性变形，基桩到达极限承载力。从表5还可知：3组试桩实测的弹塑刚度比分别为1.47,1.41,1.35，且短桩取高值，长桩取低值。即最大加载时桩身结构较大部分仍处于弹性状态，单桩具有承受更高荷载的能力。综上所述，当采用物理指标法预估长螺旋钻孔压灌桩的单桩承载力极限值时，可根据地层条件与成桩工艺水平，在现有国内规范或标准推荐指标值之上再提高25%~50%，对长桩可取较低值，对短桩可取较高值。4、结论（1）因当地资源受限及参考资料较少，海外工程项目中初步估算试桩承载力时，对qsik,qpk的取值，如无当地经验，可根据岩土勘察报告按国内相关专业技术标准取值。采用长螺旋钻孔压灌工艺时，其预估承载力值可在现行标准基础上再提高25%~50%，对较长桩可取较低值，对较短桩可取较高值，并应通过设计试桩静载测试予以验证。（2）设计试桩静载试验的桩数应反映