北京城市副中心站綜合交通樞紐工程試驗樁靜載試驗數據分析

周曉波，包自成，辛軍霞，吳興征

（1.北京市建設工程質量第一檢測所有限責任公司，北京 100039；2.河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002）

0 引言

北京城市副中心站綜合交通樞紐工程定位為副中心未來的交通中心。它連接平谷線、M6 線、M101 線3 條軌道交通線路和京唐鐵路、城際聯絡線兩條鐵路線，成為亞洲最大的地下綜合交通樞紐。項目用地范圍約 6.1×10 m2，地下總建筑面積約 128 萬 m2，地上面積約 139 萬 m2，地下樞紐部分總投資約為 345 億元。其中車站的地下 3 層部分整體埋深為 32 m。

基于該工程的重要性，設計單位共設置了大小兩種樁徑的試驗樁，均為鉆孔灌注樁，其中樁徑為 2 400 mm 的樁同時進行抗壓（Compression）和抗拔（Pullout）靜載試驗，樁徑為 1 000 mm 的樁只進行抗拔靜載試驗。為了對比擴底和注漿兩種施工工藝對樁基承載力的提高效果，分別設置擴底（Expansion）、注漿（Grouting）、既擴底又注漿（Expansion and Grouting）等工況進行靜載試驗，對所有試驗樁進行樁身內力測試［1］，得到樁側各土層的分層抗壓（拔）側摩阻力和端阻力，測試成果為后期工程樁的設計提供更加詳細和可靠的依據。

針對該項目的特點，檢測單位自行研制了超大鋼梁和多功能錨盤等加載設施，使得豎向抗壓靜載試驗最大加載值達到了 70 000 kN，抗拔靜載試驗最大加載值達到了 45 000 kN。基于試驗樁靜載測試成果，依據相關規范［2］，對各種工況下側摩阻力進行深入分析，為后續工程樁的設計和類似工程的樁基靜載試驗提供有力數據支持和經驗積累。

1 靜載試驗數據分析

1.1 地質情況

控制性探孔的最大深度為 105 m，該場地土層劃分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀沉積層三大類，并根據各土層巖性及工程性質指標進一步劃分 14 個大層及亞層。該場地的地質勘察報告［3］給出的樁側土體及持力層以細砂和中砂為主。圖 1 給出典型地質剖面示意和土層名稱。與文獻［4］類似，場區內量測到 3 層地下水，其中淺層地下水水位的標高為 8.81～10.28 m。

圖1 樁位典型地質剖面（單位：mm）

試驗樁位置的土工參數，包括各土層的黏聚力、內摩擦角、極限側阻力和極限端阻力等，如表 1 所示。

表1 樁周各土層參數

1.2 試驗樁類型

試驗樁長約 71.6 m，樁徑分別為 2 400 mm（記為大直徑樁）與 1 000 mm（記為小直徑樁）兩類。樁徑 2 400 mm 的樁先進行抗壓（Compression，簡記為CT）然后對同一根樁再進行抗拔（Pullout，簡記為 PT）靜載試驗。樁徑 1 000 mm 的樁只進行抗拔靜載試驗。擴底（Expansion）簡記為 EX，不擴底樁記為 NE。注漿（Grouting）簡記為 GR，不注漿記為 NG。各種樁型的設計參數如表 2 所示，每種樁型進行兩根平行測試。

表2 試驗樁參數

這 16 根試驗樁的平面布置如圖 2 所示。

圖2 試驗樁平面布置（單位：mm）

1.3 靜載試驗數據

1.3.1 大直徑樁的單樁豎向抗壓試驗

單樁豎向抗壓試驗采用堆載-錨樁聯合法，其中錨樁最大提供 40 000 kN 的反力，其余反力由配重提供。4 根主梁與 4 根次梁長度均為 10 m，它們聯合組成反力框架，其中主梁每根重 16 t，次梁每根重 13 t。其中一根試驗樁的現場加載照片如圖 3 所示。加荷方式為液壓千斤頂（高壓泵站），采用 8 個 1 000 t 液壓千斤頂并聯。加載值由靜荷載測試分析儀測讀，單樁豎向抗壓靜載分為 14 級施加，用 4 個位移傳感器測讀樁頂的沉降量。試驗終止的條件為：累計位移量超過 80 mm、樁周土出現開裂或錨樁主筋達到屈服強度。

