厚淤泥地層灌注樁水化溫度與承載特性實(shí)測(cè)分析

廖廣超，伍釗源，王 博，官大庶，3，況聯(lián)飛

（1、中煤江南建設(shè)發(fā)展有限公司 廣州 510170；2、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇徐州 221116；3、廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510610）

0 引言

粵港澳大灣區(qū)作為我國(guó)改革最早、開(kāi)發(fā)程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，在國(guó)家發(fā)展大局中具有重要的戰(zhàn)略地位。為實(shí)現(xiàn)灣區(qū)高質(zhì)量發(fā)展，急需配套完成大量的基礎(chǔ)工程建設(shè)，但由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、總體海拔較低、瀕臨海洋、水系發(fā)育、軟基廣布，給大灣區(qū)地下工程建設(shè)帶來(lái)了很不利影響，其中厚淤泥地層樁基設(shè)計(jì)、施工難題尤為突出。

針對(duì)淤泥軟土工程特性［1-2］、淤泥地層灌注樁施工常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策［3-5］以及厚淤泥地層灌注樁承載特性研究［6-7］這3個(gè)方面，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)取得了很多有益的結(jié)論，并成功指導(dǎo)了相關(guān)工程設(shè)計(jì)與施工。但由于軟土的工程特性受地質(zhì)沉積環(huán)境等多種因素影響，不同地區(qū)軟土工程特性存在差異，相應(yīng)地將導(dǎo)致厚淤泥地層中樁基設(shè)計(jì)理念與承載特性發(fā)揮的機(jī)制不同。

由此，本文以大灣區(qū)代表性城市珠海某沿海場(chǎng)地深長(zhǎng)灌注樁為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段深入研究大直徑灌注樁早齡期水化溫度與軸力大小，以及靜載試驗(yàn)過(guò)程中樁基承載特性發(fā)揮的一般特征。以期對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行分析總結(jié)，并為大灣區(qū)類(lèi)似工程建設(shè)提供一定參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

某項(xiàng)目位于廣東省珠海市橫琴保稅區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目總用地面積約4萬(wàn)m2。項(xiàng)目一期擬建建（構(gòu)）筑物共6棟超高層（20～42層，100～200 m），主要為辦公樓、酒店及商業(yè)樓，擬采用框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)及框筒結(jié)構(gòu)，設(shè)地下室1層（基坑底絕對(duì)標(biāo)高為-0.25 m，電梯井承臺(tái)底標(biāo)高-6.00 m）。

1.1 地巖土層分布特征

表1 場(chǎng)地巖土單元（層）一覽Tab.1 List of Geotechnical Units（Layers）of the Site

由上述鉆孔信息可知，場(chǎng)地內(nèi)廣布有軟弱的淤泥、淤泥質(zhì)土，具高壓縮性和觸變性，自然條件下因填土、淤泥層的長(zhǎng)期固結(jié)壓縮會(huì)導(dǎo)致地面持續(xù)緩慢下沉。同時(shí)勘探孔進(jìn)一步揭露各土層厚度差異較大，其物理力學(xué)性質(zhì)差別也較大，場(chǎng)地地基綜合判定為不均勻地基。

1.2 場(chǎng)地地下水情況

場(chǎng)地地下水主要賦存于砂層（③3、③4）孔隙中及石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖風(fēng)化裂隙中，所賦存的地下水均具有承壓性。此外，場(chǎng)內(nèi)填土（①1、①2、①3）孔隙中局部賦存上層滯水?？碧狡陂g各含水層的混合地下水穩(wěn)定水位埋深0.00～2.50 m，平均0.28 m，地下水位標(biāo)高1.95～6.17 m。

可見(jiàn)，場(chǎng)地內(nèi)砂層的承壓水可能會(huì)對(duì)樁基施工造成一定的影響，如塌孔等。同時(shí)，由于地下水位較高，基坑開(kāi)挖需進(jìn)行地下水止水帷幕控制。

