超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁自平衡法試驗(yàn)研究
——以海峽西岸某標(biāo)志性建筑為案例

陳 旻

(1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建福州 350025； 2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

0 引言

近十幾年來(lái)，我國(guó)超高層建筑方興未艾，超長(zhǎng)大直徑灌注樁大量使用，承載力要求越來(lái)越高，對(duì)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工、試驗(yàn)提出了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)是確定樁基承載力最直接、最可靠的方法，但傳統(tǒng)的堆重平臺(tái)反力法、錨樁反力法由于場(chǎng)地局限性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面原因，應(yīng)用于高承載力的靜載試驗(yàn)時(shí)存在相當(dāng)大的難度。

自平衡法靜載試驗(yàn)自20世紀(jì)80年代美國(guó)西北大學(xué)JOsterberg教授研制成功以來(lái)，在世界各地得到了相當(dāng)大的推廣應(yīng)用，該試樁方法擺脫了傳統(tǒng)堆載或錨樁等反力裝置的限制，具有不受場(chǎng)地條件限制、試驗(yàn)安裝占用場(chǎng)地小、基本不影響施工進(jìn)度、安裝作業(yè)簡(jiǎn)單且安全風(fēng)險(xiǎn)小等明顯優(yōu)點(diǎn)，特別是能進(jìn)行超高承載力的測(cè)試，為超長(zhǎng)大直徑灌注樁的承載力測(cè)試提供了一種相對(duì)可靠的直接試驗(yàn)方法。東南大學(xué)龔維明教授在我國(guó)最先開(kāi)展該試樁方法的應(yīng)用研究，福建省建筑科學(xué)研究院也在福建省開(kāi)展了相關(guān)的研究，并于2014年制定了關(guān)于這種試樁方法的福建省地方標(biāo)準(zhǔn)[1]，由東南大學(xué)主編的住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]也于2017年頒布實(shí)施。

本文以福建省某標(biāo)志性建筑樁型采用超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁，試驗(yàn)樁靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的最大加載值高達(dá)55 000 kN，采用自平衡試樁法為工程案例。通過(guò)自平衡法、樁身內(nèi)力測(cè)試及鉆芯法等方法，檢測(cè)得到單樁豎向抗壓極限承載力、樁周各土層側(cè)摩阻力及砼試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值等參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)樁的承載性狀及樁身混凝土抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行了深入分析。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于福州市區(qū)，占地面積40余畝，總建筑面積約30萬(wàn)m2，建筑高度預(yù)計(jì)518m，涵蓋白金五星級(jí)酒店、辦公、soho及公共配套等為一體的海峽西岸標(biāo)志性建筑。揭露巖土層自上而下為：①雜(素)填土；②粉質(zhì)粘土；③淤泥；④砂質(zhì)粘土；⑤中砂；⑤-1泥質(zhì)中砂；⑤-2粉質(zhì)粘土；⑥淤泥質(zhì)土(夾砂)；⑦粉(砂)質(zhì)粘土；⑦-1粉砂；⑦-2中砂：⑦-3淤泥質(zhì)土(夾砂)：⑧中砂；⑨碎卵石：⑨-1含卵礫石粉質(zhì)粘土：⑨-2圓角礫；⑩-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(1)；⑩-2砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(2)；⑩-3碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；中(微)風(fēng)化花崗巖。

該標(biāo)志性建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，樁型采用鉆孔灌注樁，試驗(yàn)樁樁長(zhǎng)90m～103m，樁徑1300mm，設(shè)計(jì)砼強(qiáng)度水下C50，樁端持力層為中(微)風(fēng)化花崗巖，樁底高壓注漿，靜載試驗(yàn)要求的最大加載值均為55 000 kN。迄今為止，該項(xiàng)目鉆孔灌注樁的樁長(zhǎng)、設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度及靜載最大加載值均為福建民用建筑之最。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)概況

由設(shè)計(jì)和勘察單位指定，對(duì)編號(hào)為T(mén)S1#、TS2#、TS3#、TS4#的4根試樁進(jìn)行以下檢測(cè)項(xiàng)目：

