蓋挖地鐵車站試驗樁單樁承載力試驗分析

杜建華,于全勝,沈紅云

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,石家莊 050041； 2.中鐵隧道集團(tuán)北京中鐵隧建筑有限公司,北京 100022； 3.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,石家莊 050035)

蓋挖地鐵車站試驗樁單樁承載力試驗分析

杜建華1,于全勝2,沈紅云3

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,石家莊 050041； 2.中鐵隧道集團(tuán)北京中鐵隧建筑有限公司,北京 100022； 3.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,石家莊 050035)

蓋挖地鐵車站設(shè)計樁頂往往低于自然地面較多,當(dāng)受條件限制無法進(jìn)行基坑開挖時,需在自然地面上進(jìn)行單樁承載力試驗。由于設(shè)計樁頂以上的無效土層會對試驗樁產(chǎn)生較大的摩阻力,會導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。研究蓋挖地鐵車站試驗樁單樁承載力試驗存在的無效土層摩阻力問題,提出結(jié)合消阻雙護(hù)筒的試驗樁制作方法,并對試驗樁單樁承載力進(jìn)行試驗分析。試驗結(jié)果表明：單樁承載力可滿足設(shè)計要求,雙護(hù)筒可較好地解決試驗樁無效土層的樁側(cè)摩阻力消除問題,保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

單樁極限承載力；單樁承載力特征值；試驗樁；單樁承載力試驗；樁側(cè)摩阻力

單樁承載力的準(zhǔn)確測試，對于各類建筑物基礎(chǔ)乃至上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計都起著舉足輕重的作用。長期以來，國內(nèi)外確定單樁承載力的方法很多，總的可分為兩大類：第一類是對工程現(xiàn)場試樁進(jìn)行靜載荷試驗，加載方法主要有堆載法和錨樁法；第二類是通過其他手段，分別得出樁端阻力和樁身的側(cè)阻力后計算求得，如自平衡法[1]。無論是傳統(tǒng)的堆載法、錨樁法還是自平衡法，一般都是在全部樁周土發(fā)揮作用的情況下進(jìn)行單樁承載力試驗。地鐵蓋挖車站往往設(shè)在城市繁華地帶，試樁場地往往受到各種條件限制，不具備大范圍開挖條件，試驗加載需在地面完成。由于試樁設(shè)計樁頂高程遠(yuǎn)低于自然地坪高程，二者之間存在較大的高差，如果直接在地面加載將導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致試驗結(jié)果不準(zhǔn)確。

石家莊地鐵1號線人民廣場站為蓋挖車站，設(shè)計2組試樁(各3根)，編號分別為試樁1、試樁2。試樁1設(shè)計樁頂高程為52.02 m，較場地自然地坪70.61 m低約18.59 m，設(shè)計單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為23 629 kN；試樁2設(shè)計樁頂高程為44.93 m，較場地自然地坪70.47 m低約25.54 m，設(shè)計單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為29 498 kN，設(shè)計樁徑均為1 800 mm，試樁設(shè)計如圖1所示。設(shè)計單位未對此種情況下如何進(jìn)行單樁承載力試驗做具體說明，若進(jìn)行單樁承載力試驗，則必須消除設(shè)計樁頂高程以上的土體對樁的摩阻力；并且在試驗加載時，能夠準(zhǔn)確測得設(shè)計樁頂高程位置樁的真實沉降量。經(jīng)過分析研究，最終采用結(jié)合消阻雙護(hù)筒的方法，順利地完成了單樁承載力試驗。針對此類需要消除部分樁側(cè)摩阻力試驗樁的單樁承載力試驗方法進(jìn)行研究，以期對類似的單樁承載力試驗提供參考和借鑒。

圖1 試樁1、試樁2立面示意(單位：高程為m，其余mm)