1.3 地工程地質(zhì)評(píng)價(jià)與基礎(chǔ)類(lèi)型選擇

由上述場(chǎng)地巖土層分布及地下水情況可知，場(chǎng)地工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)為一般至較差，需采用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)型式或地基處理后方可作建筑場(chǎng)地。綜合地層條件與擬建建（構(gòu)）筑物荷載特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，本工程基礎(chǔ)類(lèi)型最終選定鉆孔灌注樁型式，以中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖作樁端持力層。

鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)樁徑1.0～1.8 mm，樁長(zhǎng)48～95 m，樁身混凝土強(qiáng)度為C40。但實(shí)際施工中由于工程地質(zhì)復(fù)雜，深厚淤泥分布廣且厚度變化幅度大，實(shí)際施工樁長(zhǎng)最大接近100 m，部分樓棟平均樁長(zhǎng)90 m，施工難度極大。

2 淤泥地層樁基實(shí)測(cè)方案

2.1 實(shí)測(cè)對(duì)象與方法

由于該場(chǎng)地內(nèi)廣布深厚淤泥層，且持力層基巖面起伏較大。為掌握樁基承載受力發(fā)揮機(jī)制，評(píng)價(jià)深厚淤泥地層灌注樁施工工藝工效，選取了項(xiàng)目場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)3根不同直徑（分別為1.2 m、1.4 m、1.6 m）的代表性工程樁進(jìn)行受力與偏斜發(fā)展觀測(cè)，其中樁身受力測(cè)試通過(guò)預(yù)焊接鋼筋計(jì)到鋼筋籠上的方式實(shí)現(xiàn)，鋼筋計(jì)的安裝間距根據(jù)土層分界面確定，每層沿周圈東西南北4個(gè)方位安裝4支鋼筋計(jì)，進(jìn)而可獲取樁體受壓時(shí)不同樁身高度的拉壓應(yīng)力。樁身偏斜測(cè)試通過(guò)懸掛式傾角計(jì)的方式進(jìn)行，并認(rèn)為樁底嵌巖段為變形不動(dòng)點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)傾角能夠獲取不同深度樁體與地層的偏斜發(fā)展情況，如圖1所示。

圖1 典型灌注樁（A5-16）傳感器布置詳圖與安裝實(shí)照Fig.1 Sensor Details and Installation Photos of Typical Pile（A5-16）（m）

2.2 監(jiān)測(cè)原理

基于鋼筋計(jì)測(cè)試灌注樁樁身軸力的基本原理如下：首先假定樁身材料是均勻一致的，也即樁身的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在整個(gè)樁長(zhǎng)上都是相同的［8］。同時(shí)，在樁受壓時(shí)樁內(nèi)鋼筋和混凝土共同受力工作，認(rèn)為二者之間的變形是協(xié)調(diào)的，即εc=εi。

由振弦式鋼筋計(jì)的測(cè)試原理可知，鋼筋計(jì)所承受的軸力與傳感器內(nèi)部鋼弦之間的關(guān)系為：

式中：Pi為被測(cè)鋼筋計(jì)所受軸力（kN）；K為鋼筋計(jì)的靈敏度系數(shù)（kN/Hz2）；f0為鋼筋計(jì)的初始頻率值；fi為鋼筋計(jì)在第i級(jí)荷載時(shí)的頻率值。

由Pi大小和鋼筋計(jì)的彈性模量可計(jì)算得出鋼筋計(jì)的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：εi為鋼筋計(jì)應(yīng)變；Es為鋼筋計(jì)的彈性模量（MPa）；As為鋼筋計(jì)截面面積（m2）。

