利用組合式鋼箱梁進(jìn)行深基坑內(nèi)超大直徑鉆孔灌注樁的靜載試驗(yàn)

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況[1,2]

某工程由辦公塔樓及商業(yè)裙房組成，塔樓為地上59 層，高289 m；商業(yè)裙房為地上4 層，高22 m。區(qū)域整體設(shè)置3 層地下室，采用樁筏基礎(chǔ)。地塊基坑面積約為14 000 m2，基坑設(shè)計(jì)深度16 m。

鉆孔灌注樁類型為端承摩擦樁，樁長(zhǎng)16 m，樁徑1 300 mm，嵌巖1 000 mm。由于樁側(cè)摩阻力和樁端阻力在很大程度上受施工影響，為確保單樁承載力滿足設(shè)計(jì)30 000 kN要求，樁須進(jìn)行靜荷載垂直抗壓試驗(yàn)檢驗(yàn)，以確定被檢測(cè)樁的軸向抗壓承載能力，為工程驗(yàn)收提供可靠依據(jù)。設(shè)計(jì)要求基樁靜載噸位為30 000 kN，根據(jù)基樁靜載試驗(yàn)承載力和基樁抗拔力，現(xiàn)場(chǎng)按規(guī)范要求選擇一定比例的樁進(jìn)行試驗(yàn)。下文以A44樁為例（圖1），詳述整個(gè)靜載試驗(yàn)過(guò)程。以A44樁周邊16 根樁作為錨樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。

圖1 樁位平面示意

2 反力架設(shè)計(jì)[3]

為滿足基樁30 000 kN承載力，試樁反力架設(shè)計(jì)由5層疊合井字形組合鋼箱梁組成（圖2）。鋼箱梁為1 300 mm×700 mm×12 mm×20 mm和980 mm×800 mm×20 mm×40 mm共2 種規(guī)格。為防止加載過(guò)程中鋼平臺(tái)應(yīng)力作用產(chǎn)生較大變形，每層鋼箱梁間通過(guò)加勁板焊接連接，并在第3、4、5層局部區(qū)域通過(guò)20a#槽鋼對(duì)平臺(tái)進(jìn)行加強(qiáng)處理，經(jīng)過(guò)MIDAS建模計(jì)算，整體組合式反力架滿足試驗(yàn)要求。

3 加載方案確定

錨樁相對(duì)A44試驗(yàn)樁呈放射狀，若內(nèi)外錨樁同時(shí)加載時(shí)內(nèi)圈6 根樁先受力。由于鋼箱梁自身特點(diǎn)，受力過(guò)程中存在一定的變形。如果所有錨樁同時(shí)進(jìn)行加載，加載過(guò)程中，整個(gè)拉力主要分布在內(nèi)圈6 根樁上，可能引起部分錨樁受力超限，從而導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)的失敗。為確保錨樁受力在可控范圍內(nèi)，分兩階段對(duì)錨樁進(jìn)行加載。第一階段：對(duì)外圍10 根錨樁進(jìn)行加載，加載至某臨界值；第二階段：同時(shí)對(duì)16 根錨樁進(jìn)行加載。根據(jù)不同的堆載量和加載量，設(shè)計(jì)了2 個(gè)加載過(guò)程方案，對(duì)加載過(guò)程進(jìn)行了受力分析，通過(guò)加大堆載質(zhì)量和降低千斤頂加載量選定了相對(duì)安全的加載方案。

3.1 方案一

反力架堆載200 t，第一階段：千斤頂向上加載至19 000 kN，此時(shí)外圈錨樁最大拉力為2 350 kN；第二階段：焊接內(nèi)圈錨樁，千斤頂從19 000 kN分級(jí)逐步加載至30 000 kN，此時(shí)錨樁最大拉力為2 370 kN。根據(jù)方案一模型計(jì)算：錨樁最大拉力為2 350 kN。 而由于單樁受力的不均勻性，可能引起單個(gè)錨樁最大拉力大于設(shè)計(jì)拉力，而引起整個(gè)試驗(yàn)失敗。為確保整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程有效實(shí)施，減少第一階段錨樁最大反力。通過(guò)加大堆載質(zhì)量和降低千斤頂加載量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 方案二

反力架堆載400 t，第一階段千斤頂向上加載至18 000 kN，此時(shí)外圈錨樁最大拉力為1 900 kN；第二階段焊接內(nèi)圈6 根錨樁，千斤頂從18 000 kN分級(jí)逐步加載至30 000 kN，此時(shí)錨樁最大拉力為2 330 kN。

