自平衡法靜載試驗在閩投營運中心項目中的應用研究

馬羨鵬 虞夢澤

(1.福建閩都置業發展有限責任公司 福建福州 350000；2.福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建福州 350025；3.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

隨著大量的高層、超高層建筑不斷涌現，樁基礎的應用也愈加廣泛。對于樁基礎設計而言，承載力是否滿足設計要求關乎建筑的使用安全和壽命。而自平衡法利用基樁的側阻力和端阻力互為反力的原理，在大噸位樁承載力檢測時能不受承載力和現場條件的制約[1]。

閩投營運中心項目，由于采用全逆作法施工、場地下伏較厚軟土、樁基與地面結構采用鋼管柱連接等原因，無法采用傳統承載力檢測方法，僅能通過預埋荷載箱方式進行自平衡法靜載試驗。

基此，本文通過自平衡法靜載試驗在閩投營運中心項目中的應用，為類似工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

閩投營運中心項目位于福州市中心，為1幢28層框架-支撐芯筒結構辦公樓、1幢22層框架-核心筒結構酒店，2幢高層由5層商業裙樓相連接，滿堂布置四層地下室，開挖深度約20m[2]。地下室北側與福州地鐵2號線水部站貼建，共用地下連續墻，共同開發部分與地鐵附屬同期施工。該工程采用全逆作法設計，逆作法采用“一樁一柱”形式。

為保證上部結構和樁基的有效連接，樁基混凝土初凝前采用HPE液壓垂直插入預制鋼管柱。鋼管柱分多種形式，直徑600mm～1400mm，插入混凝土樁深度2.85m，柱身與混凝土連接段設置Ф19鋼制栓釘，釘長100mm，沿圓周布置12根。鋼管柱與樁連接如圖1所示。采用該方法能夠有效保證樁頂鋼管柱的垂直度，施工安全簡便，并縮短了施工工期[3]。

1.2 工程質地條件

場地原始地貌屬閩江沖淤積平原，場地覆蓋土層主要由全新統至更新統的沖淤積相組成，下伏燕山晚期侵入的中粒花崗巖。根據勘察揭露結果和施工過程反饋，在砂土狀強風化巖層中發育有“球狀風化體或填充巖脈”，最大揭露厚度12.1m。該場地表層覆蓋雜填土平均厚度2.54m，全場地下伏飽和流塑淤泥層厚3.90m～22.80m。主要土層物理力學參數如表1所示。

圖1 鋼管柱與樁連接示意圖

表1 主要土層物理力學參數

1.3 樁基施工概況

場地中風化花崗巖埋深約70m～90m，采用傳統旋挖或沖孔灌注樁成孔難度大，且耗錢耗時。為了能有效減少樁身長度，節約資源和縮短工期，該工程設計樁基采用AM旋挖擴底灌注樁，通過擴大樁底面積使樁底即使坐落在強風化巖層上，也能達到等同于等直徑樁在中風化花崗巖上的承載力。

AM旋挖擴底灌注樁，首先用普通旋挖鉆至設計持力層指定深度后，更換液壓擴底鉆頭，通過主機電腦控制擴底鉆頭擴大切削土層，以達到需要的擴底形狀和直徑。使用該施工設備和工藝，可在樁身任意截面制造擴大頭或局部擴徑段，可以使樁身達到多支盤樁的效果，極大提高樁的抗拔極限承載力。該工程共布置工程樁190根，設計持力層為砂土狀強風化花崗巖或碎塊狀強風化花崗巖，設計進入持力層深度為6m，樁端設計有后注漿，孔深60m～65m，設計有效樁長約45m，樁基設計參數及設計承載力如表2所示。

施工過程總體順利，部分鉆孔可見厚度達2m～12m的球狀風化體。考慮該工程樁基的承載特性，厚度較大的球狀風化體可作為持力層，因此，施工中要求穿越厚度≤6m的球狀風化體。但對于厚度>6m的球狀風化體，停鉆補勘確定風化體厚度，對剩余厚度<4m的球狀風化體繼續鉆進直至穿透，對≥4m球狀風化體停止向深處鉆進并擴底終孔。

表2 樁基設計參數及設計承載力

2 自平衡法靜載試驗

2.1 試驗方案比選

現有的承載力檢測方法主要為靜載法、高應變法和自平衡法。下文對其可行性進行簡要探討：

靜載法：根據該工程勘察報告，全場地下伏飽和流塑淤泥層厚3.90m～22.80m，場地表層雜填土承載力為90kPa，下伏淤泥層僅為40kPa。傳統靜載試驗方法需對場地表層土進行地基處理，對于該工程最大試驗荷載45 000kN的情況，處理后地基承載力需加固至500～600kPa，加固難度極大，且全場地加固成本極高。樁身直徑和間距都較大，無錨樁施工的空間，難以采用錨樁法提供反力。

高應變法：樁身設計有后插式鋼管柱，采用高應變試驗方法，重錘沖擊過程中易造成鋼管柱的變形，鋼管柱與灌注樁的連接處阻抗變化也會對應力波法試驗結果產生影響。

鉆芯法：采用鉆芯法試驗檢測完整性和持力層，鋼管柱端頭厚25mm，傾斜鋼板對鉆芯法的垂直度有極大影響，難以鉆至樁底。設計階段曾考慮預埋套管以驗證樁底持力層，由于鋼筋籠采用整體吊裝，部分鋼筋籠處，樁底擴徑外還有樁頂擴徑，在吊裝過程中易造成預埋取芯套管的破壞而取消。

