淺談樁基正常使用與承載力檢測的邊界條件差異
[主要內容]
結合工程實例，對樁基礎設計中經(jīng)常碰到的幾類問題（如負摩阻力基樁、在自然地面檢測承載力的地下室基樁、液化土層中的基樁等）進行思考和分析，指出在某些特殊工程條件下，基樁正常使用與承載力檢測的邊界條件差異是非常顯著的，如不加分析和修正調整，將有可能導致承載力取值過大、配樁不足，而偏于不安全；并對這幾類問題提出了解決的思路與方法。
[關鍵詞] 樁正常使用；樁承載力檢測；邊界條件；負摩阻力；地下室；液化土
引言
單樁豎向承載力特征值Ra是設計階段確定樁數(shù)的參數(shù)，樁基承載力檢測得到的參數(shù)是豎向極限承載力標準值Quk。規(guī)范[1-3]規(guī)定Ra與Quk存在如下關系：
Ra=Quk/2 （1）
式（1）中“2”其實只是表觀安全系數(shù)，因為基樁正常使用階段與承載力檢測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，將有可能導致承載力取值過大、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、負摩阻力基樁
1.1 工程實例
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，決定用樁基礎穿過雜填土層，樁尖進入承載力較高的土層2m；先進行樁基靜載試驗，試樁結果表明單樁承載力遠遠大于設計荷載，然后進行樁基施工。建筑完工后投入使用僅6個月發(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20mm，墻體裂縫出現(xiàn)在對應雜填土層厚度較大處。事故分析認為測樁數(shù)據(jù)無誤，由于地基雜填土填筑時間短、欠固結，鍋爐房排灰道漏水加速其固結，對工程樁產(chǎn)生的負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，單樁承載力特征值400kN，樁基施工完成后進行靜載試驗，樁承載力滿足設計要求。在結構封頂并完成第一、二層墻體砌筑時，上部結構作用于樁基的荷載也只是每樁200kN，遠小于單樁承載力特征值。但此時在樓梯間出現(xiàn)嚴重的裂縫，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35cm、另一塊達15cm。事后用水電效應法和PDA動力測樁法進行了樁承載力補充檢測，結果仍滿足設計要求。事故分析反映，整個場地內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個月即開始打樁；按軟土Es=0.55MPa估算，其固結沉降約為130cm，由此對工程樁產(chǎn)生了較大的負摩阻力，使建筑物產(chǎn)生較大的沉降；由于樁尖進入了軟硬不同的土層（一部分樁端進入了軟塑~可塑的砂質黏性土層、另一部分進入了松散~稍密的細砂層），使建筑物兩部分產(chǎn)生較大的沉降差異。
1.2、有關問題討論
從工程實例可見，即使進行了靜載試驗，如果忽視了邊界條件的差異，還是有可能導致嚴重的樁基工程事故。靜載試驗無法準確地測試負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)生樁負摩阻力的根本原因；2）地基土的固結沉降是個極其緩慢的過程，可以是幾個月甚至是幾年；
3）靜載試驗時荷載是在極短時間（如24h）內全部施加到樁頂上，施加的荷載也遠大于正常使用階段（至少是其2倍），試驗時樁的沉降速度將遠大于負摩阻力土層的固結沉降速度，負摩阻力土層與樁的相對位移是向上，試樁時負摩阻力土層也提供了正摩阻力。
負摩阻力基樁靜載試驗結果不但沒有反映負摩阻力的不利影響，反而將中性點以上地基土負摩阻力轉化為正摩阻力，邊界條件差異明顯，不能準確地反映負摩阻力基樁在正常使用階段的承載力。
1.3、設計建議