1 試驗方法選擇對比

1.1 自平衡法

自平衡法是一種相對較新的試驗方法，具有省力、省時、不受場地條件和加載噸位限制的優(yōu)點(diǎn)[2-5]。但是自平衡試樁法理論與實際工程上存在較大的差異，平衡的確定原則以及摩擦阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)的取值有一定的經(jīng)驗性，需要在較多的實踐下才能準(zhǔn)確取值，試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不易保證，難以滿足地鐵車站中間柱下樁的試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。且荷載箱為一次性投入器件，需投入一定量的成本。

1.2 靜載試驗法——堆載法

靜載試驗中的堆載法試驗時間長，試驗成本高，存在鼓凸倒塌的安全風(fēng)險，加載時樁周土易受到擾動，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且最大加載量有限，難以滿足地鐵車站中間柱下樁約35 000 kN的加載要求。

1.3 靜載試驗法——錨樁法

靜載試驗中的錨樁法具有安裝快捷、節(jié)約成本明顯、安全可靠的特點(diǎn)，特別適用于大噸位試樁。只要錨樁距離試驗樁滿足一定的要求，就可以忽略樁周土的擾動，試驗結(jié)果能較真實反映工程樁的受力狀態(tài)。

2 雙護(hù)筒減摩原理及沉降觀測系統(tǒng)

雙護(hù)筒方法減除無效摩阻的原理是：施工時分別設(shè)置內(nèi)外護(hù)筒，內(nèi)外護(hù)筒之間空置或填充無剪力介質(zhì)，被護(hù)筒隔開的樁體部分不再承受土的摩阻效應(yīng)，但仍可傳遞樁頂荷載，如此可將原本在地下的試驗移至地面，大大降低了試驗難度，避免了深基坑開挖[6-9]。試驗加載時內(nèi)外護(hù)筒能自動分離，內(nèi)外護(hù)筒之間的消阻輪傳遞的摩阻力可以忽略不計，從物理上減除了設(shè)計樁頂高程以上土層的無效摩阻力，避免了人為依據(jù)經(jīng)驗減除無效荷載帶來的誤差，提高了試驗結(jié)果的可靠性，也降低了錨樁的無效反力，提高了錨樁的工作效率。雙護(hù)筒減摩及錨樁反力裝置的組成如圖2所示。

圖2 雙護(hù)筒減摩及錨樁反力裝置組成示意(單位：mm)

為最大限度模擬設(shè)計工程樁工況，觀測系統(tǒng)設(shè)置在樁頂位置。為準(zhǔn)確監(jiān)控錨樁及試樁在加載過程對地面沉降觀測基準(zhǔn)的影響，加載過程中，對地面基準(zhǔn)的變化采用高精度水準(zhǔn)儀分級復(fù)測。為消除上部減摩部分樁身壓縮量對沉降的影響，利用位移桿將樁身沉降觀測基準(zhǔn)自設(shè)計樁頂高程處引出至地表。樁身設(shè)置鋼筋計，通過實測鋼筋應(yīng)力可以得到樁身軸力分布。

3 雙護(hù)筒減摩實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 消阻雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)

雙護(hù)筒需要解決內(nèi)外護(hù)筒之間的防水問題、內(nèi)外護(hù)筒之間的摩阻消除問題。根據(jù)本工程研發(fā)的雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。主要構(gòu)件由內(nèi)護(hù)筒和外護(hù)筒組成，外護(hù)筒同軸套于內(nèi)護(hù)筒的外側(cè)，并且內(nèi)護(hù)筒兩端從外護(hù)筒兩端伸出一定的長度(不小于500 mm)。內(nèi)外護(hù)筒之間的摩阻力關(guān)鍵靠設(shè)置于內(nèi)外護(hù)筒之間的限位消阻輪消除。外護(hù)筒的上端口和內(nèi)護(hù)筒之間通過固定件連接固定，試驗加載前固定件可以使用氣割快速解除。外護(hù)筒的下端口焊接內(nèi)環(huán)板(內(nèi)環(huán)板外徑與外護(hù)筒外徑相同)，內(nèi)環(huán)板和和內(nèi)護(hù)筒之間留有間隙，內(nèi)環(huán)板下方設(shè)置外環(huán)板，外環(huán)板焊接在內(nèi)護(hù)筒外壁上，在內(nèi)環(huán)板和外環(huán)板之間設(shè)置密封條，保證混凝土不進(jìn)入內(nèi)、外護(hù)筒之間的空隙，并能保證在試驗加載時內(nèi)、外護(hù)筒可順利分離[10]。