(1)采用自平衡法靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)單樁豎向抗壓極限承載力；

(2)進(jìn)行樁身內(nèi)力測(cè)試，測(cè)得主要土層的樁身側(cè)摩阻力；

(3)采用聲波透射法檢測(cè)樁身完整性；

(4)采用超聲波法進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測(cè)；

(5)采用鉆芯法檢測(cè)樁身混凝土強(qiáng)度。

各試驗(yàn)樁參數(shù)如表1所示，各試驗(yàn)樁周土層分布如圖1所示。

2.2 自平衡法靜載試驗(yàn)

自平衡法靜載試驗(yàn)，即在樁身平衡點(diǎn)位置安裝荷載箱，在地面對(duì)荷載箱施加荷載，推動(dòng)荷載箱上下樁段位移，以同時(shí)測(cè)得荷載箱上、下部樁段的承載力，下部樁段為抗壓承載力，上部樁段為抗拔承載力。根據(jù)《建筑基樁自平衡法靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 403-2017)[2]，單樁豎向抗壓極限承載力按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

Qu為單樁豎向抗壓承載力極限值(kN)；

Quu為上段樁的極限加載值(kN)；

Qud為下段樁的極限加載值(kN)；

W為荷載箱上段樁自重(kN)；

γ1為受檢樁的抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，據(jù)該工程地質(zhì)資料及樁型取γ1=0.90。

荷載箱內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)圖如圖3所示。

圖3 荷載箱現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)圖

2.3 樁身內(nèi)力測(cè)試

在緊鄰荷載箱上部、主要土層的分界面及較厚土層的中間點(diǎn)位置附近設(shè)置測(cè)試面，每個(gè)測(cè)試面上均安裝了4個(gè)鋼筋計(jì)，樁身內(nèi)力測(cè)試數(shù)據(jù)按下列要求進(jìn)行分析整理[3]，如圖4所示。

圖4 鋼筋應(yīng)力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)圖

(1)標(biāo)定斷面鋼筋混凝土的應(yīng)力應(yīng)變回歸方程

實(shí)測(cè)各級(jí)荷載下標(biāo)定斷面鋼筋應(yīng)力計(jì)的頻率值，通過(guò)鋼筋計(jì)的率定方程得到力值，從而得到斷面的樁身應(yīng)變值，各級(jí)荷載換算成相對(duì)應(yīng)的樁身應(yīng)力值，經(jīng)回歸分析，可以得到各試樁標(biāo)定斷面樁身應(yīng)力和樁身應(yīng)變關(guān)系方程。

σ=a1ε+a2ε2

(2)

(2)各斷面處樁身軸力計(jì)算

(3)

式中：

Qij為在第j級(jí)荷載作用下的樁身第i斷面處軸力;

σij為在第j級(jí)荷載作用下的樁身第i截面軸向應(yīng)力平均值(應(yīng)剔除異常測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù));

Es為鋼筋的彈性模量;

A為樁身截面面積。

(3)樁側(cè)土的分層平均側(cè)阻力計(jì)算

qsij=(Qij-Qi+1,j)/Fi

(4)

式中：

qsij為在第j級(jí)荷載作用下的第i樁段(第i斷面與i+1斷面之間)土層平均樁側(cè)阻力;

Fi為第i樁段的側(cè)表面積。

(4)樁端阻力計(jì)算

qpj=Qnj/A0

(5)

式中：

qpj為在第j級(jí)荷載作用下的樁端阻力;

Qnj為在第j級(jí)荷載作用下的樁端軸力;

A0為樁端截面積。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果

TS1#、TS2#、TS3#、TS4#試驗(yàn)樁成孔后，均采用超聲波法進(jìn)行成孔質(zhì)量測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，各試樁的成孔垂直度、孔徑、孔深均滿足設(shè)計(jì)要求。

混凝土灌注28d后自平衡法靜載試驗(yàn)前，采用聲波透射法對(duì)各試樁進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明各試樁樁身完整。

