福州軟土地區(qū)灌注樁的大噸位靜載試驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)分析與研究

黃 健

(福州市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家越來(lái)越重視基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，項(xiàng)目規(guī)模也在不斷增加，對(duì)基樁承受的豎向荷載要求將會(huì)不斷提高。因此，未來(lái)針對(duì)大噸位靜載試驗(yàn)，也將會(huì)有更加嚴(yán)格的要求。大噸位靜載試驗(yàn)堆載平臺(tái)加固，常用的做法，是對(duì)表層土進(jìn)行換填壓實(shí)處理，這種情況很容易會(huì)出現(xiàn)主梁沉降過(guò)大，導(dǎo)致未試驗(yàn)先預(yù)壓，試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。且如果兩邊支墩沉降不均，會(huì)造成反力平臺(tái)傾斜，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，甚至有傾覆的危險(xiǎn)。因此，軟土地區(qū)大噸位靜載試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，是防傾覆和預(yù)防預(yù)壓。本文針對(duì)福州某工地幾種地基加固處理進(jìn)行分析，從而探尋一種更為經(jīng)濟(jì)安全的方式，保證堆載平臺(tái)的穩(wěn)定。并通過(guò)分析軟土地區(qū)靜載試驗(yàn)，研究軟土地區(qū)卵石層能否作為高層建筑的樁基礎(chǔ)持力層。

1 工程概況和地質(zhì)條件

該項(xiàng)目位于福州市，總用地面積40 154.8 m2，擬建8幢45～55層住宅樓 (1#-9#樓)。這8幢均為超限高層建筑，建筑物高度140 m～175.30 m。該建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)，對(duì)不均勻沉降十分敏感，主樓之間是兩層地下室框架結(jié)構(gòu)。擬建物主要采用的是樁基礎(chǔ)，其中樁身強(qiáng)度采用的是C40砼，長(zhǎng)度為48 m，樁端持力層選取的是卵石層，主要采用樁底和樁側(cè)后注漿工藝。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，單樁的豎向抗壓承載力特征值為11 000 kN，為評(píng)價(jià)大直徑灌注樁的實(shí)際承載力，因此在其中隨機(jī)挑選3根，進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)。

根據(jù)地勘報(bào)告，靜載試驗(yàn)樁所在位置各土層主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，靜載試樁的施工記錄情況如表2所示，樁周土層的柱狀圖如圖1所示。

表1 場(chǎng)地各巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

表2 3根試樁基本資料

圖1 試樁地質(zhì)柱狀圖

2 試樁靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)有壓重平臺(tái)地基土承載力問(wèn)題

該工程單樁豎向抗壓極限荷載是22 000 kN，加載反力裝置需提供不小于26 400 kN的反力，平臺(tái)支座上次梁的重量為600 kN，底座水泥塊的重量為48個(gè)×24.5 kN/個(gè)=1176 kN；支承平臺(tái)的水泥塊尺寸為1.6 m×0.8 m×0.8m，共8排，每排6個(gè)，共計(jì)48個(gè)，平臺(tái)的面積為48個(gè)×1.6m×1.6m=122.88 m2；堆重平臺(tái)表層雜填土承受的壓應(yīng)力為：

f=(26 400 kN+600 kN+1176 kN)/122.88 m2=229 kPa

結(jié)合《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[2]，加載反力裝置所提供的反力不得小于靜載試驗(yàn)最大加載值的1.2倍，并且壓重施加于地基的壓應(yīng)力不宜大于地基承載力特征值的1.5倍。根據(jù)勘察報(bào)告，支座底部表層土為雜填土，雜填土的地基承載力特征值fak為80 kPa,f>1.5fak，故現(xiàn)有場(chǎng)地不滿(mǎn)足要求，需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

