自平衡法樁基檢測技術在結構上下同步逆作法施工中的應用*

龍莉波 馬躍強 李 成 張晨雨 朱佳君

1.上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2.上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080；3.上海理工大學 上海 200093

1 工程概況

本工程位于上海國際旅游度假區的南大門，總建筑面積94 847 m2，其中地下建筑面積49 310 m2，地上建筑面積45 537 m2；地下3 層，地上10 層，建筑高度45 m，如圖1所示。采用樁筏基礎，普遍開挖深度17.5 m，基坑面積1 800 m2。

圖1 項目整體概況

工程工期緊張，周邊保護情況復雜，場地有限，因此采用上下同步逆作法施工。正常使用階段中，上部結構荷載由四樁承臺形式共同承擔，主樓區域單樁承載力7 000 kN。但在逆作施工階段中，上部結構自重和施工荷載全部由單根鉆孔灌注樁承擔，本工程主樓區域單樁豎向極限抗壓承載力達27 000 kN。為確定單樁豎向抗壓極限承載力，判定豎向抗壓承載力是否滿足設計要求以及在設計荷載作用下樁的沉降量，同時為設計提供依據，需進行基樁檢測試驗。

本次所進行的靜載試驗樁位于主樓區域，為大承載力鉆孔灌注樁（標號SPC1），如圖2所示。樁徑1 200 mm，樁頂標高-14.95 m，樁底標高-79.95 m，有效樁長65 m，樁尖進入⑨細砂層。采用樁端后注漿的施工工藝，注漿水泥量為5 t，注漿壓力為2 MPa。

圖2 測試樁位示意

基樁靜載試驗主要有3 種加載方法：堆載法、錨樁法和自平衡法。針對檢測樁實際情況，對3 種加載方法從技術、成本、進度方面進行了對比，可知自平衡法檢測技術在大噸位試樁試驗中具有不可比擬的優勢，特別適用于類似本工程的上下同步逆作法工程的靜載試驗。

2 自平衡法靜載試驗

2.1 基本原理

自平衡法的工作原理是把一種特制的加載裝置——荷載箱（荷載箱埋置深度根據樁及土層預先估算）和鋼筋籠焊接在一起埋入樁內，將荷載箱的高壓油管引到地面，然后澆筑成樁。由高壓油泵在地面向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞到樁身，其上部樁身的摩擦力與下部樁的摩擦力及端阻力相平衡——自平衡來維持加載。根據向上向下Q-S曲線、S-lgT曲線、S-lgQ曲線以及等效轉換曲線確定基樁承載力和相應沉降，如圖3所示。

圖3 自平衡法靜載試驗示意

對于上下同步逆作法工程，基坑底以上部分為鋼管與填充材料之間的摩擦力，區別于常規項目中混凝土樁與土之間的摩擦力。由于前者摩擦力相對較小，在計算試驗樁極限承載力時可以忽略不計。但后者必須考慮此段摩擦力，由于其計算值和實際值存在誤差，因此較難精確計算試驗樁極限承載力值。另外在計算時要考慮由于混凝土泛漿部分的影響。

2.2 檢測流程

2.2.1 加載設備

1）檢測樁采用1 只環形荷載箱，其加載值的率定曲線由計量部門標定。

2）使用高壓油泵和0.4級精密壓力表進行加壓，壓力表最大加壓值為60 MPa，其壓力表亦由計量部門標定。

2.2.2 位移量測

檢測時每根樁采用4 只電子位移測量檢測樁位移量的變位，通過位移滑塊固定在基準梁上，2 只用于量測荷載箱頂板的向上位移，2 只用于量測荷載箱底板的向下位移。

2.2.3 加載檢測

檢測按照《基樁靜載試驗自平衡法》（JT/T 738—2009）進行，加載采用慢速維持荷載法，每級加載值為預估極限承載力的1/10，按10 級9 次加載，第1次按2 倍荷載分級加載，卸載分5 級進行。每級加（卸）載后第1 h內應在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min測讀位移，以后每隔30 min測讀一次，達到相對穩定后方可加（卸）下一級荷載。卸載到零后應至少觀測2 h，測讀時間間隔同加載。整個試驗過程順利，未出現異常情況，試驗數據真實可靠。