自平衡法靜載荷試驗(yàn)按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)[4]與《建筑基樁自平衡法靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 403-2017)[2]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)加荷方式為慢速維持荷載法。各試樁自平衡法靜載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，荷載-上下位移(Q-s)曲線如圖5所示。

表2 基樁自平衡靜載試驗(yàn)結(jié)果

參加統(tǒng)計(jì)的4根鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力，其極差未超過(guò)平均值的30%，取其平均值55 347kN為單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值，本試樁工程同一條件下φ1300鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓承載力特征值，按單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值一半取為27 673kN。

圖5 各試樁Q-s曲線

基樁的荷載-沉降(Q-s)曲線，是單樁荷載傳遞特征的宏觀反映，主要可分為陡降型和緩變型。TS1#試樁的每級(jí)荷載增量為5500kN，當(dāng)施加荷載至55 000kN時(shí)，荷載箱上樁段的本級(jí)位移增量大于前一級(jí)位移增量的5倍，且荷載箱上樁段的位移總量超過(guò)40mm，上段樁達(dá)到極限承載狀態(tài)，取24 750kN為上段樁的極限加載值。與此同時(shí)，安裝于樁頂?shù)亩阎仄脚_(tái)發(fā)揮作用，荷載箱下段總位移小于40mm，未達(dá)極限承載狀態(tài)；取27 500kN為下段樁的極限加載值。TS2#、TS3#、TS4#試樁的每級(jí)荷載增量均為5 500kN，最大試驗(yàn)荷載均加至55 000kN，荷載箱上段位移均小于40mm，均未達(dá)到極限承載狀態(tài)，取27 500kN為上段樁的極限加載值；荷載箱下段位移均小于40mm，均未達(dá)到極限承載狀態(tài)，取27 500kN為下段樁的極限加載值。

荷載箱下樁段為樁端嵌固段，從4根試樁的荷載箱下段的Q-s曲線相比較可知，向下總位移值分別為6.02mm、19.64mm、26.02mm、14.76mm，差異性很大。究其因，主要是由于前幾級(jí)的加載產(chǎn)生的位移量差別較大所致。向下總位移值主要由下樁段、樁底沉渣及樁底巖層3部分的壓縮量構(gòu)成，對(duì)于4根試樁，下樁段和樁底巖層的壓縮量相比差別很小?？梢?jiàn)，向下總位移值的差異性，主要是由各試樁樁底沉渣厚度不同引起了壓縮量的差異。據(jù)此可以推斷，TS1#試樁樁底基本沒(méi)有沉渣，而TS2#、TS3#、TS4#3根試樁可能存在一定程度的沉渣或沉渣固結(jié)物。前幾級(jí)的加載過(guò)程中，樁底的沉渣有個(gè)壓密實(shí)的過(guò)程；而后幾級(jí)的加載過(guò)程中，樁底沉渣壓密后樁端位移又進(jìn)入收斂階段?？梢?jiàn)，樁底清渣效果和樁底高壓注漿效果是影響樁端嵌固段承載力的關(guān)鍵因素。對(duì)于樁端嵌固效果良好的超長(zhǎng)嵌巖樁，其樁頂沉降絕大部分由樁身壓縮引起，設(shè)計(jì)時(shí)提高樁體剛度可顯著降低樁頂沉降量。

3.2 樁身內(nèi)力測(cè)試結(jié)果

TS1#、TS2#、TS3#、TS4#的4根試樁標(biāo)定面應(yīng)力應(yīng)變回歸方程(2)的系數(shù)如表3所示。系數(shù)a1實(shí)際就是標(biāo)定面的樁身鋼筋混凝土的彈性模量，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C50所對(duì)應(yīng)的彈性模量為3.45×104N/mm2，而a1值高達(dá)3.77～3.90×104N/mm2，大于C75甚至C80混凝土的彈性模量。從表4可知，試樁下部芯樣試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值為66.3～81.3 MPa(遠(yuǎn)大于樁身砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C50)，加上鋼筋籠的作用，標(biāo)定面樁身鋼筋混凝土的彈性模量非常高。

