超長大直徑鉆孔灌注樁自平衡法試驗研究
——以海峽西岸某標志性建筑為案例

陳 旻

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建福州 350025； 2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

近十幾年來，我國超高層建筑方興未艾，超長大直徑灌注樁大量使用，承載力要求越來越高，對樁基礎的設計、施工、試驗提出了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的靜載試驗是確定樁基承載力最直接、最可靠的方法，但傳統(tǒng)的堆重平臺反力法、錨樁反力法由于場地局限性、經(jīng)濟性、安全性等方面原因，應用于高承載力的靜載試驗時存在相當大的難度。

自平衡法靜載試驗自20世紀80年代美國西北大學JOsterberg教授研制成功以來，在世界各地得到了相當大的推廣應用，該試樁方法擺脫了傳統(tǒng)堆載或錨樁等反力裝置的限制，具有不受場地條件限制、試驗安裝占用場地小、基本不影響施工進度、安裝作業(yè)簡單且安全風險小等明顯優(yōu)點，特別是能進行超高承載力的測試，為超長大直徑灌注樁的承載力測試提供了一種相對可靠的直接試驗方法。東南大學龔維明教授在我國最先開展該試樁方法的應用研究，福建省建筑科學研究院也在福建省開展了相關的研究，并于2014年制定了關于這種試樁方法的福建省地方標準[1]，由東南大學主編的住建部行業(yè)標準[2]也于2017年頒布實施。

本文以福建省某標志性建筑樁型采用超長大直徑鉆孔灌注樁，試驗樁靜載試驗設計要求的最大加載值高達55 000 kN，采用自平衡試樁法為工程案例。通過自平衡法、樁身內(nèi)力測試及鉆芯法等方法，檢測得到單樁豎向抗壓極限承載力、樁周各土層側摩阻力及砼試件抗壓強度檢測值等參數(shù)，對試驗樁的承載性狀及樁身混凝土抗壓強度等進行了深入分析。

1 工程概況

該項目位于福州市區(qū)，占地面積40余畝，總建筑面積約30萬m2，建筑高度預計518m，涵蓋白金五星級酒店、辦公、soho及公共配套等為一體的海峽西岸標志性建筑。揭露巖土層自上而下為：①雜(素)填土；②粉質(zhì)粘土；③淤泥；④砂質(zhì)粘土；⑤中砂；⑤-1泥質(zhì)中砂；⑤-2粉質(zhì)粘土；⑥淤泥質(zhì)土(夾砂)；⑦粉(砂)質(zhì)粘土；⑦-1粉砂；⑦-2中砂：⑦-3淤泥質(zhì)土(夾砂)：⑧中砂；⑨碎卵石：⑨-1含卵礫石粉質(zhì)粘土：⑨-2圓角礫；⑩-1砂土狀強風化花崗巖(1)；⑩-2砂土狀強風化花崗巖(2)；⑩-3碎塊狀強風化花崗巖；中(微)風化花崗巖。

該標志性建筑樁基設計等級為甲級，樁型采用鉆孔灌注樁，試驗樁樁長90m～103m，樁徑1300mm，設計砼強度水下C50，樁端持力層為中(微)風化花崗巖，樁底高壓注漿，靜載試驗要求的最大加載值均為55 000 kN。迄今為止，該項目鉆孔灌注樁的樁長、設計混凝土強度及靜載最大加載值均為福建民用建筑之最。

2 試驗方法

2.1 試驗概況

由設計和勘察單位指定，對編號為TS1#、TS2#、TS3#、TS4#的4根試樁進行以下檢測項目：

(1)采用自平衡法靜載荷試驗檢測單樁豎向抗壓極限承載力；

(2)進行樁身內(nèi)力測試，測得主要土層的樁身側摩阻力；

(3)采用聲波透射法檢測樁身完整性；

(4)采用超聲波法進行成孔質(zhì)量檢測；

(5)采用鉆芯法檢測樁身混凝土強度。

各試驗樁參數(shù)如表1所示，各試驗樁周土層分布如圖1所示。

2.2 自平衡法靜載試驗

自平衡法靜載試驗，即在樁身平衡點位置安裝荷載箱，在地面對荷載箱施加荷載，推動荷載箱上下樁段位移，以同時測得荷載箱上、下部樁段的承載力，下部樁段為抗壓承載力，上部樁段為抗拔承載力。根據(jù)《建筑基樁自平衡法靜載試驗技術規(guī)程》(JGJ/T 403-2017)[2]，單樁豎向抗壓極限承載力按公式(1)計算：

