超長沖孔灌注樁單樁豎向抗壓靜載試驗研究

唐 軍

(福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 泉州 350109)

1 概述

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，高層建筑及超高層建筑不斷涌現，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用。一般而言，單樁豎向抗壓靜載荷試驗是確定沖孔灌注樁極限承載力的一種比較直觀、可靠的原位測試方法。由于超長沖孔灌注樁具有設計極限承載力大、場地地基承載力較小、樁周土層地質條件復雜等特點，因此進行試樁的時候容易出現：樁頭強度不夠、基準樁上浮、地基不均勻沉降導致千斤頂頂死、地基反力不足導致壓重平臺倒塌等問題。因此，試樁之前，如何有效的解決這些問題顯得尤為重要。結合實際工程對豎向抗壓靜載試驗的幾個關鍵問題進行了探討并提出合理化建議。

2 工程及地質概況

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為一級，建筑物安全等級為一級，地基的復雜程度為一級。樁基全部采用沖孔灌注樁，樁徑1 000 mm～1 400 mm，設計樁長27.8 m～65.8 m。根據地質勘察報告，擬建場地土層自上而下分別為：雜填土，厚度1.5 m～2.4 m；含泥中細砂，厚度2.2 m～7.2 m；淤泥，厚度5.8 m～24.2 m；殘積砂質粘性土，厚度8.4 m～12.5 m；孤石，最大揭露厚度3.8 m，砂土狀強風化花崗巖，厚度8.2 m～11.3 m；碎塊狀強風化花崗巖，厚度10.5 m～14.6 m；中風化花崗巖最大揭露厚度9.5 m。本次試驗的試驗樁編號為97號，樁徑為1 200 mm，樁長為51.2 m，設計混凝土強度為C35，設計樁端持力層為中風化花崗巖，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地質勘察報告附近鉆孔柱狀圖畫出，見圖1。

3 超長樁靜載試驗設計

3.1 場地地基處理

按照JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規(guī)范[1]的有關規(guī)定：壓重施加于地基的壓應力不應超過地基承載力特征值的1.5倍。97號試樁的最大試驗荷載為26 000 kN，反力裝置的總重量應為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的混凝土預制塊作為支座，長度為12.8 m，寬度設置為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，無法滿足要求，需對地基土進行換填處理，因此，壓重平臺范圍內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，對碎石土進行碾壓夯實，并采用重型動力觸探或標準貫入試驗方法檢驗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JGJ 340—2015建筑地基檢測技術規(guī)范[2]進行。

3.2 反力裝置設計

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，不宜采用壓重平臺反力裝置，故采用錨樁壓重平臺反力裝置。采用4根工程樁作為錨樁，樁長、樁周土層分布與試驗樁接近。按照JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范[3]的規(guī)定對錨樁的抗拔承載力進行計算。群樁呈非整體破壞時，基樁的抗拔極限承載力計算公式為：

Tuk=∑λiqsikuili

(1)

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

通過式(1)計算得到4根錨樁的抗拔極限承載力標準值為8 522 kN，滿足要求。考慮到一定的安全儲備，壓重平臺的重量為10 000 kN。支座底下壓應力為：10 000/(4.8×12.8×2)=81 kPa<1.5×80=120 kPa，滿足要求。

3.3 基準梁安裝

要保證位移傳感器測量的數據真實可靠，基準梁的安裝是否規(guī)范至關重要。一般要求基準樁應打入土中不小于1 m，并且保證基準樁垂直、穩(wěn)定、牢固。基準樁中心與試樁中心、基準樁中心與錨樁中心的距離不小于4D(3D)且大于2.0 m(括號內數值為地基有經過加固的情況)。基準梁應有足夠的剛度，梁的一端固定在基準樁上，另一端簡支于基準樁上。試驗過程應避免振動、沖擊、惡劣天氣對固定位移傳感器的夾具及基準梁的影響，另外試驗全程應采用精密水準儀監(jiān)測基準樁的豎向位移。

另外，需考慮氣溫變化對基準梁的影響。該試樁的基準梁長度為12 m，試驗時間段內，最高溫度25 ℃，最低溫度18 ℃，一般碳素鋼的熱膨脹系數為10～13(×0.000 001/℃)[4]。計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。

溫度變化引起的測量數值與實際數值的誤差在0.84 mm～1.09 mm之間。

3.4 混凝土樁樁頭處理

豎向抗壓靜載試驗一般采用慢速維持荷載法，總試驗時間不小于25 h，加載過程相當于對樁頭持續(xù)作用一個豎向集中荷載，產生“應力集中”的現象[5]，容易出現樁頭破裂、千斤頂受力不均勻等問題。因此，有必要制作一個高強度的樁帽保護樁頭，樁帽的制作可按照JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規(guī)范的有關規(guī)定進行。

該試樁的樁帽混凝土強度比樁身混凝土提高3級，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層之下。距樁頂1.5 m范圍內應設置箍筋，箍筋間距為100 mm，樁頂應設置鋼筋網片3層，間距80 mm。灌注混凝土后，樁頂用水平找平。97號樁的樁帽如圖2～圖4所示。

4 靜載試驗結果分析

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或預留同條件試塊抗壓強度滿足設計要求。按照JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規(guī)范的有關規(guī)定對97號樁進行豎向抗壓靜載試驗，加荷方式采用慢速維持荷載法。最大試驗荷載為26 000 kN，分10級加載，其中第1級為分級荷載的2倍(5 200 kN)，其余每級荷載增量均為2 600 kN。97號樁的抗壓靜載試驗結果見表1。

表1 97號樁的抗壓靜載試驗結果

試驗樁的混凝土為C35，C35混凝土彈性模量[6]為3.15×104MPa，樁徑D=1 200 mm≥800 mm，樁長L=51.2 m>40.0 m，應考慮樁身彈性壓縮變形量，樁身彈性壓縮量應根據JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規(guī)范第4.4.2條條文說明提供的公式進行計算。

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

97號試樁試驗進展順利，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)，試樁未達到極限承載狀態(tài)，按規(guī)范取最大試驗荷載值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Q—s曲線、s—lgt曲線見圖5，圖6。

5 結語

1)影響沿海軟土地區(qū)超長灌注樁豎向抗壓靜載試驗的因素有：軟土地基處理、樁頭處理、基準梁安裝等。必須對場地進行換填處理，避免試驗過程出現地基的不均勻沉降導致千斤頂頂死；基準梁安裝應牢固可靠并考慮溫度變化的影響，防止試驗過程出現基準樁上浮，導致數據失真。

2)大直徑灌注樁試樁過程中，樁頂需要長時間施加一個豎向集中作用力，將產生“應力集中”現象，容易導致樁頭出現裂縫、樁頭破碎等問題。因此，需要對樁頭進行加固處理，提高樁頭強度。

3)對于樁長超過40 m大直徑超長沖孔灌注樁靜載試驗，應加載至樁頂總沉降量60 mm～80 mm，靜載試驗結果應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驗公式估算。