表3 試樁回歸方程系數(shù)

表4 受檢樁砼芯樣試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值

試驗(yàn)實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力值，按式(3)計(jì)算可得各試樁軸力分布如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，由于荷載箱埋設(shè)于樁端附近，各試樁的軸力從樁端逐步發(fā)揮，樁端附近土層樁身側(cè)阻力最先發(fā)揮。隨著載荷箱施加荷載的增大，軸力也隨之加大，逐步沿樁身往上傳遞，而同時(shí)相應(yīng)的樁周土層的側(cè)摩阻力也隨之逐步向上激發(fā)。當(dāng)載荷箱施加的荷載接近上樁段的極限承載力時(shí)，樁身下部土層的樁側(cè)摩阻力趨于穩(wěn)定甚至有些弱化，而樁身上部土層的樁側(cè)阻力逐漸發(fā)揮。當(dāng)載荷箱施加的荷載達(dá)到上樁段的極限破壞狀態(tài)時(shí)，樁身下部土層的樁身側(cè)摩阻力發(fā)揮已穩(wěn)定或弱化加大，而樁身上部土層的樁身側(cè)摩阻力已充分觸發(fā)。可見(jiàn)，樁身從下往上的樁周各土層的側(cè)摩阻力發(fā)揮是一個(gè)異步過(guò)程。

其中，TS1#試樁加載到最后一級(jí)荷載時(shí)，樁頂軸力達(dá)到了5100kN，由此現(xiàn)象可知，載荷箱施加的荷載已超過(guò)了該試樁上樁段提供的反力，上樁段達(dá)到了極限承載狀態(tài)，樁頂?shù)亩演d配重被動(dòng)對(duì)樁頂施加了荷載約5100kN；而其他3根試樁加載至最后一級(jí)時(shí)，樁頂軸力為零，可見(jiàn)載荷箱施加荷載未傳遞至樁頂，相應(yīng)的樁頂附近的土層樁身側(cè)阻力未觸發(fā)，表明這3根試樁的上樁段均未達(dá)到極限承載狀態(tài)。

需要注意的是，上樁段因加載觸發(fā)的樁身側(cè)阻力為抗拔側(cè)阻力，而非通常的基樁抗壓狀態(tài)的樁身側(cè)阻力。雖然樁身混凝土是處于抗壓狀態(tài)，但是上樁段是向上位移，樁周土層相對(duì)向下位移，因此，所測(cè)得的樁身側(cè)阻力為抗拔側(cè)阻力。

(a)TS1#試樁 (b)TS2#試樁

根據(jù)式(4)和(5)計(jì)算得到該工程主要土層樁側(cè)抗拔側(cè)阻力實(shí)測(cè)極限值為：⑩-3碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖qsi=171-203kPa；⑩-2砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖qsi=87-104kPa；⑩-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖qsi=75-86kPa；⑨碎卵石qsi=80-92kPa；⑦粉(砂)質(zhì)粘土qsi=41-48kPa；⑥淤泥質(zhì)土(夾砂)qsi=10-13kPa；⑤-1泥質(zhì)中砂qsi=37kPa；⑤中砂qsi=34-46kPa；④砂質(zhì)粘土qsi=23-29kPa；③淤泥qsi=8kPa。

3.3 鉆芯法檢測(cè)樁身砼強(qiáng)度結(jié)果

依據(jù)JGJ 106-2014規(guī)范相關(guān)條款規(guī)定，每根試樁鉆孔數(shù)量為2個(gè)孔(A孔、B孔)，每個(gè)鉆芯孔截取芯樣試件4組，每組混凝土芯樣制作3個(gè)抗壓試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。每根試樁砼芯樣試件抗壓強(qiáng)度的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：取一組3塊試件抗壓強(qiáng)度值的平均值，作為該組砼芯樣的試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值[4]；取同一受檢樁不同深度位置的砼芯樣試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值中的最小值，作為該樁砼芯樣試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值[4]。TS1#、TS2#、TS3#、TS4#試樁混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值分別為66.8MPa、66.3MPa、72.4MPa、68.8MPa，其中TS4#試樁一組試件抗壓強(qiáng)度值的平均值高達(dá)81.0MPa，遠(yuǎn)大于砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C50。各試樁的混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度如表4所示。