1.3.1設計前采用靜載試驗測定了Quk
此Quk值包含了中性點以上負摩阻力土層的極限正側阻力。根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》[2]第5.4.3條的取值原則，無論對端承樁還是摩擦樁，確定Ra時均是取中性點以上側阻力為零。因此不能直接按式（1）確定Ra，而應按下式計算：
Ra=（Quk-Qsk2）/2 (2)
式中Qsk2為中性點以上負摩阻力土層的總極限正側阻力標準值。
1.3.2事前沒有采用靜載試驗測定Quk，設計時采用巖土勘察報告提供的經(jīng)驗參數(shù)確定樁承載力
這種情況尚應在設計文件提出樁基檢測時所要達到的Quk最低值。按《建筑樁基技術規(guī)范》[2]第5.4.3條進行驗算時，Ra不包含中性點以上負摩阻力土層的極限正側阻力，根據(jù)承載力檢測的邊界條件，檢測的Quk最低值應計入此項，按下式計算：
Quk=2Ra+Qsk2 (3)
1.4、算例
為了說明采用式（3）的必要性，下面列舉一個算例，計算簡圖如圖1所示，主要計算條件如下：端承型樁，承載力檢測階段負摩阻力土層的總極限正側阻力標準值Qsk2=400kN，正常使用階段負摩阻力土層產(chǎn)生的下拉荷載為Qgn=200kN，非負摩阻力土層可提供的巖土抗力特征值為Rsa1+Rpa=1300kN（相應的總極限值為Qsk1+Qpk=2600kN），上部結構傳至樁頂?shù)暮奢d標準組合效應為Nk=1000kN。
（1）根據(jù)圖1（b）承載力檢測的邊界條件，負摩阻力土層發(fā)揮正的側阻力，所以試驗得到的結果應該是Quk=Qsk1+Qpk+Qsk2=2600+400=3000kN。
（2）樁豎向承載力驗算：根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》[2]第5.4.3條的取值原則，無論對端承樁還是摩擦樁，確定Ra時均是取中性點以上側阻力為零，取Ra=Rsa1+Rpa=1300kN。根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》[2]式（5.4.3-2），Nk+Qgn=1000+200=1200kN
（3）按式（3）計算Quk試驗最低值，Quk=2Ra+Qsk2=2×1300+400=3000kN，符合第（1）點的邊界條件；按式（1）反算，Quk=2Ra=2×1300=2600kN，小于第（1）點邊界條件的計算結果。
（4）假定某根樁的極限承載力實測值為2800kN，按式（3）確定試驗最低值Quk，該樁顯然是不合格的。若試驗最低值Quk按式（1）反算，則會把該不合格樁誤判為合格，遺留工程隱患。
2、在自然地面檢測承載力的地下室基樁
隨著高層建筑和地下空間開發(fā)利用的發(fā)展，基坑越來越深、越來越大?；娱_挖支護與工程樁的成樁、承載力檢測是相互制約的。若先開挖基坑后成樁、檢測承載力，工程樁的邊界條件差異不大，但基坑支護結構的使用期限不得不延長，擠土型工程樁的擠土效應以及錘擊型工程樁的振動都不利于基坑支護結構的安全，采用內撐式基坑支護時工程樁的成樁作業(yè)空間將受到限制。因此有時候不得不采用“先成樁并檢測承載力、后開挖基坑”的施工順序，對此需要密切關注工程樁邊界條件的差異。
2.1、工程實例
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，鉆孔灌注樁設計樁長28m，樁徑600mm，單樁承載力特征值2200kN，基坑開挖段深度為6.80m。樁基正式施工前，在自然地面先施工了3根試驗樁，試驗樁總長32.150m（從自然地面算起），在自然地面進行了單樁豎向承載力靜載試驗，在基坑開挖至設計樁頂標高后又對其中2根樁進行了坑底靜載試樁復測，前后承載力檢測結果匯總于
2.2、討論及設計建議
