自平衡法靜載試驗(yàn)在閩投營運(yùn)中心項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

馬羨鵬 虞夢(mèng)澤

(1.福建閩都置業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司 福建福州 350000；2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建福州 350025；3.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

0 引言

隨著大量的高層、超高層建筑不斷涌現(xiàn)，樁基礎(chǔ)的應(yīng)用也愈加廣泛。對(duì)于樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)而言，承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求關(guān)乎建筑的使用安全和壽命。而自平衡法利用基樁的側(cè)阻力和端阻力互為反力的原理，在大噸位樁承載力檢測(cè)時(shí)能不受承載力和現(xiàn)場(chǎng)條件的制約[1]。

閩投營運(yùn)中心項(xiàng)目，由于采用全逆作法施工、場(chǎng)地下伏較厚軟土、樁基與地面結(jié)構(gòu)采用鋼管柱連接等原因，無法采用傳統(tǒng)承載力檢測(cè)方法，僅能通過預(yù)埋荷載箱方式進(jìn)行自平衡法靜載試驗(yàn)。

基此，本文通過自平衡法靜載試驗(yàn)在閩投營運(yùn)中心項(xiàng)目中的應(yīng)用，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

閩投營運(yùn)中心項(xiàng)目位于福州市中心，為1幢28層框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)辦公樓、1幢22層框架-核心筒結(jié)構(gòu)酒店，2幢高層由5層商業(yè)裙樓相連接，滿堂布置四層地下室，開挖深度約20m[2]。地下室北側(cè)與福州地鐵2號(hào)線水部站貼建，共用地下連續(xù)墻，共同開發(fā)部分與地鐵附屬同期施工。該工程采用全逆作法設(shè)計(jì)，逆作法采用“一樁一柱”形式。

為保證上部結(jié)構(gòu)和樁基的有效連接，樁基混凝土初凝前采用HPE液壓垂直插入預(yù)制鋼管柱。鋼管柱分多種形式，直徑600mm～1400mm，插入混凝土樁深度2.85m，柱身與混凝土連接段設(shè)置Ф19鋼制栓釘，釘長(zhǎng)100mm，沿圓周布置12根。鋼管柱與樁連接如圖1所示。采用該方法能夠有效保證樁頂鋼管柱的垂直度，施工安全簡(jiǎn)便，并縮短了施工工期[3]。

1.2 工程質(zhì)地條件

場(chǎng)地原始地貌屬閩江沖淤積平原，場(chǎng)地覆蓋土層主要由全新統(tǒng)至更新統(tǒng)的沖淤積相組成，下伏燕山晚期侵入的中粒花崗巖。根據(jù)勘察揭露結(jié)果和施工過程反饋，在砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖層中發(fā)育有“球狀風(fēng)化體或填充巖脈”，最大揭露厚度12.1m。該場(chǎng)地表層覆蓋雜填土平均厚度2.54m，全場(chǎng)地下伏飽和流塑淤泥層厚3.90m～22.80m。主要土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 鋼管柱與樁連接示意圖

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 樁基施工概況

場(chǎng)地中風(fēng)化花崗巖埋深約70m～90m，采用傳統(tǒng)旋挖或沖孔灌注樁成孔難度大，且耗錢耗時(shí)。為了能有效減少樁身長(zhǎng)度，節(jié)約資源和縮短工期，該工程設(shè)計(jì)樁基采用AM旋挖擴(kuò)底灌注樁，通過擴(kuò)大樁底面積使樁底即使坐落在強(qiáng)風(fēng)化巖層上，也能達(dá)到等同于等直徑樁在中風(fēng)化花崗巖上的承載力。

AM旋挖擴(kuò)底灌注樁，首先用普通旋挖鉆至設(shè)計(jì)持力層指定深度后，更換液壓擴(kuò)底鉆頭，通過主機(jī)電腦控制擴(kuò)底鉆頭擴(kuò)大切削土層，以達(dá)到需要的擴(kuò)底形狀和直徑。使用該施工設(shè)備和工藝，可在樁身任意截面制造擴(kuò)大頭或局部擴(kuò)徑段，可以使樁身達(dá)到多支盤樁的效果，極大提高樁的抗拔極限承載力。該工程共布置工程樁190根，設(shè)計(jì)持力層為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖或碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，設(shè)計(jì)進(jìn)入持力層深度為6m，樁端設(shè)計(jì)有后注漿，孔深60m～65m，設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)約45m，樁基設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)承載力如表2所示。