本場(chǎng)地表層雜填土下面一層為淤泥，該層具有強(qiáng)度低、壓縮性高和透水性很小的特點(diǎn)。雖然下臥層承受的荷載雖然很小，但因?yàn)槭擒浫跸屡P層，因此除了驗(yàn)算表層土的地基承載力外，還需驗(yàn)算軟弱下臥層的地基承載力。地表約3 m以下為軟弱土，按擴(kuò)散角θ=30°進(jìn)行驗(yàn)算，軟弱土需承受187 kPa的壓力，軟弱土強(qiáng)度也無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此，必須對(duì)表層地基土采取加固手段，增加其承載力。

2.2 壓重平臺(tái)地基土加固方案選擇

傳統(tǒng)的淺地基加固方法有墊層法、置換法和擠土法。考慮到壓重平臺(tái)地基土加固處理屬于臨時(shí)性處理，且為保證安全壓重平臺(tái)應(yīng)盡量越低越好，故墊層法和排擠法不適宜用于壓重平臺(tái)地基土加固處理。換填法處理一般的處理步驟有，在試樁周?chē)?4 m的范圍內(nèi)，挖除表層雜填土，回填以磚渣土或者建筑垃圾，回填厚度為2.5 m。并采用20 t壓路機(jī)加以分層碾壓，分三層機(jī)械碾壓。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)[3],碎石、礦渣達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)后的地基承載力可達(dá)200～300 kPa。本項(xiàng)目取低值200 kPa，亦滿(mǎn)足要求。通過(guò)估算，換填方量為14 m×14 m×2.5 m=490 m3，按照目前市場(chǎng)行情，換填磚渣機(jī)械費(fèi)和材料費(fèi)為60元/m3，每根靜載試驗(yàn)樁的場(chǎng)地處理費(fèi)約為30 000元。該項(xiàng)目位于市區(qū)，磚渣材料供應(yīng)極為困難，換填處理耗時(shí)耗力，且無(wú)法做到重復(fù)利用。因此，從經(jīng)濟(jì)性和效益性方面考慮極不劃算，需要另外找到一種能夠加強(qiáng)地基承載力的方法。

根據(jù)分析研究樁位平面圖，與靜載試驗(yàn)樁同一軸線上存在著等間距的兩根工程樁，樁間距為3 m?？梢允褂迷嚇多徑墓こ虡叮瑢⑵浒仓迷陂L(zhǎng)度為12m的大主梁底下，以便一起承擔(dān)起平臺(tái)的荷載。當(dāng)荷載較小時(shí)，兩側(cè)承臺(tái)的地基土可以承擔(dān)所有的重量，一旦荷載增大，重量則可以轉(zhuǎn)移到主梁，主梁下的支撐樁起到承擔(dān)的作用，堆載工作結(jié)束時(shí)，支撐樁可以完全承擔(dān)平臺(tái)的荷載。具體位置示意圖如圖2所示。

圖2 具體位置示意圖

2.3 試驗(yàn)樁及支撐樁施工要求

支撐樁及試驗(yàn)樁都應(yīng)灌注到地面，試驗(yàn)樁樁頂標(biāo)高與施工現(xiàn)場(chǎng)地面標(biāo)高距離1.5 m,試驗(yàn)樁頂和設(shè)計(jì)樁頂兩處需設(shè)計(jì)箍筋加密區(qū)，其他配筋同原工程樁。支撐樁與試驗(yàn)樁應(yīng)在一條軸線上，為等間距，且樁間距一般不得超過(guò)4.0 m。施工時(shí)樁位放樣應(yīng)減少誤差，樁位偏差嚴(yán)格控制在50 mm,施工中的泥漿池應(yīng)布置在離試驗(yàn)樁14 m之外。樁頭是靜載過(guò)程中樁身應(yīng)力最大的位置，需要對(duì)試樁及相鄰的兩個(gè)支撐樁樁頭進(jìn)行加固，防止試驗(yàn)過(guò)程中樁頭破壞。灌注樁應(yīng)先鑿掉樁頂部的破碎層和軟弱混凝土，主筋應(yīng)全部直通至樁頂混凝土保護(hù)層下，保持各主筋在同一高度上。靜載試驗(yàn)時(shí)樁頂離地面高差約1.7 m，在距樁頂1.5倍樁徑范圍內(nèi)設(shè)置箍筋，間距不宜大于100 mm，樁頂應(yīng)設(shè)置間距為100 mm的鋼筋網(wǎng)片3層[1]。在本方案中，樁頭的混凝土標(biāo)號(hào)為水下C50砼，并且還需要保證樁頭和樁身的中軸線完全重合，保證樁頂完全平整，以確保堆載的重量能夠平穩(wěn)地進(jìn)行傳遞。