圖3 消阻護(hù)筒主視結(jié)構(gòu)示意

圖4 消阻護(hù)筒部分放大示意

3.2 結(jié)合消阻雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)的試驗樁制作方法

試驗樁最短的護(hù)筒長約19 m，最長的護(hù)筒長約26 m。內(nèi)外護(hù)筒的地面套裝存在較大的安全隱患且難以實現(xiàn)。經(jīng)反復(fù)研究，確定了內(nèi)外護(hù)筒地下套裝、地面安裝止水裝置的試驗樁制作方法[11]。其具體步驟為：①分別加工內(nèi)護(hù)筒和外護(hù)筒，內(nèi)護(hù)筒上安裝限位消阻輪，外護(hù)筒底部焊接內(nèi)環(huán)板；②自地面第一次鉆孔，鉆至設(shè)計樁頂高程，鉆孔孔徑比外護(hù)筒外徑略大；③將外護(hù)筒吊放至孔底；④自樁頂高程第二次鉆孔，孔深不小于500 mm，孔徑比內(nèi)護(hù)筒外徑略大；⑤將內(nèi)護(hù)筒吊入第二次鉆孔孔底，外護(hù)筒的上端口和內(nèi)護(hù)筒之間通過固定件連接固定；⑥將內(nèi)外護(hù)筒整體吊出孔外，焊接內(nèi)護(hù)筒外環(huán)板，安裝止水條和泡沫板；⑦內(nèi)外護(hù)筒整體吊入孔內(nèi)，繼續(xù)鉆孔(第三次鉆孔)，孔深至設(shè)計樁底高程，孔徑為設(shè)計樁徑，放入鋼筋籠，澆筑水下混凝土，成樁養(yǎng)護(hù)；⑧解除外護(hù)筒的上端口和內(nèi)護(hù)筒之間的固定件，試驗加載，內(nèi)外護(hù)筒自動分離，限位消阻輪摩擦力可以忽略，設(shè)計樁頂高程以上土體消除，如圖5所示。需要說明，鉆孔過程一般均需泥漿護(hù)壁保證孔壁穩(wěn)定。

圖5 試驗加載摩阻消除

4 單樁承載力試驗

4.1 加載和卸載觀測方法

靜載試驗加卸載依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2014)對于豎向抗壓載荷試驗的相關(guān)條文規(guī)定，同時考慮了本工程試樁的具體設(shè)計要求。

(1)試驗采用慢速維持荷載法，加載過程采用分級進(jìn)行，逐級等量加載；分級荷載預(yù)設(shè)為預(yù)估極限承載力的1/10，其中第一級取分級荷載的2倍，加載直至符合終止條件。卸載分級進(jìn)行，每級卸載量取加載時分級荷載的2倍，逐級等量卸載。加、卸載時應(yīng)保證荷載傳遞均勻、連續(xù)、無沖擊，每級荷載在維持過程中的變化幅度不超過該級增減量的±10%。

試驗慢速維持荷載法試驗步驟按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行。

(2)終止條件

當(dāng)試樁出現(xiàn)下列情況之一時，可終止加載。

①某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍(注：當(dāng)樁頂沉降能穩(wěn)定且總沉降量小于40 mm時，宜加載至樁頂總沉降量超過40 mm)。

②某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

③已達(dá)反力裝置(錨樁)極限。

④當(dāng)荷載-沉降曲線呈緩變型時，可加載至樁頂總沉降量達(dá)到60～80 mm；在特殊情況下，可根據(jù)具體要求加載至樁頂累計沉降量超過80 mm。

