高層建筑工程中大直徑灌注樁承載力試驗研究

摘要：本文以某高層建筑工程為例，開展大直徑灌注樁承載力試驗研究，以確保高層建筑具有較好的穩定性。本研究依靠堆載反力系統，通過千斤頂逐步施加靜荷載至樁體破壞，在每段加載完成后，分別在5 min，10 min和15 min測量一次樁體的計算變形，記錄并分析結果。通過試驗得出，五根試驗樁的極限承載力各不相同，最大荷載值高達15 000 kN，而最小荷載值為750 kN。大直徑灌注樁承載力由樁側阻力與樁端阻力共同承擔，在試驗中選取的灌注樁承載力均可滿足相關要求。

關鍵詞：高層建筑；大直徑灌注樁；承載力試驗；荷載沉降

中圖分類號：TU473.14" """"文獻標識碼：A" """"文章編號：2096-2118（2024）05-0070-04

Experimental Study on Bearing Capacity of Large-Diameter Cast-in-Place

Piles in High-Rise Building Projects

SUN Xuelong

（Jiangxi Zhongchang Testing Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi" 330000，China）

Abstract：In this paper，taking a high-rise building project as an example，the bearing capacity test of large-diameter cast-in-place pile is carried out to ensure that the high-rise building has better stability.This study relies on the overload reaction system to gradually apply static load to pile failure through jacks，after each stage of loading is completed，the calculated deformation of pile is measured at 5 min，10 min and 15 min respectively，and the results are recorded and analyzed.The results show that the ultimate bearing capacity of the five piles is different，the maximum load value is up to 15 000 kN，while the minimum load value is 750 kN.The bearing capacity of large-diameter cast-in-situ piles is borne by both side resistance and end resistance，and the bearing capacity of cast-in-situ piles selected in the test can meet the relevant requirements.

Keywords：high-rise building；large diameter cast-in-place pile；bearing capacity test；load settlement

0" 引言

隨著現代建筑工程的不斷發展，高層建筑已成為城市景觀的一部分。為確保高層建筑的穩定性，其基礎工程顯得至關重要，其中，大直徑灌注樁承載力試驗是其中一項關鍵技術，它對于保證建筑物的安全性和穩定性具有至關重要的作用。目前，大直徑灌注樁承載力試驗的研究已在國內外取得了一定的進展。學者們通過大量的試驗研究和理論分析，提出了一系列計算方法和設計規范。然而，考慮到大直徑灌注樁的施工條件、地質環境，以及承載力受多種因素影響，仍然存在一些未解決的問題[1]。目前，大直徑灌注樁承載力試驗的研究主要集中在以下幾個方面。

靜載試驗：在靜載試驗中，選擇適當的加載設備和裝置至關重要，以確保試驗結果的準確性和可靠性。一些學者采用彈性力學方法對樁基進行建模和分析，計算樁基的應力分布和位移情況[2]。一些學者還提出了基于經驗公式的靜載試驗方法，通過可靠度指標分析大量試驗數據，得出樁基承載力和沉降量的預測公式[3]。這些方法和公式為樁基工程的設計和施工提供了重要的參考依據。

動載試驗：動載試驗是通過振動或其他動力荷載來測試樁基的性能。國內外學者通過研究樁基的動力響應，提出了多種動載試驗方法和計算公式。

數值模擬方法：數值模擬方法通過計算機模擬樁基的實際受力情況，以預測其性能和承載力。國內外學者通過開發數值模擬軟件，對樁基的性能進行了深入研究[4]。

以上研究方法和成果為大直徑灌注樁承載力試驗提供了重要的理論基礎和實踐指導[5]。然而，由于不同地區、不同工程條件的差異，大直徑灌注樁的承載力和性能仍存在一些尚待解決的問題[6]。因此，本文以某高層建筑工程為例，開展大直徑灌注樁承載力試驗研究，探討其承載力和性能的影響因素和規律，以期為高層建筑工程的設計和施工提供參考和指導。

1" 工程概況

本文以江蘇省南京市某高層建筑施工項目為例開展研究。該項目用地面積為23 735.24 m2，計劃建設2棟超高層塔樓、4層裙樓和4層地下室，總建筑面積約為18萬m2。項目基坑面積為21 563 m2，采用地下連續墻+內支撐的方式來進行基坑支護。根據本項目的巖土工程詳細勘察報告，該工程涉及的巖土層可以劃分為人工填土層、海相沉積層、海陸交互相沉積層、花崗巖殘積層和燕山三期花崗巖。根據鉆孔數據顯示，在本場地的鉆孔深度范圍內，沒有發現明顯的全新世活動斷裂構造痕跡，也沒有出現土洞、塌陷、滑坡、泥石流或采空區等不良地質現象。各土（巖）層在場地內分布穩定，場地開闊，地形相對平坦。根據項目巖土工程詳細勘察報告建議，結合工程荷載特點，該項目的樁基工程選用灌注樁。以此為基礎，開展試驗研究。