根據(jù)方案二模型計(jì)算，第一階段錨樁最大拉力為1 900 kN，小于單樁承受最大設(shè)計(jì)拉力2 375 kN。在第二階段加載過(guò)程中，錨樁受力情況重新進(jìn)行了分配，此時(shí)錨樁最大反力為2 150 kN，確保了整個(gè)加載過(guò)程安全進(jìn)行。

根據(jù)2 個(gè)加載方案的比較，現(xiàn)場(chǎng)選擇方案二的加載過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)。

4 反力架安裝設(shè)備及圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全分析[4,5]

反力架鋼箱梁最重為11.2 t，由于A44樁離基坑邊距離較遠(yuǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況選擇安裝設(shè)備為4 500 kN汽車吊。

由于作業(yè)條件限制，4 500 kN汽車吊停車位置為基坑北側(cè)。通過(guò)數(shù)值模擬分析，得出吊裝工況下土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況。當(dāng)進(jìn)行吊裝時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移4.4 mm，基坑整體穩(wěn)定性和基坑變形控制指標(biāo)均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

5.1 樁頭處理

根據(jù)基樁檢測(cè)相應(yīng)規(guī)程要求，對(duì)A44樁的樁頭進(jìn)行了加固處理（圖3），樁頂采用厚10 mm鋼護(hù)筒，護(hù)筒內(nèi)澆筑比樁身高一等級(jí)的混凝土對(duì)基樁進(jìn)行接長(zhǎng)和加固處理。

試驗(yàn)樁周圍的16 根工程樁作為錨樁提供反力，為確保錨樁與反力架有效連接，反力架與錨樁通過(guò)鋼護(hù)筒進(jìn)行連接。鋼護(hù)筒底部通過(guò)與錨樁頂鋼筋雙面焊接連接，鋼護(hù)筒頂部通過(guò)加勁鋼板焊接與鋼箱梁連接。

圖2 反力架模型

圖3 樁頭處理示意

5.2 反力架和加載設(shè)備安裝

4 500 kN汽車吊停機(jī)于基坑北側(cè)，首先安裝錨樁頂部鋼護(hù)筒，待焊接完畢后，分層吊裝鋼箱梁并焊接，每層鋼箱梁間通過(guò)加勁板焊接。加載設(shè)備通過(guò)吊車就位至A44樁周圍后，根據(jù)分布圖從下至上分別安裝至樁頂就位。

5.3 靜載試驗(yàn)

加載系統(tǒng)組裝完畢后按前文所述的方案二進(jìn)行靜載試驗(yàn)，初始穩(wěn)定加載值為6 000 kN，之后每次以3 000 kN加載量進(jìn)行分級(jí)加載，詳細(xì)荷載分級(jí)（kN）：6 000→9 000→12 000→15 000→18 000→21 000→24 000→27 000→30 000。每次千斤頂加載至分級(jí)值后，保持加載值穩(wěn)定2 h，期間觀測(cè)試驗(yàn)樁的變形情況。

5.4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

根據(jù)單樁承載力特征值的要求，本次試驗(yàn)最大控制荷載為30 000 kN。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)全部16 根錨樁拉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，整個(gè)過(guò)程中，鋼護(hù)筒之間受力存在一定的差異，但階段受力情況與模型計(jì)算結(jié)果較吻合。

5.5 變形監(jiān)測(cè)

為了保障施工過(guò)程基坑安全，在基坑北側(cè)圍護(hù)區(qū)域和停車區(qū)域設(shè)置了多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每天上、下午各測(cè)量1 次，主要監(jiān)控基坑北側(cè)路面的沉降，并通過(guò)該區(qū)域的測(cè)斜孔監(jiān)控圍護(hù)墻體的位移情況。整個(gè)施工過(guò)程中，由于采取了相對(duì)有效的措施，最終路面的沉降和圍護(hù)墻體的位移均未達(dá)到預(yù)警值，對(duì)基坑影響較小。

5.6 試驗(yàn)結(jié)果

反力架加載至30 000 kN，經(jīng)測(cè)量A44樁累計(jì)沉降為4.34 mm，2 h后開(kāi)始卸載，卸載完畢后，殘余沉降量為0.72 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

工程中結(jié)合現(xiàn)有鋼箱梁設(shè)計(jì)了組合式反力架，成功地在基坑內(nèi)完成了靜載試驗(yàn)，解決了基坑內(nèi)進(jìn)行超大直徑灌注樁試驗(yàn)的難題。這對(duì)其他工程中樁的靜載試驗(yàn)有一定的指導(dǎo)作用，值得借鑒。