(3)單樁豎向極限承載力的確定

單樁豎向極限承載力按《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2014)確定。本試樁設(shè)計要求承載力特征值時沉降≤20 mm，按照2倍特征值評價極限承載力對應(yīng)的沉降，則應(yīng)滿足≤40 mm，故對于緩變型Q-S曲線極限承載力的取值按不超過40 mm控制。當(dāng)按上述判定樁的豎向抗壓承載力未達(dá)到極限時，樁的豎向抗壓極限承載力應(yīng)取最大試驗荷載值。

單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值的確定及單樁豎向抗壓承載力特征值按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2014)確定。

4.2 試驗數(shù)據(jù)

(1)試樁1

試樁1所包含的3根試樁的試驗過程概況見表1。

表1 試樁1試驗過程概況

試樁1-1樁長26 m，單樁靜載試驗匯總?cè)绫?所示，試樁1-1的Q-S曲線、S-lgt曲線及S-lgQ曲線見圖6～圖8。試樁1-2、1-3的靜載試驗匯總及試驗曲線略。

表2 試樁1-1單樁豎向靜載試驗匯總

圖6 試樁1-1的Q-S曲線

圖7 試樁1-1的S-lgt曲線

圖8 試樁1-1的S-lgQ曲線

(2)試樁2

試樁2所包含的3根試樁的試驗過程概況見表3。試樁2-1、試樁2-2、試樁2-3的靜載試驗匯總及試驗曲線略。

表3 試樁2試驗過程概況

4.3 承載力分析

試樁1、試樁2兩組試樁獲得的Q-S曲線均呈緩變狀態(tài)，故按相對沉降確定單樁極限承載力。設(shè)計要求加載至承載力特征值時沉降量≤20 mm；根據(jù)承載力特征值與極限值的量值關(guān)系，加載至單樁承載力極限值(2倍特征值)時，其沉降量也按2倍設(shè)計沉降量控制，故可按40 mm沉降量取定單樁豎向抗壓承載力極限值。

據(jù)此取定試樁1，3根試樁極限承載力分別為：試樁1-1，23 629 kN；試樁1-2，23 629 kN；試樁1-3，23 629 kN。3根樁豎向抗壓極限承載力平均值為23 629 kN，極差與均值的比值為0%，滿足檢測規(guī)范規(guī)定[12-14]，故本組試樁單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值可取為23 629 kN，相應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力特征值取極限值的一半，為11 815 kN。

取定試樁2，3根試樁極限承載力分別為：試樁2-1，32 448 kN；試樁2-2，35 398 kN；試樁2-3，35 398 kN。3根樁豎向抗壓極限承載力平均值為34 414 kN，極差與均值的比值為9%，滿足檢測規(guī)范規(guī)定，故本組試樁單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值可取為34 414 kN，相應(yīng)的單樁豎向抗壓承載力特征值取極限值的一半，為17 207 kN。