2" 裝置與方法

2.1" 試驗裝置設備

在該工程中，測試大直徑灌注樁的承載能力，使其能精確控制施加載荷[7]。本次選用多個壓力傳感器與1臺靜力載荷測試儀配合使用，以實現對加荷量的精確控制。在豎向靜載試驗中，負載控制是一個關鍵環節。豎向靜載試驗加荷等級見表1。

根據表1中詳細列出的每個階段所需的載荷值，可以據此逐步施加載荷，從而對樁的承載能力進行準確評估。試驗裝置和控制系統能夠實現對大直徑灌注樁承載力的精確測試。通過逐步施加載荷并監測樁的反應，可以獲得樁在各種情況下的性能數據。

本次采用了4個容柵式數顯位移傳感器，精確測量樁的頂部位置，并在豎向靜載試驗中自動記錄負載情況。此外，還使用了振動線型應力測量方法對1#和2#測試樁進行應力和應變測試。根據鉆探施工期間獲取的地質數據，在中試過程中，將多個應力計以對稱正交的方式安裝在每個代表性的剖面上，并放置于鋼籠內。通過測量應力計來監測導線應力，從而評估導線的軸向力和側向摩擦阻力[8]。

為了保持施力點與樁頂、地面平行，本次在水平反力裝置中使用了水平千斤頂施加水平推力。為了確保對負載量精確控制，選擇輪輻式負載傳感器進行數據采集。同時，使用位移傳感器測量水平位移，并通過靜載荷測試儀自動記錄數據。在水平靜載荷試驗中，載荷水平見表2。

2.2" 試樁方法

選取本項目中五根灌注樁作為試驗樁，從1#～5#對其進行編號，其直徑為D=1 500 m。對其中1#，2#，3#樁進行垂直荷載試驗，而4#和5#樁則進行了水平荷載試驗[9]。這些試驗中涉及的施工參數主要見表3。

由表3可知，這些參數的精確控制對于試驗結果的準確性和可靠性至關重要。在本次試驗中，采取嚴謹的數據采集和監控措施，密切關注每根樁在試驗過程中的數據變化，包括但不限于樁身的位移、應變、壓力等關鍵指標。這些實時的數據監測可以更好地理解和分析樁基的性能和承載力。

該樁主體使用的是C25混凝土，這種混凝土具有高強度和良好的耐久性。主筋采用了HRB335鋼筋，這種鋼筋具有較高的強度和良好的韌性，能夠有效地提高樁的承載能力。錨固采用了HPB235鋼筋，這種鋼筋具有較好的延性和抗剪強度，能夠提供可靠的固定作用?；炷帘Ｗo層厚度為50 mm，能夠有效地保護鋼筋不受外界環境的影響，延長樁的使用壽命[10]。樁徑誤差為±20 mm，垂直允許誤差lt;1%，這些要求保證了樁的制造精度和安裝時的穩定性。管底層厚度規格要求為50 mm，主錨采用20根Φ22 mm鋼筋，這些措施能夠提供穩固的支撐和錨定。上部結構采用了Hoops F10@250 mm的鋼筋布置方式，這種布置方式能夠提供足夠的抗拉和抗壓強度。預估單樁豎向極限承載力標準值為15 000 kN，預估單樁水平極限承載力標準值為1 200 kN，這些數值是基于對該場地地質條件的詳細分析和模擬計算得出的，能夠為設計提供可靠的依據。

豎向抗壓靜載荷試驗是在灌注樁完成后28 d進行的，以確保樁身混凝土充分固化并達到設計強度。試驗載荷裝置采用堆重反應裝置，該裝置能夠模擬樁在實際工作中的受力情況。在樁頂部安裝承壓樁體和6個FQS500（500 t）鉗口，以確保試驗過程中的穩定性和安全性。為組裝反應架，采用了4個主梁和4個輔助梁，這些梁具有足夠的強度和剛度，以承受試驗過程中的反力。

參考梁是試驗裝置中的重要組成部分，其具有一定強度，一端固定在參考樁體上，另一端則簡單地支撐在基準樁上。通過立式響應系統，可以對樁體的破壞進行靜態加載。在這一過程中，依靠堆載反力通過千斤頂逐步施加靜荷載。每級荷載施加后，需等待樁頂沉降量達到穩定標準后再施加下級荷載。這一系列操作確保了試驗的準確性和可靠性，試驗加載過程如圖1所示。

在每段加載完成后，應分別在5 min，10 min和15 min測量一次樁體的計算變形。判斷樁體的穩定性有明確的標準：在沉降樁位置處的位移lt;0.1 mm。此外，每次載荷水平增加時，都取沉降樁垂直端載荷的1/10作為標準。為確保測試的準確性，以及在給定P荷載作用下的鋼弦自振頻率F1，鋼筋的荷載值計算公式如下：