2.4 壓重平臺(tái)堆載

為了滿(mǎn)足壓重平臺(tái)的承載要求，本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)力學(xué)方面的驗(yàn)算，采用主梁和次梁相結(jié)合的方式，用來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的承載力以及變形的剛度。其中主梁為大鋼梁，數(shù)量為4根，長(zhǎng)度為12 m，高度為1.5 m，次梁主要選的雙拼56b鋼梁，長(zhǎng)度為12 m，數(shù)量為30根。安裝時(shí)必須一層一層均勻進(jìn)行，還要保證平臺(tái)兩側(cè)的對(duì)稱(chēng)性，堆放的層數(shù)不能超過(guò)一層的差距。上下層的安裝，需要錯(cuò)位安裝，確保能夠使整個(gè)壓重平臺(tái)形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。安裝時(shí)，應(yīng)確保試樁的橫截面形心、千斤頂?shù)暮狭χ行募盎炷令A(yù)制塊壓重平臺(tái)的重心重合。本次靜載壓重平臺(tái)堆載過(guò)程符合試驗(yàn)前設(shè)計(jì)的目標(biāo)，支座沉降較小，堆載的配重能夠向支撐柱進(jìn)行平穩(wěn)傳遞，而不會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)傾斜等狀況。靜載設(shè)備堆載圖如圖3所示。

圖3 靜載設(shè)備堆載圖

2.5 靜載試驗(yàn)方法

在進(jìn)行靜載試驗(yàn)之前，首先需要檢測(cè)樁身的完整性，主要采取的方法為聲波透射法以及低應(yīng)變法。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3根試樁的樁身十分完整，并且全部屬于I類(lèi)樁。在該工程中，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)完全按照樁基的設(shè)計(jì)文件，并且完全符合《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)[2]。試驗(yàn)所用的設(shè)備主要是液壓千斤頂，具體的型號(hào)為630T，需要的數(shù)量為6臺(tái)。在試驗(yàn)過(guò)程中，6臺(tái)千斤頂并聯(lián)進(jìn)行工作；樁頂沉降采用大量程的位移傳感器量讀，在試樁的兩個(gè)方向?qū)ΨQ(chēng)安裝4個(gè)位移傳感器，位移傳感器的分度值/分辨力為0.015 mm，測(cè)量誤差小于0.1%FS。

靜載加載分級(jí)進(jìn)行，逐級(jí)等量加載；每級(jí)荷載是2200 kN(最大試驗(yàn)荷載22 000 kN的1/10)，第一級(jí)加載量取分級(jí)荷載的2倍(4400 kN)。加載到最大試驗(yàn)荷載且滿(mǎn)足穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后，分5級(jí)卸載，逐級(jí)等量卸載，每級(jí)卸載量取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍(4400 kN)。該工程靜載試驗(yàn)主要采用的慢速維持荷載法，每級(jí)荷載施加后分別按第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min記錄樁頂沉降量，以后每隔30 min記錄一次；每一小時(shí)內(nèi)的樁頂沉降量不超過(guò)0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次即表示基樁已經(jīng)符合穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，方可施加下一級(jí)荷載，直到達(dá)到22 000 kN的最大試驗(yàn)荷載。