試樁1承載力特征值對應(yīng)的沉降值見表4。試樁2承載力特征值對應(yīng)的沉降值見表5。

表4 試樁1承載力特征值及對應(yīng)的沉降值

表5 試樁2承載力特征值及對應(yīng)的沉降值

4.4 雙護(hù)筒消阻功能判斷

雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)自身具備消阻功能和內(nèi)外護(hù)筒加載自動分離功能。只要保證試樁混凝土澆筑時，無水泥漿流入內(nèi)外護(hù)筒之間，就可保證消阻功能實現(xiàn)。即便是限位消阻輪與外護(hù)筒接觸，消阻輪與外護(hù)筒之間的摩擦力很小，可以忽略不計。為了檢驗消阻效果，現(xiàn)場采取以下措施：(1)在內(nèi)外護(hù)筒之間的空隙內(nèi)放入測繩和帶光源的高清攝像頭檢查內(nèi)外護(hù)筒之間的空隙內(nèi)有無水泥漿液流入；(2)加載時觀測外護(hù)筒頂部沉降和試樁頂部沉降，比較二者相對沉降值；(3)加載時將高清攝像頭放至外護(hù)筒底部，檢查內(nèi)外護(hù)筒的分離情況?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外護(hù)筒之間的空隙內(nèi)無水和水泥漿，止水條清晰可見；加載時外護(hù)筒頂部與試樁頂部的沉降差隨著荷載的增加不斷增大，外護(hù)筒頂部與周圍地表無相對沉降；通過高清攝像頭發(fā)現(xiàn)加載時內(nèi)外護(hù)筒底部的止水裝置逐漸分離。檢查結(jié)果表明：內(nèi)外護(hù)筒止水裝置止水效果可靠，加載時內(nèi)外護(hù)筒可自動分離，無效土層的摩阻力自動消除，試驗得到的數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確。

4.5 試驗結(jié)論

試樁1設(shè)計單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為23 629 kN，實測單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值為23 629 kN。按照設(shè)計允許沉降20 mm評定，承載力特征值取11 815 kN時，沉降量為4.83 mm，符合設(shè)計要求。

試樁2設(shè)計單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為29 498 kN，實測單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值為34 414 kN。按照設(shè)計允許沉降20 mm評定，承載力特征值取17 207 kN時，沉降量為3.52 mm，符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

試驗過程中，通過測繩測量、高清攝像頭探查、比較外護(hù)筒與試驗樁頂、周圍地表的沉降差，證明雙護(hù)筒具有良好的消阻功能、止水功能和加載自動分離功能。設(shè)計樁頂高程以上土層對樁的摩阻力完全消除，試驗數(shù)據(jù)真實、準(zhǔn)確地反映了試樁的承載力。

試驗表明：(1)試樁單樁承載力特征值和極限值以及相對應(yīng)的位移值均符合設(shè)計要求，達(dá)到了試驗的目的；(2)結(jié)合消阻雙護(hù)筒的試驗樁試驗方法可完全消除無效土層摩阻力影響，保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和成樁質(zhì)量；(3)結(jié)合雙護(hù)筒的試驗樁制作方法，可保證施工安全、施工可操作性和內(nèi)外護(hù)筒快速分離。(4)結(jié)合消阻雙護(hù)筒的試驗樁試驗方法，除了可準(zhǔn)確測得單樁承載力外，還可準(zhǔn)確測得樁身軸力分布、樁身摩阻分布、樁端阻力分布等，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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Experimental Study on Bearing Capacity Test of Single Pile in Subway Station Constructed by Covered Top-down Excavation

DU Jian-hua1, YU Quan-sheng2, SHEN Hong-yun3

(1. Shijiazhuang Institute of Railway Technology, Shijiazhuang 050041, China; 2. China Railway Tunnel Group, Beijing CTG Construction Co., Ltd., Beijing 100022, China; 3. Hebei Jiaotong Vocational and Technical College, Shijiazhuang 050035, China)

The designed pile top in the cover excavation subway station is usually lower than the natural ground. When the foundation pit excavation is restricted by conditions, the bearing capacity of the single pile must be tested on the natural ground. The invalid soil layer above the designed top may generate greater friction resistance to the test pile, which leads to inaccurate test data. This paper studies the problem of invalid soil friction in the test of bearing capacity of single pile, puts forward the method for making test pile combined with the double steel casing, and analyzes the bearing capacity of the single pile. The test results show that the bearing capacity of the single pile meets the design requirement and the double steel casing can better solve the problem of the pile side friction resistance of the invalid soil layer, which ensures the accuracy and reliability of the test data.

Ultimate bearing capacity of the single pile; Characteristic value of single pile bearing capacity; Test pile; Test of single pile bearing capacity; Side friction resistance of pile

1004-2954(2018)01-0113-06

2017-03-15；

2017-04-11

河北省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(16275429)；中鐵隧道集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新計劃(2013-16)

杜建華(1979—)，男，副教授，2005年畢業(yè)于華南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：sirtdjh@163.com。

TU473.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703150002