(1)

式中：

Qu為單樁豎向抗壓承載力極限值(kN)；

Quu為上段樁的極限加載值(kN)；

Qud為下段樁的極限加載值(kN)；

W為荷載箱上段樁自重(kN)；

γ1為受檢樁的抗壓摩阻力轉換系數(shù)，據(jù)該工程地質(zhì)資料及樁型取γ1=0.90。

荷載箱內(nèi)部構造如圖2所示，現(xiàn)場埋設圖如圖3所示。

圖3 荷載箱現(xiàn)場埋設圖

2.3 樁身內(nèi)力測試

在緊鄰荷載箱上部、主要土層的分界面及較厚土層的中間點位置附近設置測試面，每個測試面上均安裝了4個鋼筋計，樁身內(nèi)力測試數(shù)據(jù)按下列要求進行分析整理[3]，如圖4所示。

圖4 鋼筋應力計現(xiàn)場埋設圖

(1)標定斷面鋼筋混凝土的應力應變回歸方程

實測各級荷載下標定斷面鋼筋應力計的頻率值，通過鋼筋計的率定方程得到力值，從而得到斷面的樁身應變值，各級荷載換算成相對應的樁身應力值，經(jīng)回歸分析，可以得到各試樁標定斷面樁身應力和樁身應變關系方程。

σ=a1ε+a2ε2

(2)

(2)各斷面處樁身軸力計算

(3)

式中：

Qij為在第j級荷載作用下的樁身第i斷面處軸力;

σij為在第j級荷載作用下的樁身第i截面軸向應力平均值(應剔除異常測點數(shù)據(jù));

Es為鋼筋的彈性模量;

A為樁身截面面積。

(3)樁側土的分層平均側阻力計算

qsij=(Qij-Qi+1,j)/Fi

(4)

式中：

qsij為在第j級荷載作用下的第i樁段(第i斷面與i+1斷面之間)土層平均樁側阻力;

Fi為第i樁段的側表面積。

(4)樁端阻力計算

qpj=Qnj/A0

(5)

式中：

qpj為在第j級荷載作用下的樁端阻力;

Qnj為在第j級荷載作用下的樁端軸力;

A0為樁端截面積。

3 試驗結果分析

3.1 自平衡法靜載試驗結果

TS1#、TS2#、TS3#、TS4#試驗樁成孔后，均采用超聲波法進行成孔質(zhì)量測試。測試結果表明，各試樁的成孔垂直度、孔徑、孔深均滿足設計要求。

混凝土灌注28d后自平衡法靜載試驗前，采用聲波透射法對各試樁進行樁身完整性檢測，檢測結果表明各試樁樁身完整。

自平衡法靜載荷試驗按《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ 106-2014)[4]與《建筑基樁自平衡法靜載試驗技術規(guī)程》(JGJ/T 403-2017)[2]的有關規(guī)定進行，試驗加荷方式為慢速維持荷載法。各試樁自平衡法靜載試驗結果如表2所示，荷載-上下位移(Q-s)曲線如圖5所示。

表2 基樁自平衡靜載試驗結果

參加統(tǒng)計的4根鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓極限承載力，其極差未超過平均值的30%，取其平均值55 347kN為單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值，本試樁工程同一條件下φ1300鉆孔灌注樁的單樁豎向抗壓承載力特征值，按單樁豎向抗壓極限承載力統(tǒng)計值一半取為27 673kN。

圖5 各試樁Q-s曲線

基樁的荷載-沉降(Q-s)曲線，是單樁荷載傳遞特征的宏觀反映，主要可分為陡降型和緩變型。TS1#試樁的每級荷載增量為5500kN，當施加荷載至55 000kN時，荷載箱上樁段的本級位移增量大于前一級位移增量的5倍，且荷載箱上樁段的位移總量超過40mm，上段樁達到極限承載狀態(tài)，取24 750kN為上段樁的極限加載值。與此同時，安裝于樁頂?shù)亩阎仄脚_發(fā)揮作用，荷載箱下段總位移小于40mm，未達極限承載狀態(tài)；取27 500kN為下段樁的極限加載值。TS2#、TS3#、TS4#試樁的每級荷載增量均為5 500kN，最大試驗荷載均加至55 000kN，荷載箱上段位移均小于40mm，均未達到極限承載狀態(tài)，取27 500kN為上段樁的極限加載值；荷載箱下段位移均小于40mm，均未達到極限承載狀態(tài)，取27 500kN為下段樁的極限加載值。