混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度并不等于混凝土強(qiáng)度等級(jí)(立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)，JGJ 106-2014規(guī)范條文說(shuō)明提到：大部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明芯樣試件抗壓強(qiáng)度低于立方體試件抗壓強(qiáng)度，也有一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明芯樣試件抗壓強(qiáng)度還大于立方體試件抗壓強(qiáng)度，兩個(gè)強(qiáng)度的比值(折算系數(shù))差異性很大(0.689～1.106)。所以，檢測(cè)規(guī)范不采用統(tǒng)一的折算系數(shù)，來(lái)反映混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度與混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度的差異[4]。JGJ 106-2014規(guī)范第7.5.4條款提到：“混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度可根據(jù)本地區(qū)的強(qiáng)度折算系數(shù)進(jìn)行修正”[4]。目前，廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范》(DBJ/T 15-60-2019)中已規(guī)定該折算系數(shù)為0.88[5]，而福建省還未開(kāi)展相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)，也未在福建省的地方標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)的文件中提供有地區(qū)代表性的芯樣試件抗壓強(qiáng)度折算系數(shù)，這對(duì)鉆芯法檢測(cè)樁身混凝土強(qiáng)度的評(píng)定造成了不少困擾。因此，在實(shí)際檢測(cè)中往往不進(jìn)行強(qiáng)度折算(沒(méi)有依據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度折算)，得出的受檢樁砼試件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值直接和樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)比較，評(píng)定是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1)在超高承載力測(cè)試中，自平衡法靜載試驗(yàn)相比傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)具有不受場(chǎng)地條件限制、試驗(yàn)安裝占用場(chǎng)地小、基本不影響施工進(jìn)度、安裝作業(yè)簡(jiǎn)單且安全風(fēng)險(xiǎn)小等明顯優(yōu)勢(shì)，為超長(zhǎng)大直徑灌注樁的承載力測(cè)試提供了一種相對(duì)可靠的直接試驗(yàn)方法。

(2)自平衡法測(cè)試過(guò)程中，上段樁的荷載傳遞機(jī)理與工程樁的實(shí)際受力條件不盡一致，雖然上樁段樁身混凝土是處于抗壓狀態(tài)，但上樁段是向上位移的，樁周土層相對(duì)向下位移，樁身內(nèi)力測(cè)試所得的樁身側(cè)阻力為抗拔側(cè)阻力，而非通常的基樁抗壓承載狀態(tài)時(shí)的樁身側(cè)阻力。

(3)超長(zhǎng)樁樁周土層樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮是一個(gè)異步的過(guò)程，大部分土層會(huì)出現(xiàn)不同程度的側(cè)阻弱化現(xiàn)象。樁底清渣效果和樁底高壓注漿效果是影響樁端嵌固段承載力的關(guān)鍵因素。對(duì)于樁端嵌固效果良好的超長(zhǎng)嵌巖樁，其樁頂沉降絕大部分由樁身壓縮引起，設(shè)計(jì)時(shí)提高樁體剛度可顯著降低樁頂沉降量。

(4)芯樣試件抗壓強(qiáng)度與立方體試件抗壓強(qiáng)度的比值即折算系數(shù)，JGJ 106-2014規(guī)范未做統(tǒng)一規(guī)定。福建省未在地方標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)的文件中提供該折算系數(shù)，這對(duì)鉆芯法檢測(cè)樁身混凝土強(qiáng)度的評(píng)定造成了不少困擾，急需開(kāi)展詳盡的對(duì)比試驗(yàn)，得出福建省有地區(qū)代表性的芯樣強(qiáng)度折算系數(shù)。