根據(jù)上述假設(shè)可知樁身混凝土應(yīng)變與鋼筋計(jì)應(yīng)變相同，即εc=εi，得出樁基軸力計(jì)算公式為：

將式⑴和⑵代入⑶可得：

式中：Qi為樁身第i截面軸力（kN）；Ec為樁身混凝土等效彈性模量（MPa）；Ac為樁基橫截面面積（m2）。

綜上所述，由鋼筋計(jì)的軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果可推導(dǎo)出樁身整體橫截面上的軸力大小，其核心思想為假設(shè)樁身混凝土的豎向應(yīng)變與樁身鋼筋主筋的豎向應(yīng)變協(xié)調(diào)，從而進(jìn)一步可推導(dǎo)得到樁身的軸力大小。但需要注意該公式中的等效彈性模量Ec，一般來(lái)說(shuō)需要現(xiàn)場(chǎng)大量重復(fù)性試驗(yàn)來(lái)確定?？紤]到混凝土結(jié)構(gòu)中豎向抗壓彈性模量的大小基本不受鋼筋數(shù)量多少的影響，即素混凝土與鋼筋混凝土的彈性模量基本相當(dāng)，誤差不超過(guò)10%。因此，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，樁身截面的等效彈性模量通常使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即分別把混凝土和鋼筋的彈性模量與各自所占樁身截面積的百分比相乘然后相加，同時(shí)等效彈性模量應(yīng)滿足樁身混凝土和鋼筋的變形協(xié)調(diào)要求，具體為等效彈性模量Ec=混凝土彈性模量+（鋼筋截面積/混凝土截面積）。

得出樁身不同截面位置軸力Qi后，可進(jìn)一步按下式推導(dǎo)出不同深度位置的樁側(cè)摩阻力，計(jì)算公式如下：

式中：qsi為樁第i截面與第i+1截面間樁側(cè)摩阻力（kPa）；i為樁監(jiān)測(cè)斷面順序號(hào)，i=1，2，…，n，自樁頂以下從小到大排列；Qi為第i斷面的軸力值（kN）；D為樁的截面直徑（m）；li為第i截面與第i+1截面之間的距離（m）。

進(jìn)一步依據(jù)力的平衡原理，可得出樁端阻力計(jì)算公式為：

式中：Qp為樁端阻力（kN）；Q為樁頂荷載（kN）。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 早齡期混凝土水化溫度分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)A5-16樁（樁徑1.2 m）混凝土澆筑后18 d內(nèi)不同層位溫度演化進(jìn)行了連續(xù)手動(dòng)測(cè)試，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)演化如圖2所示。

圖2 典型灌注樁（A5-16）不同層位平均溫度變化曲線Fig.2 Average Temperature of Typical Pile（A5-16）in Different Layers

通過(guò)實(shí)測(cè)澆筑后18 d樁基混凝土各層溫度可知：灌注后混凝土開(kāi)始劇烈水化放熱，各層溫度在前31 h持續(xù)上升，31 h后溫度開(kāi)始逐漸緩慢下降并趨于穩(wěn)定，且各層溫度均在30 h左右達(dá)到最高峰值，峰值過(guò)后前期溫度下降速率最快，后期下降速率逐漸變慢，最終各層混凝土溫度穩(wěn)定在40℃左右，樁底第一層溫度數(shù)據(jù)離散型偏大，平均溫度至測(cè)試結(jié)束穩(wěn)定在33℃左右。

進(jìn)一步對(duì)不同深度位置樁基混凝土水化放熱溫度演化規(guī)律進(jìn)行比較分析，如圖2所示，可見(jiàn)不同層位混凝土水化升溫規(guī)律基本一致，但相同時(shí)刻在越深位置溫度越低（最大溫差達(dá)15℃，隨后逐漸穩(wěn)定在9℃左右）。水化溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出自上而下矢量方向的放熱熱流，且在樁體的中上部存在熱量積聚，形成了一定范圍的高溫核［9］。分析認(rèn)為這與下部樁體多了一個(gè)樁底散熱面有關(guān)，同時(shí)隨著澆筑的進(jìn)行，上部混凝土的放熱存在滯后與疊加性，進(jìn)而呈現(xiàn)出上部溫度高的基本特征。由此可見(jiàn)，在大直徑混凝土灌注樁（按《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)：GB 50496—2018》規(guī)定最小幾何尺寸大于0.8 m）中應(yīng)關(guān)注樁芯與表面的溫差，避免因內(nèi)外溫差過(guò)大出現(xiàn)溫度裂縫，或引起樁基的約束內(nèi)應(yīng)力，影響后續(xù)樁基承載力的發(fā)揮。

