某超限高層試樁設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵問(wèn)題分析

王紅軍， 李 治， 何 凡, 陶志雄

(1 中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 武漢 430014；2 武漢科誠(chéng)基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司， 武漢 430012)

1 工程概況

該項(xiàng)目位于湖北省武漢市東西湖區(qū)，由一棟超高層塔樓和一棟6層裙樓組成，塔樓由辦公與酒店構(gòu)成，地上建筑面積約9.1萬(wàn)m2，地上46層，標(biāo)準(zhǔn)層層高酒店樓層4.0m，辦公樓層4.5m；地下3層，層高由下往上分別為3.65，5.00，5.90m；建筑物總高度199.70m，為B級(jí)高度高層建筑，圖1為該建筑的建筑效果圖和結(jié)構(gòu)模型。塔樓結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒，裙房為框架結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載大小和地勘報(bào)告揭示的地質(zhì)情況特征，塔樓基礎(chǔ)形式擬采用樁筏基礎(chǔ)，樁型采用直徑1 000mm的鉆孔灌注樁，并采用樁端復(fù)式后壓漿工藝。工程樁樁頂相對(duì)標(biāo)高為-16.900m，工程樁單樁豎向抗壓承載力特征值為9 000kN，試樁樁頂?shù)臉?biāo)高為自然地面，單樁豎向抗壓承載力特征值為10 500kN。

圖1 塔樓的建筑效果圖和模型圖

2 地質(zhì)情況特征

根據(jù)項(xiàng)目地勘報(bào)告揭示，項(xiàng)目工程重要性等級(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)，地基復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)，工程勘察等級(jí)綜合定為甲級(jí)。擬建場(chǎng)地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂、巖溶等影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)現(xiàn)象，擬建場(chǎng)區(qū)基本穩(wěn)定，場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟場(chǎng)地土，屬可進(jìn)行建設(shè)的一般場(chǎng)地，可不考慮地震液化問(wèn)題。場(chǎng)地地下水類(lèi)型可分為四種類(lèi)型：上層滯水、層間水、承壓水和基巖裂隙水，地下水和場(chǎng)地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具微腐蝕性。場(chǎng)地土層地質(zhì)情況見(jiàn)表1，鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

場(chǎng)地土層地質(zhì)情況 表1

3 試樁設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[1]和建筑裝修面層做法確定樓面荷載以及風(fēng)荷載，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2]和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]確定抗震設(shè)防烈度和抗震等級(jí)，按照初步補(bǔ)樁計(jì)算出樁底反力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定單樁承載力特征值，然后根據(jù)地勘報(bào)告提供的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[4]第5.3.6條進(jìn)行單樁豎向抗壓承載力計(jì)算，確定樁長(zhǎng)，塔樓第一批承壓試樁平面布置如圖2所示。3根試樁從自然地面起算，樁長(zhǎng)約58m，持力層為⑦-1b層強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，樁端進(jìn)入持力層深度不小于9.0m，單樁豎向抗壓承載力特征值為10 500kN，極限值為21 000kN，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)值為C50，根據(jù)湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(DB 42/242—2014)[5]，考慮地下水對(duì)樁身混凝土強(qiáng)度的削弱作用，澆筑樁身的混凝土需提高兩個(gè)等級(jí)，即為C60。樁身主筋為1818。試樁施工機(jī)械為GPS-15反循環(huán)鉆機(jī)和CZ-50沖擊成孔鉆機(jī)，施工方法為采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔和無(wú)循環(huán)沖擊成孔，成孔后采用普通反循環(huán)方式清孔。

4 試樁檢測(cè)方法

試樁檢測(cè)方法主要參考文獻(xiàn)[6-7]中所述比較直接的堆載法，汲取其中試驗(yàn)加載的要點(diǎn)，設(shè)計(jì)堆載方案。堆載方案為由主梁、次梁和工字鋼等組成堆載平臺(tái)，上面均勻堆放混凝土預(yù)制塊，構(gòu)成加載反力系統(tǒng)。反力裝載的承載力不宜小于預(yù)計(jì)最大加載量的1.2倍。加載采用電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)7臺(tái)或4臺(tái)同型號(hào)5 000kN油壓千斤頂。壓力值由經(jīng)過(guò)標(biāo)定的壓力傳感器給出，再由千斤頂?shù)臉?biāo)定曲線換算成荷載值，壓力傳感器精度優(yōu)于或等于0.4級(jí)。試驗(yàn)用壓力傳感器、電動(dòng)油泵、高壓油管的最大加載壓力不應(yīng)超過(guò)規(guī)定工作壓力的80%。

鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)參數(shù) 表2

圖2 塔樓第一批承壓試樁平面布置圖

試樁的沉降變形通過(guò)對(duì)稱(chēng)布置于樁頭的四塊位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，其分辨力優(yōu)于或等于0.01mm。所有位移傳感器均用磁性表座固定于基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁具有一定剛度。為保證基準(zhǔn)梁及基準(zhǔn)樁的穩(wěn)定性，試樁、壓重平臺(tái)支座和基準(zhǔn)樁之間的中心距離應(yīng)符合《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)[8]的要求。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載方式采用慢速維持荷載法，采用油泵逐級(jí)加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后再加下一級(jí)荷載，直到達(dá)到最大試驗(yàn)荷載或破壞。

5 試樁檢測(cè)結(jié)果

試樁施工完成一個(gè)月后進(jìn)行第一批試樁靜載檢測(cè)試驗(yàn)，3根試樁檢測(cè)結(jié)果如表3所示。試樁承載力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)[8]要求，當(dāng)某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下的沉降量的5倍，且樁頂總沉降量超過(guò)40mm，取其上一級(jí)作為該試樁的承載力極限值，或當(dāng)荷載-沉降曲線呈緩變型時(shí)，可取樁頂沉降量超過(guò)80mm時(shí)的上一級(jí)荷載作為該試樁的極限承載力，承壓試樁1和承壓試樁2均因總沉降超80mm終止加載試驗(yàn)，其位移-荷載曲線如圖3所示。

第一批試樁靜載檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果 表3

圖3 承壓試樁1和承壓試樁2的位移-荷載曲線

由圖3可知，承壓試樁1和承壓試樁2極限承載力取值均取沉降超40mm且沉降量超過(guò)上一級(jí)的5倍的加載值上一級(jí)荷載，具體數(shù)據(jù)如表3所示，均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，3號(hào)試樁未進(jìn)行檢測(cè)。由于超限高層塔樓采用樁筏基礎(chǔ)，樁間距較密，不適宜根據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取降低樁承載力特征值、增加樁數(shù)的方法，考慮到有可能是地質(zhì)情況原因，采取增加樁長(zhǎng)以提高樁承載力的方法，使試樁承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因?yàn)楣て诘脑?，甲方希望塔樓試樁下一次需達(dá)標(biāo)，因此每根試樁增加10m，重新布置3根試樁，每根試樁樁長(zhǎng)約68m，其余參數(shù)不變，試樁平面布置如圖4所示。

第二批3根試樁施工完成一個(gè)月后進(jìn)行試樁靜載檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。當(dāng)樁頂總沉降超過(guò)80mm，終止加載試驗(yàn)。承壓試樁6因?yàn)槌两党瑯?biāo)終止試驗(yàn)，承壓試樁4加載至4 100kN，樁頭碎裂，沉降超標(biāo)終止靜載試驗(yàn)。

圖4 塔樓第二批承壓試樁平面布置圖

由圖5承壓試樁4和承壓試樁6的位移-荷載曲線可知，承壓試樁6極限承載力取值取沉降超40mm且沉降量超過(guò)上一級(jí)的5倍的加載值上一級(jí)荷載，具體數(shù)據(jù)如表4所示，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，承壓試樁4號(hào)樁頭破壞了，第二級(jí)沉降超標(biāo)，承壓試樁5號(hào)未檢測(cè)，主要原因是該批試樁已有兩根不滿足，最后一根試樁是否成功，都需要增加試樁，從節(jié)約工期角度，增加試樁長(zhǎng)度重新做三根，確保下一批成功，該試樁重新檢測(cè)還需要增加費(fèi)用。由表4可知，該組試樁承載力特征值未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)比第一批和第二批試樁靜載數(shù)據(jù)，雖然樁長(zhǎng)增加了10m，但試樁靜載承載力未得到提高，需對(duì)試樁施工工藝進(jìn)行分析，再重新設(shè)計(jì)試樁。

第二批試樁靜載檢測(cè)結(jié)果 表4

圖5 承壓試樁4和承壓試樁6的位移-荷載曲線

6 試樁關(guān)鍵問(wèn)題分析

對(duì)于兩批試樁靜載檢測(cè)結(jié)果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)其進(jìn)行分析，并找出原因和解決方案，針對(duì)靜載檢測(cè)結(jié)果需補(bǔ)充相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，具體如下：1)對(duì)試樁樁頭和樁身進(jìn)行抽芯檢測(cè)，檢測(cè)混凝土強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)檢測(cè)樁底沉渣厚度；2)從自然地面往下挖2m左右，檢查灌注樁直徑是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；3)在承壓試樁6附近進(jìn)行補(bǔ)孔勘測(cè)，檢查是否存在地質(zhì)情況異常，與地勘報(bào)告不一致的情況。