施工過程總體順利，部分鉆孔可見厚度達(dá)2m～12m的球狀風(fēng)化體。考慮該工程樁基的承載特性，厚度較大的球狀風(fēng)化體可作為持力層，因此，施工中要求穿越厚度≤6m的球狀風(fēng)化體。但對(duì)于厚度>6m的球狀風(fēng)化體，停鉆補(bǔ)勘確定風(fēng)化體厚度，對(duì)剩余厚度<4m的球狀風(fēng)化體繼續(xù)鉆進(jìn)直至穿透，對(duì)≥4m球狀風(fēng)化體停止向深處鉆進(jìn)并擴(kuò)底終孔。

表2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)承載力

2 自平衡法靜載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案比選

現(xiàn)有的承載力檢測(cè)方法主要為靜載法、高應(yīng)變法和自平衡法。下文對(duì)其可行性進(jìn)行簡(jiǎn)要探討：

靜載法：根據(jù)該工程勘察報(bào)告，全場(chǎng)地下伏飽和流塑淤泥層厚3.90m～22.80m，場(chǎng)地表層雜填土承載力為90kPa，下伏淤泥層僅為40kPa。傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)方法需對(duì)場(chǎng)地表層土進(jìn)行地基處理，對(duì)于該工程最大試驗(yàn)荷載45 000kN的情況，處理后地基承載力需加固至500～600kPa，加固難度極大，且全場(chǎng)地加固成本極高。樁身直徑和間距都較大，無錨樁施工的空間，難以采用錨樁法提供反力。

高應(yīng)變法：樁身設(shè)計(jì)有后插式鋼管柱，采用高應(yīng)變?cè)囼?yàn)方法，重錘沖擊過程中易造成鋼管柱的變形，鋼管柱與灌注樁的連接處阻抗變化也會(huì)對(duì)應(yīng)力波法試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

鉆芯法：采用鉆芯法試驗(yàn)檢測(cè)完整性和持力層，鋼管柱端頭厚25mm，傾斜鋼板對(duì)鉆芯法的垂直度有極大影響，難以鉆至樁底。設(shè)計(jì)階段曾考慮預(yù)埋套管以驗(yàn)證樁底持力層，由于鋼筋籠采用整體吊裝，部分鋼筋籠處，樁底擴(kuò)徑外還有樁頂擴(kuò)徑，在吊裝過程中易造成預(yù)埋取芯套管的破壞而取消。

綜上，該工程難以滿足傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)、高應(yīng)變?cè)囼?yàn)和鉆芯法試驗(yàn)的條件，僅能選用自平衡法靜載試驗(yàn)作為該工程樁基承載力試驗(yàn)方案。

2.2 平衡點(diǎn)設(shè)置

自平衡法靜載試驗(yàn)，通過在樁身平衡點(diǎn)埋設(shè)荷載箱，利用上段阻力與下段阻力互相平衡特性，測(cè)試樁基的極限承載力，如圖2所示。

圖2 自平衡法靜載試驗(yàn)加載體系示意圖

由于平衡點(diǎn)位置受樁身側(cè)摩阻力和端阻力影響，試驗(yàn)開始前應(yīng)通過巖土工程參數(shù)進(jìn)行試算。經(jīng)計(jì)算，該工程各樁的樁側(cè)摩阻力約等于樁身端阻力。同時(shí)，為確保荷載箱的應(yīng)力能夠擴(kuò)散至整個(gè)樁底范圍，考慮鋼筋籠外素混凝土應(yīng)力擴(kuò)散角約為45°[4-5]，該工程試樁荷載箱均埋設(shè)于距樁端0.7m位置，將荷載箱與鋼筋籠連接，如圖3所示。

圖3 自平衡法荷載箱與鋼筋籠連接

2.3 試驗(yàn)過程

自平衡法靜載荷試驗(yàn)，按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)、《基樁豎向承載力自平衡法靜載試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T13-183-2014)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)加荷方式選擇慢速維持荷載法，試樁的每級(jí)荷載增量均為最大試驗(yàn)荷載的10%，直至加至設(shè)計(jì)最大試驗(yàn)荷載。其中8#試樁受委托方要求，繼續(xù)增加試驗(yàn)荷載至設(shè)計(jì)極限荷載的110%。試樁Q-s曲線圖如圖4～圖5所示。