圖3 單樁豎向抗壓靜載試驗

四根抗壓靜載試驗的數據如圖 4 所示。后兩根擴底樁在同等加載下的沉降量值較小，尤其是當加載＞40 000 kN 的情況。可見，擴底措施對于提高基樁的承載力具有明顯的效果，可提高 20 % 左右。

圖4 單樁豎向抗壓靜載試驗加載曲線

表 3 列出這些大直徑抗壓樁靜載試驗得到的最大極限承載力。其極限承載力最大值為 70 000 kN，最終沉降量為 81.28 mm。最小值為 57 000 kN，最終沉降量為 67.68 mm。試驗結果表明，該項目試驗樁的承載力均大于預估值。

根據測試得到的荷載-沉降曲線，可通過線性插值得到沉降量值為 40 mm 時的承載力，還可以預估極限抗壓承載力時的沉降量，如表 3 所示。

表3 大直徑抗壓樁靜載試驗結果

1.3.2 大直徑樁的單樁豎向抗拔靜載試驗

單樁豎向抗拔靜載試驗采用反力樁提供支座反力。采用的反力平臺與抗壓測試時無異。加荷方式為液壓千斤頂（高壓泵站），采用 6 個 1 000 t 液壓千斤頂并聯。加載值由靜荷載測試分析儀測讀，單樁豎向抗拔靜載分為 14 級施加，用 4 個位移傳感器測讀樁頂的上拔量。試驗終止的條件為：累計位移量超過 100 mm 或樁周土出現開裂。

抗拔靜載試驗測試成果如圖 5 所示。后兩根擴底樁在同等加載下的上拔量值較小，尤其是當加載＞30 000 kN 的情況下。可見，擴底處理對于提高基樁的上拔承載力具有較好效果，特別是荷載量值較大時。

圖5 單樁豎向抗拔靜載試驗加載曲線

表 4 列出這些大直徑抗拔樁的靜載試驗結果。其極限最大值為 45 000 kN，最大上拔量為 68.43 mm。極限抗拔力的最小值為 40 500 kN，最大上拔量為101.06 mm。

根據測試得到的荷載-沉降曲線，可求出上拔量為40 mm 時的承載力以及預估極限抗拔承載力時的上拔量，如表 4 所示。

表4 大直徑抗拔樁的靜載試驗結果

1.3.3 小直徑樁的單樁豎向抗拔靜載試驗

單樁豎向抗拔靜載試驗采用反力樁提供支座反力。加荷方式采用 4 個 1 000 t 液壓千斤頂并聯。圖 6 給出 8 根樁抗拔靜載試驗得到的荷載與上拔量之間的關系。通過對比擴底前后與后注漿工藝實施與否的測試成果可以看出，擴底與后注漿對基樁抗拔承載力的提高效果較明顯。

圖6 小直徑單樁豎向抗拔靜載試驗加載曲線

小直徑抗拔樁的靜載試驗結果如表 5 所示。其單樁豎向抗拔靜載試驗極限值最大值為 22 000 kN，最小值為 12 900 kN。根據測試得到的荷載-沉降曲線，可得到上拔量為 40 mm 時的承載力以及預估極限抗拔承載力時的上拔量。

表5 小直徑抗拔樁的靜載試驗結果

2 樁身內力測試數據分析

采用鋼筋應力計進行樁身內力測試，沿樁身每一不同深度的土層分界處各布設 3 只鋼筋應力計。在施工單位綁扎鋼筋籠的同時，根據預先定好的測試斷面，將應力計綁焊在鋼筋籠主筋上，在安裝過程中沿鋼筋籠主筋用鐵絲固定扎牢，引至鋼筋籠頂端，先將導線端部做好防水處理，再將導線臨時固定在鋼筋籠端部，等待吊裝鋼筋籠，當樁成孔完成后，吊裝鋼筋籠過程中應避免碰撞應力計及導線。在鋼筋下放過程中和灌注混凝土過程中必須有人值守，保護應力計及導線完好。在土方施工及剔鑿樁頭時應確保外導線完好［5-7］。