通過(guò)上述對(duì)試樁補(bǔ)充檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6根試樁樁身混凝土強(qiáng)度抽芯檢測(cè)結(jié)果評(píng)判為C40，第一批試樁澆筑混凝土距抽芯檢測(cè)時(shí)間已將近3個(gè)月，同時(shí)樁底沉渣厚度有3根超過(guò)100mm，超過(guò)規(guī)范限值50mm；從自然地面往下挖2m檢測(cè)樁直徑，基本都滿足設(shè)計(jì)要求，但承壓試樁4和承壓試樁6的樁身存在夾渣，破除夾渣部分后，樁身鋼筋均外露，成樁質(zhì)量較差；承壓試樁6附近的補(bǔ)孔勘測(cè)結(jié)果和地勘報(bào)告基本吻合，可以排除地質(zhì)異常原因。

從補(bǔ)充檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，造成試樁檢測(cè)單樁豎向抗壓承載力特征值達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，主要表現(xiàn)為樁身混凝土強(qiáng)度和樁底沉渣達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，樁身質(zhì)量有瑕疵。為了保證下一批試樁單樁豎向抗壓承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并參考文獻(xiàn)[9-10]中如何能快速提高超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁承載力的影響因素，從試樁設(shè)計(jì)方面，塔樓樁主要為摩擦樁，為了盡快提高樁身側(cè)阻力，在第二批試樁的設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上增加樁側(cè)注漿工藝，并加大樁端注漿量；從施工角度，嚴(yán)格把控混凝土強(qiáng)度，同時(shí)改變施工工藝，采取文獻(xiàn)[11]中提出的提高泥漿護(hù)壁質(zhì)量的方法，可以有效控制樁端沉渣厚度。塔樓第三批承壓試樁平面布置如圖6所示。試樁施工換了施工隊(duì)伍，更換施工機(jī)器和工法，施工機(jī)械采用SR360大型旋挖鉆機(jī)，施工方法采用無(wú)循環(huán)旋挖成孔，氣舉反循環(huán)工藝清孔。

圖6 塔樓第三批承壓試樁平面布置圖

圖7 承壓試樁靜載檢測(cè)位移-荷載曲線

塔樓第三批承壓試樁靜載檢測(cè)結(jié)果如表5所示，位移-荷載曲線如圖7所示。從表5和圖7可以看出，在承載力極限值21 000kN作用下，三根試樁的位移分別為23.85，29.75，14.21mm，滿足規(guī)范要求。對(duì)第三批試樁進(jìn)行抽芯檢測(cè)，樁身混凝土強(qiáng)度分別評(píng)定為C56，C58，C55，滿足設(shè)計(jì)要求的C50。抽芯檢測(cè)顯示樁底沉渣厚度分別為22，15，26mm，均小于50mm。

由上述檢測(cè)內(nèi)容可知，第三批承壓試樁樁底沉渣厚度、靜載承載力、樁豎向位移、樁身完整性和混凝土強(qiáng)度均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，該批試樁合格，樁設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝可以供工程樁施工參考。

試樁靜載檢測(cè)結(jié)果 表5

7 結(jié)論

超限高層由于樓層高，單位面積荷載大，進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，其承載力特征值要求較高，試樁設(shè)計(jì)和施工比較重要，試樁是否能成功，對(duì)后面工程樁施工工期影響較大，為了提高試樁施工和檢測(cè)的成功率，同時(shí)為了節(jié)約工期和試樁成本，進(jìn)行了試樁試驗(yàn)，結(jié)論如下：

(1)由于單樁豎向抗壓承載力特征值較高，對(duì)樁身混凝土強(qiáng)度要求高，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)嚴(yán)格把控混凝土強(qiáng)度，保證強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)值，保證樁頭及其上半部分不容易提前壓碎，這也是試樁靜載是否成功的關(guān)鍵。

(2)超限高層的工程樁一般較長(zhǎng)，應(yīng)采用合理的施工機(jī)械和施工工藝，嚴(yán)格控制沉樁質(zhì)量和樁底沉渣厚度。

(3)從試樁和工程樁設(shè)計(jì)角度分析，超限高層的樁一般以摩擦樁為主，因此可以通過(guò)提高樁側(cè)阻力以大幅度提高單樁豎向抗壓承載力，故采用樁側(cè)后注漿工藝可以有效減小樁長(zhǎng)。樁長(zhǎng)小時(shí)對(duì)施工機(jī)械和成樁工藝要求也不太高，另樁端后注漿工藝能有效控制樁底沉渣厚度，因此建議試樁和工程樁設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)采用樁側(cè)和樁端后注漿工藝。