軟土地基大噸位堆載試驗(yàn)支墩基礎(chǔ)處理方法研究

陳得發(fā)

【摘要】近年來，國內(nèi)高層建筑迅速發(fā)展，大噸位的靜載荷試驗(yàn)在民用建筑項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用，在軟土地基上開展大噸位堆載試驗(yàn)時(shí)須對(duì)支墩基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，并對(duì)支墩進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確保整個(gè)試驗(yàn)安全進(jìn)行。

【關(guān)鍵詞】軟土地基;大噸位堆載試驗(yàn);地基加固處理;支墩設(shè)計(jì)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.130

1、前言

壓重平臺(tái)反力裝置、錨樁橫梁反力裝置以及錨樁壓重聯(lián)合反力裝置是目前進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)常用的三種反力裝置。在軟土層埋深較大的場地采用壓重平臺(tái)反力裝置進(jìn)行大噸位的靜載荷試驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行支墩設(shè)計(jì)以及支墩承載力的驗(yàn)算，如果支墩尺寸設(shè)計(jì)不合理，壓重平臺(tái)支墩施加于地基土的壓應(yīng)力大于地基土承載力，造成地基土明顯下沉或者破壞，導(dǎo)致堆載平臺(tái)傾斜甚至坍塌，這樣會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性或?qū)е略囼?yàn)失敗，還存在巨大的安全隱患。

因此，在軟土地基上開展大噸位的堆載試驗(yàn)時(shí)，對(duì)支墩基礎(chǔ)的加固設(shè)計(jì)以及整個(gè)反力系統(tǒng)的驗(yàn)算就顯得尤為重要，本論文以杭州某工程28800 kN的堆載試驗(yàn)為例，論述在該試驗(yàn)中對(duì)支墩基礎(chǔ)的加固設(shè)計(jì)以及對(duì)整個(gè)反力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

2、工程及地質(zhì)概況

杭州某項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)1幢151m高的辦公樓（31F）、2棟91m高的辦公樓（18F）、4棟33～66m高的辦公樓、酒店、LOFT以及18.5～31m高的商業(yè)裙樓，3棟90m高回遷住宅樓，全場整體設(shè)6層地下室，±0.00標(biāo)高相當(dāng)于1985國家高程8.300m。

151m高的辦公樓（31F）基礎(chǔ)采用Φ1000mm的鉆孔灌注樁，中其樁長約為56m～59m，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為水下C40，樁端持力層為⑩-2-3層中風(fēng)化凝灰?guī)r，擬最大試驗(yàn)荷載為2880kN，其余的建筑物基礎(chǔ)采用Φ800mm的鉆孔灌注樁，樁長約為52m～62m，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為水下C40，樁端持力層為⑩-2-3層中風(fēng)化凝灰?guī)r，擬最大試驗(yàn)荷載為1800kN，場地淺部工程地質(zhì)概況見表1（地下水位0.5m）

3、靜載荷試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

3.1支墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)表1中本工程淺部地層的地質(zhì)概況，第①層淤泥質(zhì)填土的承載力預(yù)估值約為65kPa～ 70KPa，如果按照承載力預(yù)估值70kPa計(jì)算需要330m2的支墩基礎(chǔ)面積，大約為2塊15m×11m的支墩，無法滿足試驗(yàn)要求。因此需要對(duì)淺層地基進(jìn)行加固處理。

根據(jù)我司的設(shè)備能力，主梁采用規(guī)格為高度1.7m、寬度0.7m、長度11m的2根鋼箱梁，副梁采用H型鋼，其高度為700mm、寬度200mm、長度12m（一般國標(biāo)H型鋼長度）、腹板厚度13mm、翼緣厚度22mm。支墩布置的中心軸線與主梁平行，支墩中心軸線距試樁中心距離為5m。地基處理也按此思路進(jìn)行，采用換填法挖除第①層淤泥質(zhì)填土，開挖2塊長15m、 寬8m、深2m的矩形，填入道渣分層夯實(shí)，夯實(shí)處理后的地基極限承載力可達(dá)到250Kpa左右，基本滿試驗(yàn)的要求。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）第5.2.4條當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3m或埋深大于0.5m時(shí)，地基承載力特征值尚應(yīng)按下式修正：

第②層的粉質(zhì)黏土基本滿足上述修正條件，考慮到地基處理后回填土體、混凝土板等的自重因素，在此地基土承載力不做深度修正，計(jì)算荷載時(shí)也不計(jì)入回填土體、混凝土板等的自重因素，僅進(jìn)行寬度修正，修正后第②層粉質(zhì)黏土的承載力特征值為：

第②層粉質(zhì)黏土承受應(yīng)力=28800*1.2/（8*15*2）=144kPa<98*1.5=147kPa，滿足試驗(yàn)要求。

3.2支墩設(shè)計(jì)

在荷載、支墩軸線位置確定的情況下，不同尺寸規(guī)格的支墩對(duì)靜載荷試驗(yàn)樁以及基準(zhǔn)樁產(chǎn)生的影響不盡相同，如何設(shè)計(jì)合理的支墩尺寸以及靜載荷試驗(yàn)樁中心與支墩邊距等這都是影響靜載荷試驗(yàn)可靠性的重要因素。

從表2以及圖2和圖3可以看出：

（1）在支墩中心軸線位置不變的情況下，隨著支墩邊距試樁中心距離的增加（支墩寬度不斷減小），支墩對(duì)靜載荷試驗(yàn)樁、基準(zhǔn)樁的影響逐漸減小并且最大應(yīng)力位置逐漸變深，從間距到2m以后，支墩荷載對(duì)試樁以及基準(zhǔn)樁的影響（附加應(yīng)力）已經(jīng)趨于穩(wěn)定，為了能夠盡量達(dá)到規(guī)范對(duì)支墩與試樁中心間距的要求，同時(shí)滿足換填土強(qiáng)度要求，選擇間距為3m，支墩尺寸為2塊5m×15m的混凝土板（圖1）作為本次靜載荷試驗(yàn)支墩。