荷載箱下樁段為樁端嵌固段，從4根試樁的荷載箱下段的Q-s曲線相比較可知，向下總位移值分別為6.02mm、19.64mm、26.02mm、14.76mm，差異性很大。究其因，主要是由于前幾級的加載產(chǎn)生的位移量差別較大所致。向下總位移值主要由下樁段、樁底沉渣及樁底巖層3部分的壓縮量構成，對于4根試樁，下樁段和樁底巖層的壓縮量相比差別很小。可見，向下總位移值的差異性，主要是由各試樁樁底沉渣厚度不同引起了壓縮量的差異。據(jù)此可以推斷，TS1#試樁樁底基本沒有沉渣，而TS2#、TS3#、TS4#3根試樁可能存在一定程度的沉渣或沉渣固結物。前幾級的加載過程中，樁底的沉渣有個壓密實的過程；而后幾級的加載過程中，樁底沉渣壓密后樁端位移又進入收斂階段。可見，樁底清渣效果和樁底高壓注漿效果是影響樁端嵌固段承載力的關鍵因素。對于樁端嵌固效果良好的超長嵌巖樁，其樁頂沉降絕大部分由樁身壓縮引起，設計時提高樁體剛度可顯著降低樁頂沉降量。

3.2 樁身內(nèi)力測試結果

TS1#、TS2#、TS3#、TS4#的4根試樁標定面應力應變回歸方程(2)的系數(shù)如表3所示。系數(shù)a1實際就是標定面的樁身鋼筋混凝土的彈性模量，樁身混凝土設計強度等級C50所對應的彈性模量為3.45×104N/mm2，而a1值高達3.77～3.90×104N/mm2，大于C75甚至C80混凝土的彈性模量。從表4可知，試樁下部芯樣試件抗壓強度檢測值為66.3～81.3 MPa(遠大于樁身砼設計強度等級C50)，加上鋼筋籠的作用，標定面樁身鋼筋混凝土的彈性模量非常高。

表3 試樁回歸方程系數(shù)

表4 受檢樁砼芯樣試件抗壓強度檢測值

試驗實測鋼筋應力值，按式(3)計算可得各試樁軸力分布如圖6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，由于荷載箱埋設于樁端附近，各試樁的軸力從樁端逐步發(fā)揮，樁端附近土層樁身側阻力最先發(fā)揮。隨著載荷箱施加荷載的增大，軸力也隨之加大，逐步沿樁身往上傳遞，而同時相應的樁周土層的側摩阻力也隨之逐步向上激發(fā)。當載荷箱施加的荷載接近上樁段的極限承載力時，樁身下部土層的樁側摩阻力趨于穩(wěn)定甚至有些弱化，而樁身上部土層的樁側阻力逐漸發(fā)揮。當載荷箱施加的荷載達到上樁段的極限破壞狀態(tài)時，樁身下部土層的樁身側摩阻力發(fā)揮已穩(wěn)定或弱化加大，而樁身上部土層的樁身側摩阻力已充分觸發(fā)。可見，樁身從下往上的樁周各土層的側摩阻力發(fā)揮是一個異步過程。

其中，TS1#試樁加載到最后一級荷載時，樁頂軸力達到了5100kN，由此現(xiàn)象可知，載荷箱施加的荷載已超過了該試樁上樁段提供的反力，上樁段達到了極限承載狀態(tài)，樁頂?shù)亩演d配重被動對樁頂施加了荷載約5100kN；而其他3根試樁加載至最后一級時，樁頂軸力為零，可見載荷箱施加荷載未傳遞至樁頂，相應的樁頂附近的土層樁身側阻力未觸發(fā)，表明這3根試樁的上樁段均未達到極限承載狀態(tài)。

需要注意的是，上樁段因加載觸發(fā)的樁身側阻力為抗拔側阻力，而非通常的基樁抗壓狀態(tài)的樁身側阻力。雖然樁身混凝土是處于抗壓狀態(tài)，但是上樁段是向上位移，樁周土層相對向下位移，因此，所測得的樁身側阻力為抗拔側阻力。

(a)TS1#試樁 (b)TS2#試樁

根據(jù)式(4)和(5)計算得到該工程主要土層樁側抗拔側阻力實測極限值為：⑩-3碎塊狀強風化花崗巖qsi=171-203kPa；⑩-2砂土狀強風化花崗巖qsi=87-104kPa；⑩-1砂土狀強風化花崗巖qsi=75-86kPa；⑨碎卵石qsi=80-92kPa；⑦粉(砂)質(zhì)粘土qsi=41-48kPa；⑥淤泥質(zhì)土(夾砂)qsi=10-13kPa；⑤-1泥質(zhì)中砂qsi=37kPa；⑤中砂qsi=34-46kPa；④砂質(zhì)粘土qsi=23-29kPa；③淤泥qsi=8kPa。