通過振弦式讀數儀的頻率計采集頻率，經換算得到鋼筋的應變。依據 JGJ 106－2014《建筑基樁檢測技術規范》條文中第 A.0.13 條的規定，樁身內力測試與抗壓、抗拔靜載試驗同步進行，鋼筋應變量于每級荷載作用下穩定后測得，進而由應變計算得到斷面處樁身軸力Q及樁側土的分層側阻力qs。比如，樁身第i斷面的軸力見式（1）：

式中：Es為鋼筋彈性模量，εsi第i斷面的鋼筋應變，As為鋼筋斷面面積。第i斷面的qsi如式（2）所示。

式中：u為樁身周長，li第i斷面的樁長。

2.1 大直徑豎向抗壓樁

圖 7 給出 CT-D2400-NE-GR-01 試驗樁軸力分布曲線。由圖 7 所示，樁體所承受的豎向荷載克服樁側摩阻力向下傳遞，樁身軸力隨埋深增加而減小，且減小幅度受到樁周土層剪切強度的影響而有所不同。其他樁體的軸力分布趨勢類似，即各斷面處軸力在同級荷載水平下隨著深度增加逐漸減小，不再列示。

圖7 CT-D2400-NE-GR-01試驗樁各級荷載下樁身內力分布

圖 8 給出大直徑樁抗壓的各土層側阻力測試結果。各測試斷面摩阻力隨荷載增加而增大，且均為正值，但隨著土層的變化而有所不同。根據側摩阻力沿著深度的分布曲線可以看出，在約 25 m 深度內，樁周摩阻力表現為應力強化（即隨著荷載和位移增大，摩阻力也持續增加），但在約 50 m 深度以下，前三級加載下隨著沉降增加摩阻力增大，但隨后側摩阻力呈現減小狀態。通過對比多級荷載水平下的成果可見，側摩阻力發揮隨荷載增大而增加。擴底及樁側注漿部分作用明顯。

圖8 大直徑抗壓試驗樁的平均側摩阻力分層示意

2.2 大直徑豎向抗拔樁

圖 9 給出大直徑抗拔的樁側土分層抗拔阻力測試結果。根據側摩阻力沿著深度的分布曲線可以看出，樁周摩阻力隨著荷載和位移增大，摩阻力也持續增加，尤其是接近樁端的部位。

圖9 大直徑抗拔試驗樁的平均側摩阻力分層示意

2.3 小直徑豎向抗拔樁

圖 10 給出小直徑抗拔樁的樁側土分層抗拔阻力成果。由圖可見，前兩級加載時側摩阻力沿著樁長皆有分布。隨著荷載加大，下部樁段的側摩阻力得到較充分的發揮，這與前述大直徑抗拔試驗得到的趨勢類似。比如，這里接近樁端的最大平均側摩阻力約為 70 kPa。這是由于深部土層的側壓力較大，土體的抗剪強度較高，在極限抗拔狀態下發揮的摩阻力也大，進而提高了基樁的側摩阻力。

3 結論

采用自行研制的超大鋼梁和多功能錨盤等加載設施，采用堆載-錨樁聯合法實現了抗壓最大加載達到70 000 kN。采用錨樁法實現了抗拔最大加載達到 45 000 kN。

結合北京城市副中心站綜合交通樞紐項目試驗樁的靜載測試結果，通過各種樁型下的荷載-沉降測試曲線的對比發現擴底及樁側注漿部分的承載力提高明顯。所有靜載試驗無論是承載力還是位移量都達到了設計針對試驗樁提出的要求，為下一步工程樁的設計與計算提供了有力技術支撐。

試驗樁的樁身內力測試結果表明，各測試斷面軸力隨荷載增加而增大，各斷面處軸力在同級荷載作用下自上而下逐漸減小。樁側土摩阻力發揮隨荷載增大而增加，擴底及樁側注漿部分作用明顯。Q