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

靜載試驗(yàn)進(jìn)展順利，3根試樁實(shí)測(cè)的荷載-沉降(Q-s)曲線均呈緩變形，未出現(xiàn)在某一級(jí)荷載作用下樁頂陡降、樁頭破裂或其他異常情況。當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)荷載最大值也即22 000 kN的作用下，各試驗(yàn)樁全部達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)，樁頂?shù)某两盗咳吭?0 mm(0.05D)以?xún)?nèi)，說(shuō)明沉降范圍可控，并且沒(méi)有出現(xiàn)增加。試樁狀態(tài)未出現(xiàn)極限狀態(tài)。靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，3根試樁的荷載-沉降(Q-s)曲線如圖4所示。

表3 靜載試驗(yàn)成果表

(a)試樁S1

從圖4試樁的荷載-沉降(Q-s)曲線可以看出：

(1)試樁S1：加載至11 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量?jī)H為8.42 mm；加載至最大試驗(yàn)荷載22 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為24.95 mm；卸載至零后測(cè)得回彈量為16.93 mm，樁頂殘余沉降量為8.02 mm。

(2)試樁S2：加載至11 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量?jī)H為10.86 mm；加載至最大試驗(yàn)荷載22 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為29.28 mm；卸載至零后測(cè)得回彈量為15.16 mm，樁頂殘余沉降量為14.12 mm。

(3)試樁S3：加載至11 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量?jī)H為11.20 mm；加載至最大試驗(yàn)荷載22 000 kN時(shí)，樁頂累計(jì)沉降量為26.52 mm；卸載至零后測(cè)得回彈量為17.66 mm，樁頂殘余沉降量為8.86mm。

根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果和荷載-沉降(Q-s)曲線，這3根試樁在最大試驗(yàn)極限荷載22 000 kN作用下，樁頂累計(jì)沉降量平均值為26.92 mm，極差4.33是平均值的16.1%。3根試樁在各級(jí)豎向荷載作用下的樁頂沉降較為接近，沉降量的離散性不大，未出現(xiàn)因樁端沉渣較厚，導(dǎo)致沉降明顯增大的現(xiàn)象。

由于本項(xiàng)目對(duì)樁基的承載力和沉降要求高，沖(鉆)孔灌注樁施工時(shí)穿透深厚的卵石層難度大，施工工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，因此設(shè)計(jì)文件沒(méi)有采用中-微風(fēng)化花崗巖作為樁端持力層，而是采用上部的卵石層作為樁端持力層，并采用樁底和樁側(cè)后注漿工藝。通過(guò)后壓漿固化樁底沉渣及加固樁底及樁側(cè)的土體，注漿導(dǎo)管采用φ25×3.2(內(nèi)徑25 mm)，樁端和樁側(cè)注漿管數(shù)量各為3根，樁端注漿管沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，樁側(cè)注漿管沿鋼筋籠外側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，后壓水泥漿水灰比宜控制在0.5～0.6左右，注漿速度為50L/每分鐘，壓力值3～10 MPa。注意先進(jìn)行樁側(cè)注漿施工，后進(jìn)行樁底注漿。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明：采用卵石層作為樁端持力層，結(jié)合樁端和樁側(cè)后注漿技術(shù)可以達(dá)到較大的單樁的極限承載力，且離散性不大。

4 結(jié)語(yǔ)

按照本文提及的靜載地基處理加固工藝，可以減少支墩受力，消除大噸位靜載試驗(yàn)中可能出現(xiàn)影響試驗(yàn)結(jié)果的誤差，去偽存真，并且在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上大大縮短工期。通過(guò)該工程靜載試驗(yàn)結(jié)果分析，大直徑灌注樁采用卵石層作為樁端持力層，并結(jié)合樁端和樁側(cè)后注漿技術(shù)，可以獲得較大的單樁的極限承載力，具有一定的借鑒意義。