3.3 鉆芯法檢測樁身砼強度結果

依據(jù)JGJ 106-2014規(guī)范相關條款規(guī)定，每根試樁鉆孔數(shù)量為2個孔(A孔、B孔)，每個鉆芯孔截取芯樣試件4組，每組混凝土芯樣制作3個抗壓試件進行抗壓強度試驗。每根試樁砼芯樣試件抗壓強度的確定應符合下列規(guī)定：取一組3塊試件抗壓強度值的平均值，作為該組砼芯樣的試件抗壓強度檢測值[4]；取同一受檢樁不同深度位置的砼芯樣試件抗壓強度檢測值中的最小值，作為該樁砼芯樣試件抗壓強度檢測值[4]。TS1#、TS2#、TS3#、TS4#試樁混凝土芯樣試件抗壓強度檢測值分別為66.8MPa、66.3MPa、72.4MPa、68.8MPa，其中TS4#試樁一組試件抗壓強度值的平均值高達81.0MPa，遠大于砼設計強度等級C50。各試樁的混凝土芯樣試件抗壓強度如表4所示。

混凝土芯樣試件抗壓強度并不等于混凝土強度等級(立方體抗壓強度標準值)，JGJ 106-2014規(guī)范條文說明提到：大部分實測數(shù)據(jù)表明芯樣試件抗壓強度低于立方體試件抗壓強度，也有一些實測數(shù)據(jù)表明芯樣試件抗壓強度還大于立方體試件抗壓強度，兩個強度的比值(折算系數(shù))差異性很大(0.689～1.106)。所以，檢測規(guī)范不采用統(tǒng)一的折算系數(shù)，來反映混凝土芯樣試件抗壓強度與混凝土立方體試件抗壓強度的差異[4]。JGJ 106-2014規(guī)范第7.5.4條款提到：“混凝土芯樣試件抗壓強度可根據(jù)本地區(qū)的強度折算系數(shù)進行修正”[4]。目前，廣東省地方標準《建筑地基基礎檢測規(guī)范》(DBJ/T 15-60-2019)中已規(guī)定該折算系數(shù)為0.88[5]，而福建省還未開展相應的對比試驗，也未在福建省的地方標準或相關的文件中提供有地區(qū)代表性的芯樣試件抗壓強度折算系數(shù)，這對鉆芯法檢測樁身混凝土強度的評定造成了不少困擾。因此，在實際檢測中往往不進行強度折算(沒有依據(jù)進行強度折算)，得出的受檢樁砼試件抗壓強度檢測值直接和樁身混凝土設計強度等級比較，評定是否滿足設計要求。

4 結論

(1)在超高承載力測試中，自平衡法靜載試驗相比傳統(tǒng)的靜載試驗具有不受場地條件限制、試驗安裝占用場地小、基本不影響施工進度、安裝作業(yè)簡單且安全風險小等明顯優(yōu)勢，為超長大直徑灌注樁的承載力測試提供了一種相對可靠的直接試驗方法。

(2)自平衡法測試過程中，上段樁的荷載傳遞機理與工程樁的實際受力條件不盡一致，雖然上樁段樁身混凝土是處于抗壓狀態(tài)，但上樁段是向上位移的，樁周土層相對向下位移，樁身內(nèi)力測試所得的樁身側阻力為抗拔側阻力，而非通常的基樁抗壓承載狀態(tài)時的樁身側阻力。

(3)超長樁樁周土層樁側摩阻力的發(fā)揮是一個異步的過程，大部分土層會出現(xiàn)不同程度的側阻弱化現(xiàn)象。樁底清渣效果和樁底高壓注漿效果是影響樁端嵌固段承載力的關鍵因素。對于樁端嵌固效果良好的超長嵌巖樁，其樁頂沉降絕大部分由樁身壓縮引起，設計時提高樁體剛度可顯著降低樁頂沉降量。

(4)芯樣試件抗壓強度與立方體試件抗壓強度的比值即折算系數(shù)，JGJ 106-2014規(guī)范未做統(tǒng)一規(guī)定。福建省未在地方標準或相關的文件中提供該折算系數(shù)，這對鉆芯法檢測樁身混凝土強度的評定造成了不少困擾，急需開展詳盡的對比試驗，得出福建省有地區(qū)代表性的芯樣強度折算系數(shù)。