3.2 早齡期鋼筋軸力演化分析

灌注樁澆筑混凝土后不同深度位置鋼筋計(jì)軸力演化如圖3所示。

圖3 鋼筋軸力變化曲線Fig.3 Variation Curve of Axial Force of the Reinforcement

分析上述前18 d樁基鋼筋計(jì)軸力演變數(shù)據(jù)可知：鋼筋軸力受混凝土水化熱膨脹約束影響，加之混凝土自重壓縮作用導(dǎo)致在混凝土水化溫度達(dá)到極值前表現(xiàn)為壓縮趨勢(shì)，隨后隨著混凝土的溫度下降，軸力又不斷減小。但從定量數(shù)值上看，由于樁基此刻沒(méi)有外載施加，所有層位的軸力數(shù)值均在4～-10 kN以內(nèi)，受力較小。

3.3 靜載樁基承載變形特性分析

現(xiàn)場(chǎng)單樁靜載試驗(yàn)按照《建筑基樁監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范：JGJ 106—2014》，采用慢速維持荷載法進(jìn)行，并通過(guò)安裝位移計(jì)的方式，采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集加卸載過(guò)程中荷載位移定量數(shù)值。

進(jìn)一步，基于上述等應(yīng)變?cè)韺?duì)樁身軸力進(jìn)行計(jì)算（其中C40混凝土樁身等效彈模取值為Ec=3.25×104N/mm2，HRB400鋼筋彈模Es=2.0×105N/mm2），實(shí)測(cè)獲得的不同深度位置樁身軸力與樁頂位移之間的變化曲線如圖4所示。

圖4 靜載試驗(yàn)樁身軸力-沉降位移歷時(shí)曲線Fig.4 Axial Force-settlement Displacement Curve of Pile in Static Load Test

由圖4可知，試驗(yàn)樁靜載Q-s曲線表現(xiàn)為典型的陡降型特征，依據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范：JGJ 106—2014》取發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值為單樁豎向抗壓極限承載力，也即12 800 kN，該數(shù)值滿足單樁承載力設(shè)計(jì)要求。但從沉降量值可看出該樁產(chǎn)生了刺入變形，初步分析與樁頂沉渣處理效果欠妥有關(guān)系（該樓棟地塊為反循環(huán)鉆機(jī)施工工藝成孔）。其次，從不同樁身位置的軸力數(shù)值大小可以看出，最大軸力數(shù)值出現(xiàn)在樁身上部第4層位置，由此說(shuō)明該樁的承載機(jī)制是摩擦端承型，但第3層與第2層樁間軸力差值較小，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的礫質(zhì)黏土層對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮效果不佳。

4 結(jié)論

⑴珠海橫琴沿海地區(qū)廣布含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性低的深厚淤泥軟土地層，其承載力低，工程性質(zhì)差，為典型的軟弱土層，給深長(zhǎng)鉆孔灌注樁施工提出了新的挑戰(zhàn)。

⑵厚淤泥地層中大直徑灌注樁早齡期溫度在澆筑后31 h內(nèi)持續(xù)升溫，最高可達(dá)65.3℃。且同一時(shí)刻越深位置溫度越低，水化溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出自上而下矢量方向的放熱熱流。由此建議大直徑混凝土灌注樁應(yīng)關(guān)注樁芯與表面的溫差，避免應(yīng)內(nèi)外溫差過(guò)大出現(xiàn)溫度裂縫，或引起樁基的約束內(nèi)應(yīng)力，影響后續(xù)樁基承載力的發(fā)揮。

⑶早齡期灌注樁鋼筋軸力定量數(shù)值介于4～-10 kN以內(nèi)，受力較小，且主要受混凝土水化放熱膨脹約束及自重壓縮作用影響。

⑷通過(guò)于樁身不同土層界面深度位置埋設(shè)鋼筋計(jì)的方式，實(shí)測(cè)獲得了厚淤泥地層灌注樁靜載壓縮變形一般特征。實(shí)測(cè)基樁靜載Q-s曲線表現(xiàn)為典型的陡降型特征，該樁豎向抗壓極限承載力為12 800 kN，滿足單樁承載力設(shè)計(jì)要求。但該樁靜載過(guò)程中樁的沉降位移偏大，樁體發(fā)生了刺入變形，初步分析認(rèn)為與樁底沉渣處理效果欠妥有關(guān)系，由此提出厚淤泥地層灌注樁施工應(yīng)注意沉渣處理等質(zhì)量控制關(guān)鍵措施。