P=K×（F1-F0）+B（1）

式（1）中：P為鋼筋的荷載值，kN；F1為鋼弦在某種特定條件下的自振頻率，Hz；F0為鋼弦在未受外力或初始狀態下的自振頻率，Hz；K和B分別為在鋼線頻率測量設備中測量的值，Hz。由（1）計算出鋼筋的荷載值，以還原基巖的最終差異和最終橫向摩擦阻力。在單樁水平荷載試驗之前，進行低應變樁完整性試驗，以確保樁身的完整性和無損傷。只有當完整性試驗合格后，才可進行水平荷載試驗。在水平荷載試驗中，使用估算水平最終荷載的1/12作為每個荷載水平的荷載增量。測量剩余的水平移動，從而完成一個循環。在完成第一級負載測試后，會觀察五個循環。如果樁身出現折斷或水平位移超過30 mm，應立即停止試驗。

3" 試驗結果與分析

五根試驗樁的極限承載力各不相同，最大荷載值高達15 000 kN，而最小荷載值為750 kN。在試驗過程中，上樁體的沉降范圍為48 mm～65 mm。除了5#試驗樁之外，其他試驗中的荷載曲線并未進行實質性的修改，完全按照建筑基樁檢測技術規范進行操作。當樁頂上部沉降荷載達到60 mm～80 mm時，應暫停加載。考慮到樁頂沉降量過大，本次試驗選擇容許沉降量作為確定極限承載力的控制指標，即將沉降量為60 mm時的荷載定義為極限承載力。

3.1" 豎向承載性狀

1# ，2# ，3# 試樁的荷載-沉降曲線平均值如圖 2 所示。

由圖2可知，當三根試驗樁承受的載荷達到15 000 kN時，曲線并未出現陡降，這表明在這種情況下，測試樁仍有能力繼續承載。然而，雖然此時的接收能力已經滿足建設要求，但為保護設備，決定不再繼續增加載荷，此時進行卸載觀測。三根測試樁最終的載荷為15 000 kN。

3.2" 水平承載性狀

在加載過程中，4#樁體在達到1 200 kN的載荷后，加載中止。而5#樁在加載至1 200 kN后，由于水平位移超過30 mm，也中止了加載。這些措施均旨在確保樁體和設備完好無損，為后續的試驗提供保障。單樁水平載荷試驗沉降樁的結果見表4。

在表4中，4#和5#試驗沉降樁在水平荷載接近臨界荷載時表現出良好的工作狀態。在最大水平移動量為10 mm的條件下，這些樁體仍然能夠承受載荷，并且沒有出現任何異常。因此，最終將水平載荷取為極限載荷的1/2，即750 kN。對于4#和5#試樁，當水平位移達到10 mm時，對應的最低水平荷載為900 kN。

4" 試驗結果討論

在高層建筑工程中大直徑灌注樁的承載力試驗結果中，當載荷作用于樁的末端并實現樁側穩定性時，載荷與樁側阻力和樁的最終承載力之間發生了共同作用。然而，這一過程表現出摩擦樁的特征。

在豎向荷載作用下，樁側阻力從上至下逐步發揮，并達到相應的極限狀態。這個過程是逐步的，具有明顯的層次性。這種層次性發揮的樁側阻力，使得樁體能夠更好地適應豎向荷載的變化，從而在整體上提高了樁的承載能力。

此外，試驗還表明樁側阻力的發揮與樁頂荷載大小密切相關。隨著樁頂荷載的增加，樁側阻力也在逐漸增強。這種增強是連續的，呈現出明顯的線性關系。這種關系在高層建筑工程中大直徑灌注樁的承載力試驗中得到了充分驗證。

在每級荷載的作用下，隨著荷載的增加，樁端阻力在整體承載力中所占的比重逐漸增大。隨著荷載的進一步增加，樁身軸力在深度方向上的分布呈現出明顯的變化趨勢，即上部軸力較小而下部軸力較大。

樁端軸力所占樁頂荷載的比例隨著荷載的增加而逐漸增大。這一現象表明，隨著荷載的增加，樁端阻力在整體承載力中所占的比重逐漸增大。這也意味著在高層建筑等大荷載工程中，大直徑灌注樁的端阻力對其整體承載力的貢獻是不可忽視的。

5" 結語

通過對高層建筑工程中大直徑灌注樁承載力的深入試驗研究，更全面地了解其獨特的性能特點，為高層建筑工程中大直徑灌注樁的設計、施工和驗收提供了寶貴的參考和指導。未來可以進一步深入研究大直徑灌注樁的施工工藝、質量控制和技術創新，以期不斷提高其施工質量和性能水平。此外，可通過更多的試驗和工程實踐，進一步驗證和完善大直徑灌注樁的設計和施工方法，從而為高層建筑工程的安全性和穩定性提供更加堅實可靠的保障。

參" 考" 文" 獻

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編輯：楊" 洋

DOI：10.3969/j.issn.2096-2118.2024.05.015

收稿日期：2023-12-08

作者簡介：孫學龍（1988～），男， 江西省九江市人，工程師，研究方向：工程檢測技術管理。