超長(zhǎng)沖孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)研究

唐 軍

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 泉州 350109)

1 概述

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，高層建筑及超高層建筑不斷涌現(xiàn)，具有較高承載力和良好的抗震性能的沖孔灌注樁得到了廣泛應(yīng)用。一般而言，單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)是確定沖孔灌注樁極限承載力的一種比較直觀、可靠的原位測(cè)試方法。由于超長(zhǎng)沖孔灌注樁具有設(shè)計(jì)極限承載力大、場(chǎng)地地基承載力較小、樁周土層地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，因此進(jìn)行試樁的時(shí)候容易出現(xiàn)：樁頭強(qiáng)度不夠、基準(zhǔn)樁上浮、地基不均勻沉降導(dǎo)致千斤頂頂死、地基反力不足導(dǎo)致壓重平臺(tái)倒塌等問(wèn)題。因此，試樁之前，如何有效的解決這些問(wèn)題顯得尤為重要。結(jié)合實(shí)際工程對(duì)豎向抗壓靜載試驗(yàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討并提出合理化建議。

2 工程及地質(zhì)概況

具體工程位于福建省泉州市豐澤區(qū)東海片區(qū)，建筑面積約為96 000 m2，擬建工程重要性等級(jí)為一級(jí)，建筑物安全等級(jí)為一級(jí)，地基的復(fù)雜程度為一級(jí)。樁基全部采用沖孔灌注樁，樁徑1 000 mm～1 400 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)27.8 m～65.8 m。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地土層自上而下分別為：雜填土，厚度1.5 m～2.4 m；含泥中細(xì)砂，厚度2.2 m～7.2 m；淤泥，厚度5.8 m～24.2 m；殘積砂質(zhì)粘性土，厚度8.4 m～12.5 m；孤石，最大揭露厚度3.8 m，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，厚度8.2 m～11.3 m；碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，厚度10.5 m～14.6 m；中風(fēng)化花崗巖最大揭露厚度9.5 m。本次試驗(yàn)的試驗(yàn)樁編號(hào)為97號(hào)，樁徑為1 200 mm，樁長(zhǎng)為51.2 m，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C35，設(shè)計(jì)樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，嵌巖深度為0.5 m，單樁豎向抗壓極限承載力為26 000 kN。該試樁的樁周土層分布圖根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告附近鉆孔柱狀圖畫(huà)出，見(jiàn)圖1。

3 超長(zhǎng)樁靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 場(chǎng)地地基處理

按照J(rèn)GJ 106—2014建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[1]的有關(guān)規(guī)定：壓重施加于地基的壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)地基承載力特征值的1.5倍。97號(hào)試樁的最大試驗(yàn)荷載為26 000 kN，反力裝置的總重量應(yīng)為26 000×1.2=31 200 kN，兩邊各布置3排規(guī)格均為0.8 m×0.8 m×1.6 m的混凝土預(yù)制塊作為支座，長(zhǎng)度為12.8 m，寬度設(shè)置為4.8 m，天然地基的地基土承載力特征值為85 kPa。

支座底下壓應(yīng)力為：31 200/(4.8×12.8×2)=253 kPa>1.5×80=120 kPa，顯然不滿足要求，必須對(duì)地基加固。天然地基土為雜填土，地基承載力特征值為80 kPa，無(wú)法滿足要求，需對(duì)地基土進(jìn)行換填處理，因此，壓重平臺(tái)范圍內(nèi)全部換填承載力較高的碎石土，換填的碎石墊層厚度為3.0 m。

換填完成后，對(duì)碎石土進(jìn)行碾壓夯實(shí)，并采用重型動(dòng)力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法檢驗(yàn)換填地基土的處理效果，碎石土的地基承載力特征值推定按照J(rèn)GJ 340—2015建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[2]進(jìn)行。

3.2 反力裝置設(shè)計(jì)

由于試樁的極限承載力較大，且分布有較厚的淤泥層，淤泥層厚度16.5 m，后期沉降較大，不宜采用壓重平臺(tái)反力裝置，故采用錨樁壓重平臺(tái)反力裝置。采用4根工程樁作為錨樁，樁長(zhǎng)、樁周土層分布與試驗(yàn)樁接近。按照J(rèn)GJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[3]的規(guī)定對(duì)錨樁的抗拔承載力進(jìn)行計(jì)算。群樁呈非整體破壞時(shí)，基樁的抗拔極限承載力計(jì)算公式為：

Tuk=∑λiqsikuili

(1)

其中，Tuk為基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；λi為抗拔系數(shù)，砂土取值為0.50～0.70，粘性土、粉土取值為0.70～0.80；樁長(zhǎng)與樁徑比值小于20時(shí)，取小值；qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，按規(guī)范JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范表5.3-5-1取值；ui為基樁的周長(zhǎng)；li為樁周第i層土的厚度。

通過(guò)式(1)計(jì)算得到4根錨樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為8 522 kN，滿足要求?？紤]到一定的安全儲(chǔ)備，壓重平臺(tái)的重量為10 000 kN。支座底下壓應(yīng)力為：10 000/(4.8×12.8×2)=81 kPa<1.5×80=120 kPa，滿足要求。