綜上，該工程難以滿足傳統靜載試驗、高應變試驗和鉆芯法試驗的條件，僅能選用自平衡法靜載試驗作為該工程樁基承載力試驗方案。

2.2 平衡點設置

自平衡法靜載試驗，通過在樁身平衡點埋設荷載箱，利用上段阻力與下段阻力互相平衡特性，測試樁基的極限承載力，如圖2所示。

圖2 自平衡法靜載試驗加載體系示意圖

由于平衡點位置受樁身側摩阻力和端阻力影響，試驗開始前應通過巖土工程參數進行試算。經計算，該工程各樁的樁側摩阻力約等于樁身端阻力。同時，為確保荷載箱的應力能夠擴散至整個樁底范圍，考慮鋼筋籠外素混凝土應力擴散角約為45°[4-5]，該工程試樁荷載箱均埋設于距樁端0.7m位置，將荷載箱與鋼筋籠連接，如圖3所示。

圖3 自平衡法荷載箱與鋼筋籠連接

2.3 試驗過程

自平衡法靜載荷試驗，按《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)、《基樁豎向承載力自平衡法靜載試驗技術規程》(DBJ/T13-183-2014)的有關規定進行。試驗加荷方式選擇慢速維持荷載法，試樁的每級荷載增量均為最大試驗荷載的10%，直至加至設計最大試驗荷載。其中8#試樁受委托方要求，繼續增加試驗荷載至設計極限荷載的110%。試樁Q-s曲線圖如圖4～圖5所示。

圖4 試樁向上Q-s曲線圖

圖5 試樁向下Q-s曲線圖

2.4 試驗結果分析

通過試樁Q-s曲線及試驗結果分析，各試樁均能達到最大試驗荷載，試樁單樁豎向抗壓極限承載力均滿足設計要求，而單樁抗拔極限承載力也均高于設計要求的10 000kN。規范判定單樁豎向抗壓極限承載力如式(1)。

(1)

式中：Qu為試樁的單樁豎向抗壓極限承載力(kN)；

Quu為試樁上段樁的極限加載值(kN)；

Qud為試樁下段樁的極限加載值(kN)；

W為荷載箱上段混凝土樁和鋼管柱的自重之和，該工程僅取樁頂配載加荷前的樁自重(kN)；

γ1為試樁的向下、向上摩阻力轉換系數，該工程取0.80。

自平衡單樁豎向承載力分析結果如表3所示。

試驗結果表明：

(1)該工程設計通過擴大樁底面積的方式，將樁底設計在強風化花崗巖上是合理的。在中風化埋深較深的地區采用AM旋挖擴底灌注樁工藝，能夠有效減少樁長，同時滿足承載力要求。

(2)該工程3#和8#試樁均支承于受球狀風化體之上，實測向下Q-s曲線與其余3根支承于設計持力層的試樁，基本屬于同一模式，最大位移量也在合理的范圍內。表明：基于該工程地質條件，經過合理的工藝和質量控制后，采用厚度較大的球狀風化體作為持力層，亦可達到極限承載力。

表3 基樁自平衡法抗壓靜載試驗分析表

(3)3#和8#試樁雖樁長較短，試驗結果也能滿足設計要求，試驗過程中均未出現陡降段，亦無急劇增大趨勢。推算3#試樁樁側單位面積平均側阻力達到102kPa，高于相同直徑的1#樁約34%；而8#試樁在110%極限荷載下，荷載箱上下段仍能保持穩定，樁側單位面積平均側阻力達到94kPa；試驗結果高于巖土工程勘察資料給出的建議值；試驗卸載過程，上段樁極小回彈量也從側面說明樁側摩阻力在上段樁下行過程中的作用。

(4)試樁樁底持力層為強風化花崗巖，其壓縮性較高。該工程試樁樁身卸荷后回彈較小，樁身位移回彈量約為16%～25%，遠低于嵌巖樁的回彈比例，表明在極限荷載下樁端巖土體已發生了較大的塑性變形。

(5)根據實測結果，試驗過程，樁身在荷載箱段上下位移之和，即荷載箱頂撐距離最大為37.96mm，且受上下段樁身側阻力的影響，卸載后仍有29.82mm。施工過程，隨著上部荷載的逐步施加，試驗形成的空隙逐步閉合，與相鄰基樁形成較大的沉降差異，影響建筑的工后沉降，需及時注漿封閉，以保證上部結構的安全使用。

3 結語

本文結合閩投營運中心項目中自平衡法靜載試驗的應用，驗證了自平衡法試驗在該工程地質條件下的適用性和AM旋挖擴底灌注樁的承載能力，并為類似工程的設計和施工提供參考。

試驗表明，基于該工程地質條件，采用AM可視化旋挖擴底灌注樁施工工藝，并將強風化花崗巖作為持力層，可有效滿足承載力需求，并可有效減少樁身長度。計算樁側單位面積平均阻力，相對于勘察報告提供的巖土工程設計參數有大幅提高。樁身卸荷后回彈較小，僅為位移的16%～25%，表明樁端巖土層在極限荷載下已發生了較大的塑性變形。