（2）在堆載法靜載荷試驗(yàn)中，支墩對(duì)靜載荷試驗(yàn)樁、基準(zhǔn)樁的影響取決于與支墩邊的距離及基底應(yīng)力（荷載）。

3.3現(xiàn)場試驗(yàn)

3.3.1荷載實(shí)施

試驗(yàn)均采用7臺(tái)5000kN級(jí)千斤頂實(shí)施加載，荷載等級(jí)值均由一臺(tái)樁基靜載荷分析系統(tǒng)連接顯示。

3.3.2沉降量測讀

試樁樁頂沉降量采用四只呈對(duì)稱布置的位移傳感器與一臺(tái)樁基靜載荷分析系統(tǒng)連接顯示。

3.3.3加載分級(jí)如下表3

3.3.4測讀時(shí)間

試驗(yàn)采用慢速維持荷載試樁法，沉降測讀時(shí)間如下：

（1）每級(jí)加載后，第一小時(shí)內(nèi)按第5、15、30、45、60分鐘各測讀一次，以后每隔半小時(shí)讀一次，當(dāng)沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，進(jìn)行下一級(jí)加載。

（2）卸載時(shí)，每級(jí)荷載維持一小時(shí)，第5、15、30、60分鐘共測讀四次，卸載至零時(shí)，測讀殘余沉降量為三小時(shí)。

（3）沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：每一小時(shí)沉降量不超過0.1mm，且連續(xù)出現(xiàn)兩次。

3.3.5終止加載情況

對(duì)于抗壓樁試樁，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，應(yīng)即終止加載：

（1） 試樁在某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下的沉降量的 5 倍，且樁頂總沉降超過 140mm 時(shí);

（2） 某級(jí)荷載作用下，樁的沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的 2 倍，且 經(jīng) 24 小時(shí)仍未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，以此級(jí)荷載為起點(diǎn)，后續(xù)每次加載量 由上述加載順序中的增量減少 0.025P，并不少于 3 次加載;

（3） 荷載已超過所規(guī)定的最大加載量且樁頂達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);

（4） 荷載沉降曲線呈緩變形時(shí)，可加載至樁頂總沉降量 140mm;當(dāng)樁端阻力尚未充分發(fā)揮時(shí)，可加載至樁頂累計(jì)沉降量超過 140mm。

4、檢測結(jié)果

4.1靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

1#試樁試驗(yàn)加載至28800 kN時(shí)，最大沉降量為53.59mm，殘余沉降量為20.60mm，回彈量為32.99mm，驗(yàn)所得的Q-s曲線均較平緩，未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，s-lgt曲線較平直，未出現(xiàn)明顯向下曲折，說明1#試樁未達(dá)到極限受力狀態(tài)，其單樁豎向抗壓極限承載力不小于擬定最大加載量。

2#試樁試驗(yàn)加載至28800 kN時(shí)，最大沉降量為40.10mm，殘余沉降量為10.98mm，回彈量為29.12mm，驗(yàn)所得的Q-s曲線均較平緩，未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，s-lgt曲線較平直，未出現(xiàn)明顯向下曲折，說明2#試樁未達(dá)到極限受力狀態(tài)，其單樁豎向抗壓極限承載力不小于擬定最大加載量。

3#試樁試驗(yàn)加載至28800 kN時(shí)，最大沉降量為45.39mm，殘余沉降量為15.72mm，回彈量為29.67mm，驗(yàn)所得的Q-s曲線（圖4）均較平緩，未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，s-lgt曲線（圖5）較平直，未出現(xiàn)明顯向下曲折，說明2#試樁未達(dá)到極限受力狀態(tài)，其單樁豎向抗壓極限承載力不小于擬定最大加載量。

4.2地基及基準(zhǔn)樁的變形

本次3根靜載荷試驗(yàn)均加載至擬定最大加載量后終止加載試驗(yàn)，通過測量加固處理后的地基以及基準(zhǔn)樁的沉降量，發(fā)現(xiàn)靜載荷試驗(yàn)中堆載平臺(tái)的最大沉降量約為35mm，基準(zhǔn)樁的最大沉降量約為3mm。通過對(duì)地基以及基準(zhǔn)樁的沉降量數(shù)據(jù)分析表明在本次堆載法靜載荷試驗(yàn)中，采用換填法對(duì)支墩處的場地進(jìn)行地基處理是可行的，能夠達(dá)到靜載荷試驗(yàn)中對(duì)地基土承載力的要求。

結(jié)論：

在軟土地基上進(jìn)行大噸位堆載靜載荷試驗(yàn)時(shí)，對(duì)地基土進(jìn)行加固處理以及對(duì)支墩進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)是決定試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。

本次試驗(yàn)通過對(duì)該工程淺層土的力學(xué)特性分析，計(jì)算支墩下合理的地基處理面積，通過計(jì)算分析靜載荷試驗(yàn)樁中心隨支墩邊距變化時(shí)，支墩產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)靜載荷試驗(yàn)樁和基準(zhǔn)樁的不同影響，最終確定合理的支墩尺寸以及靜載荷試驗(yàn)樁中心與支墩邊距，通過對(duì)整個(gè)試驗(yàn)方案的不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，試驗(yàn)結(jié)果也達(dá)到了預(yù)期的效果。

本次試驗(yàn)結(jié)果表明在軟土地基上進(jìn)行大噸位堆載靜載荷試驗(yàn)時(shí)，采用換填法對(duì)支墩處場地進(jìn)行地基處理是可行的，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

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