3.3 基準(zhǔn)梁安裝

要保證位移傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，基準(zhǔn)梁的安裝是否規(guī)范至關(guān)重要。一般要求基準(zhǔn)樁應(yīng)打入土中不小于1 m，并且保證基準(zhǔn)樁垂直、穩(wěn)定、牢固?；鶞?zhǔn)樁中心與試樁中心、基準(zhǔn)樁中心與錨樁中心的距離不小于4D(3D)且大于2.0 m(括號(hào)內(nèi)數(shù)值為地基有經(jīng)過(guò)加固的情況)?；鶞?zhǔn)梁應(yīng)有足夠的剛度，梁的一端固定在基準(zhǔn)樁上，另一端簡(jiǎn)支于基準(zhǔn)樁上。試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)避免振動(dòng)、沖擊、惡劣天氣對(duì)固定位移傳感器的夾具及基準(zhǔn)梁的影響，另外試驗(yàn)全程應(yīng)采用精密水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)樁的豎向位移。

另外，需考慮氣溫變化對(duì)基準(zhǔn)梁的影響。該試樁的基準(zhǔn)梁長(zhǎng)度為12 m，試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，最高溫度25 ℃，最低溫度18 ℃，一般碳素鋼的熱膨脹系數(shù)為10～13(×0.000 001/℃)[4]。計(jì)算得到鋼材熱脹冷縮量為：

Δx=12×103mm×(25～18)℃×

(10～13)×0.000 001/℃=(0.84～1.09)mm。

溫度變化引起的測(cè)量數(shù)值與實(shí)際數(shù)值的誤差在0.84 mm～1.09 mm之間。

3.4 混凝土樁樁頭處理

豎向抗壓靜載試驗(yàn)一般采用慢速維持荷載法，總試驗(yàn)時(shí)間不小于25 h，加載過(guò)程相當(dāng)于對(duì)樁頭持續(xù)作用一個(gè)豎向集中荷載，產(chǎn)生“應(yīng)力集中”的現(xiàn)象[5]，容易出現(xiàn)樁頭破裂、千斤頂受力不均勻等問(wèn)題。因此，有必要制作一個(gè)高強(qiáng)度的樁帽保護(hù)樁頭，樁帽的制作可按照J(rèn)GJ 106—2014建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

該試樁的樁帽混凝土強(qiáng)度比樁身混凝土提高3級(jí)，為C45。處理前，鑿掉樁頂破碎帶及松散的混凝土，并保證各主筋的高度相同，各主筋位于樁頂混凝土保護(hù)層之下。距樁頂1.5 m范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置箍筋，箍筋間距為100 mm，樁頂應(yīng)設(shè)置鋼筋網(wǎng)片3層，間距80 mm。灌注混凝土后，樁頂用水平找平。97號(hào)樁的樁帽如圖2～圖4所示。

4 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

樁帽制作完成后，澆筑的混凝土齡期需滿足規(guī)范要求的28 d或預(yù)留同條件試塊抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。按照J(rèn)GJ 106—2014建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定對(duì)97號(hào)樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，加荷方式采用慢速維持荷載法。最大試驗(yàn)荷載為26 000 kN，分10級(jí)加載，其中第1級(jí)為分級(jí)荷載的2倍(5 200 kN)，其余每級(jí)荷載增量均為2 600 kN。97號(hào)樁的抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 97號(hào)樁的抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)樁的混凝土為C35，C35混凝土彈性模量[6]為3.15×104MPa，樁徑D=1 200 mm≥800 mm，樁長(zhǎng)L=51.2 m>40.0 m，應(yīng)考慮樁身彈性壓縮變形量，樁身彈性壓縮量應(yīng)根據(jù)JGJ 106—2014建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范第4.4.2條條文說(shuō)明提供的公式進(jìn)行計(jì)算。

總沉降s=s1+s2=18.69+60=78.69 mm>65.53 mm。

97號(hào)試樁試驗(yàn)進(jìn)展順利，在最大荷載作用下樁頂總沉降為65.53 mm(小于考慮的樁身彈性壓縮量加0.05D=60 mm的總沉降78.69 mm)，試樁未達(dá)到極限承載狀態(tài)，按規(guī)范取最大試驗(yàn)荷載值26 000 kN為該試樁的單樁豎向抗壓極限承載力。該樁的靜載試驗(yàn)Q—s曲線、s—lgt曲線見(jiàn)圖5，圖6。

5 結(jié)語(yǔ)

1)影響沿海軟土地區(qū)超長(zhǎng)灌注樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的因素有：軟土地基處理、樁頭處理、基準(zhǔn)梁安裝等。必須對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行換填處理，避免試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)地基的不均勻沉降導(dǎo)致千斤頂頂死；基準(zhǔn)梁安裝應(yīng)牢固可靠并考慮溫度變化的影響，防止試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)基準(zhǔn)樁上浮，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

2)大直徑灌注樁試樁過(guò)程中，樁頂需要長(zhǎng)時(shí)間施加一個(gè)豎向集中作用力，將產(chǎn)生“應(yīng)力集中”現(xiàn)象，容易導(dǎo)致樁頭出現(xiàn)裂縫、樁頭破碎等問(wèn)題。因此，需要對(duì)樁頭進(jìn)行加固處理，提高樁頭強(qiáng)度。

3)對(duì)于樁長(zhǎng)超過(guò)40 m大直徑超長(zhǎng)沖孔灌注樁靜載試驗(yàn)，應(yīng)加載至樁頂總沉降量60 mm～80 mm，靜載試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)考慮樁身彈性壓縮變形量，可采用忽略端承力按倒三角形的經(jīng)驗(yàn)公式估算。