2.3 檢測結果分析

2.3.1 極限承載力

極限承載力的確定是靜載試驗的首要目的，根據各試樁的加載極限值，可按下式確定試樁i的極限承載力：

式中：Pui——試樁i的單樁極限承載力，kN；

Quui——試樁i上段樁的加載極限值，kN；

Qlui——試樁i下段樁的加載極限值，kN；

Wi——試樁i荷載箱上部樁自重，kN，若荷載箱處于透水層，取浮自重；

γi——試樁i的抗托系數，根據荷載箱上部土的類型確定：黏性土、粉土γi=0.8；砂土γi=0.7；巖石γi=1，若上部有不同類型的土層，γi取加權平均值（本工程取γi=0.8）。

依據現場實測的數據繪制了自平衡法靜載試驗曲線，如圖4所示。上段樁的加載極限值Quu=13 500 kN，下段樁的加載極限值Qlu=13 500 kN，荷載箱上部樁自重W=2 000 kN，根據公式（1）得出該檢測樁的抗壓極限承載力Pu=27 875 kN，滿足設計承載力特征值27 000 kN的要求。

2.3.2 等效轉換

為了更準確地分析單樁的極限承載力，可以將自平衡法試驗結果等效轉換為傳統靜載試驗Q-S曲線，利用傳統靜載的單樁極限承載力確定方法進行輔析，同時，也可以很好地驗證自平衡法的有效性。

圖4 自平衡法靜載試驗曲線

自平衡法測試結果向傳統靜載試驗的樁頂荷載位移曲線轉換方法根據向上、向下位移同步的原則擬合，即通過位移進行疊加荷載的方法。根據2 種測試方法的受力分析，可以得出以下公式：

式中：P——轉換后樁頂荷載，kN；

S——轉換后樁頂位移，mm；

Q+——荷載箱向上加載值，kN；

Q-——荷載箱向下加載值，kN；

ΔS——樁身壓縮量，mm；

S-——向下位移，mm；

K——轉換系數，

樁上段的樁身壓縮量ΔS為荷載箱下段荷載及上段荷載引起的上段樁的彈性壓縮變形之和，即：

式中：ΔS1——受壓樁上段在荷載箱下段力作用下產生的彈性壓縮變形量，mm；

ΔS2——受壓樁上段在荷載箱上段力作用下產生的彈性壓縮變形量，mm。

式中：Q-——荷載箱向下荷載，kN；

Q+——對應于自平衡法Q+-S+曲線中上段樁位移絕對值等于S-時的上段樁荷載，kN；

L——上段樁長度，m；

E

P

AP——樁身截面面積，m2；

W——試樁i荷載箱上部樁自重，kN。Pu的取值對于自平衡法而言，每一加載等級由荷載箱產生的向上、向下的力是相等的，但所產生的位移量是不相等的。因此，Q+應該是對應于自平衡法Q+-S+曲線中上段樁位移絕對值等于S-時的上段樁荷載。加載曲線如圖5所示。

圖5 SPC1樁等效樁頂加載曲線

2.3.3 檢測結果

SPC1樁抗壓極限承載力為27 875 kN，根據等效轉換樁頂加載曲線，其對應沉降量為58.70 mm，承載力特征值為13 938 kN，滿足設計承載力特征值13 500 kN的要求。對應沉降量為17.48 mm，滿足規范差異沉降不宜大于1/400柱距，且不宜大于20 mm的要求。

3 結語

自平衡法樁基檢測技術具有不占用施工場地、不影響施工進度、工地安全易保障、檢測單樁承載力大、檢測成本易控制等優點，而上下同步逆作法工程的樁基抗壓極限承載力一般較大，使用其他形式加載的靜載試驗存在諸多弊端。本工程的成功實踐，說明自平衡法樁基檢測技術在上下同步逆作法工程中具有很好的推廣和應用價值，但自平衡法在理論計算上尚有一定缺陷，荷載箱位置計算仍容易產生誤差。測得的樁承載力往往較實際值小，偏于保守安全，因此自平衡法仍值得進一步地研究及深化[1-5]。