從表1實例數(shù)據(jù)可見，自然地面測樁與地下室基樁正常使用階段的邊界條件差異有時是非常顯著的，應予以適當調整方可保證樁基的安全度。由于在設計階段尚不確定工程樁的施工順序和檢測方案，應就“先開挖后成樁”和“先成樁并檢測、后開挖”兩種施工順序分別采取不同的設計措施，具體建議如下：
（1）如果設計前先通過自然地面靜載試驗測定Quk的，宜采取專門的技術手段來消除基坑開挖段樁側摩阻力的影響，如松動開挖區(qū)土法、活樁頭短樁試驗法、雙套筒試樁法等。如沒有采取專門的測試手段予以處理，則不能直接按式（1）確定Ra，而應按式（4）計算Ra。若是先在基坑底測定了Quk，則與常規(guī)情況無異，可直接按式（1）確定Ra。
Ra=（Quk-Qsk3）/2 (4)
式中Qsk3為基坑開挖段土層的總極限側阻力標準值。
（2）如果設計前沒有通過靜載試驗測定Quk，設計時采用巖土勘察報告提供的經(jīng)驗參數(shù)確定樁承載力，除按規(guī)范計算Ra、確定樁數(shù)外，尚應在設計文件同時提出“自然地面測樁”和“基坑底測樁”兩種情況下所要達到的Quk最低值。對“自然地面測樁”， Quk按式（5）計算；對“基坑底測樁”，可按式（1）反算Quk。
Quk=2Ra+Qsk3 (5)
3、液化土層中的基樁
3.1規(guī)范要求簡述
《建筑抗震設計規(guī)范》[8]第4.4.3條提出了液化土層中低承臺樁基抗震驗算的相關要求，要分別驗算主震和余震時的樁基豎向承載力[9]：
（1）地震（主震）時土體尚未完全液化，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，但應對液化土層的摩阻力做適當折減。
（2）地震后液化土中的超靜水孔隙壓力需要較長時間消散，地面噴水冒砂在震后數(shù)小時發(fā)生，并可能持續(xù)1~2d。在此過程中，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，但應扣除液化土層全部樁側阻力和承臺下2m深度范圍內非液化土層樁側摩阻力。
3.2、討論及設計建議
液化土中基樁需要驗算3種工況的豎向承載力，3種工況下的樁頂作用效應以及基樁承載力取值各不相同，匯總對比于表2。
很顯然，基樁靜載試驗結果不能反映土層地震液化的不利影響，其邊界條件僅對應于非抗震工況的Ra1。建議采取以下設計措施：
（1）如果設計前先通過靜載試驗測定了Quk，按式（1）只能確定Ra1，驗算非抗震工況樁基豎向承載力。驗算主震和余震工況的樁基豎向承載力時，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）如果設計前沒有通過靜載試驗測定Quk，設計時采用巖土勘察報告提供的經(jīng)驗參數(shù)確定樁承載力，則按表2的原則分別計算確定Ra1，Ra2和Ra3，以及對應的樁頂作用效應，進行3種工況的樁基豎向承載力驗算。此外尚應在設計文件提出樁基檢測時所要達到的Quk最低值。不論是由哪個工況決定配樁數(shù)量，Quk最低值均應該用Ra1按式（1）反算，即Quk=2Ra1。
4、結語
靜載試驗是規(guī)范推薦確定單樁豎向承載力的首選方法，是常規(guī)樁基設計中評價承載力最為可靠的方法。即使如此，對靜載試驗結果也應進行必要的研讀判斷，對邊界條件差異明顯者，應根據(jù)正常使用階段的邊界條件進行必要的修正，方可用來確定配樁數(shù)量，以避免承載力取值過大、配樁不足而偏于不安全；若是事后進行驗證性檢測樁承載力的，應根據(jù)承載力檢測的邊界條件，在設計文件提出所要達到的Quk最低值，避免檢測Quk值取得過小，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，并不能說明其正常使用極限狀態(tài)也同時滿足要求，文中所列的工程事故正是忽視了正常使用極限狀態(tài)的結果。因此必須重視樁基的變形控制，設計階段尚需要對樁基礎進行必要的沉降變形驗算，施工和使用階段進行必要的沉降觀測