圖4 試樁向上Q-s曲線圖

圖5 試樁向下Q-s曲線圖

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試樁Q-s曲線及試驗(yàn)結(jié)果分析，各試樁均能達(dá)到最大試驗(yàn)荷載，試樁單樁豎向抗壓極限承載力均滿足設(shè)計(jì)要求，而單樁抗拔極限承載力也均高于設(shè)計(jì)要求的10 000kN。規(guī)范判定單樁豎向抗壓極限承載力如式(1)。

(1)

式中：Qu為試樁的單樁豎向抗壓極限承載力(kN)；

Quu為試樁上段樁的極限加載值(kN)；

Qud為試樁下段樁的極限加載值(kN)；

W為荷載箱上段混凝土樁和鋼管柱的自重之和，該工程僅取樁頂配載加荷前的樁自重(kN)；

γ1為試樁的向下、向上摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，該工程取0.80。

自平衡單樁豎向承載力分析結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)該工程設(shè)計(jì)通過擴(kuò)大樁底面積的方式，將樁底設(shè)計(jì)在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖上是合理的。在中風(fēng)化埋深較深的地區(qū)采用AM旋挖擴(kuò)底灌注樁工藝，能夠有效減少樁長(zhǎng)，同時(shí)滿足承載力要求。

(2)該工程3#和8#試樁均支承于受球狀風(fēng)化體之上，實(shí)測(cè)向下Q-s曲線與其余3根支承于設(shè)計(jì)持力層的試樁，基本屬于同一模式，最大位移量也在合理的范圍內(nèi)。表明：基于該工程地質(zhì)條件，經(jīng)過合理的工藝和質(zhì)量控制后，采用厚度較大的球狀風(fēng)化體作為持力層，亦可達(dá)到極限承載力。

表3 基樁自平衡法抗壓靜載試驗(yàn)分析表

(3)3#和8#試樁雖樁長(zhǎng)較短，試驗(yàn)結(jié)果也能滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)過程中均未出現(xiàn)陡降段，亦無急劇增大趨勢(shì)。推算3#試樁樁側(cè)單位面積平均側(cè)阻力達(dá)到102kPa，高于相同直徑的1#樁約34%；而8#試樁在110%極限荷載下，荷載箱上下段仍能保持穩(wěn)定，樁側(cè)單位面積平均側(cè)阻力達(dá)到94kPa；試驗(yàn)結(jié)果高于巖土工程勘察資料給出的建議值；試驗(yàn)卸載過程，上段樁極小回彈量也從側(cè)面說明樁側(cè)摩阻力在上段樁下行過程中的作用。

(4)試樁樁底持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其壓縮性較高。該工程試樁樁身卸荷后回彈較小，樁身位移回彈量約為16%～25%，遠(yuǎn)低于嵌巖樁的回彈比例，表明在極限荷載下樁端巖土體已發(fā)生了較大的塑性變形。

(5)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)過程，樁身在荷載箱段上下位移之和，即荷載箱頂撐距離最大為37.96mm，且受上下段樁身側(cè)阻力的影響，卸載后仍有29.82mm。施工過程，隨著上部荷載的逐步施加，試驗(yàn)形成的空隙逐步閉合，與相鄰基樁形成較大的沉降差異，影響建筑的工后沉降，需及時(shí)注漿封閉，以保證上部結(jié)構(gòu)的安全使用。

3 結(jié)語

本文結(jié)合閩投營運(yùn)中心項(xiàng)目中自平衡法靜載試驗(yàn)的應(yīng)用，驗(yàn)證了自平衡法試驗(yàn)在該工程地質(zhì)條件下的適用性和AM旋挖擴(kuò)底灌注樁的承載能力，并為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

試驗(yàn)表明，基于該工程地質(zhì)條件，采用AM可視化旋挖擴(kuò)底灌注樁施工工藝，并將強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為持力層，可有效滿足承載力需求，并可有效減少樁身長(zhǎng)度。計(jì)算樁側(cè)單位面積平均阻力，相對(duì)于勘察報(bào)告提供的巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)有大幅提高。樁身卸荷后回彈較小，僅為位移的16%～25%，表明樁端巖土層在極限荷載下已發(fā)生了較大的塑性變形。