福州軟土地區灌注樁的大噸位靜載試驗工藝設計分析與研究

黃 健

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，國家越來越重視基礎設施建設，項目規模也在不斷增加，對基樁承受的豎向荷載要求將會不斷提高。因此，未來針對大噸位靜載試驗，也將會有更加嚴格的要求。大噸位靜載試驗堆載平臺加固，常用的做法，是對表層土進行換填壓實處理，這種情況很容易會出現主梁沉降過大，導致未試驗先預壓，試驗數據失真。且如果兩邊支墩沉降不均，會造成反力平臺傾斜，導致試驗無法進行，甚至有傾覆的危險。因此，軟土地區大噸位靜載試驗的關鍵點，是防傾覆和預防預壓。本文針對福州某工地幾種地基加固處理進行分析，從而探尋一種更為經濟安全的方式，保證堆載平臺的穩定。并通過分析軟土地區靜載試驗，研究軟土地區卵石層能否作為高層建筑的樁基礎持力層。

1 工程概況和地質條件

該項目位于福州市，總用地面積40 154.8 m2，擬建8幢45～55層住宅樓 (1#-9#樓)。這8幢均為超限高層建筑，建筑物高度140 m～175.30 m。該建筑采用剪力墻結構，對不均勻沉降十分敏感，主樓之間是兩層地下室框架結構。擬建物主要采用的是樁基礎，其中樁身強度采用的是C40砼，長度為48 m，樁端持力層選取的是卵石層，主要采用樁底和樁側后注漿工藝。根據設計要求，單樁的豎向抗壓承載力特征值為11 000 kN，為評價大直徑灌注樁的實際承載力，因此在其中隨機挑選3根，進行豎向抗壓靜載試驗。

根據地勘報告，靜載試驗樁所在位置各土層主要物理力學參數如表1所示，靜載試樁的施工記錄情況如表2所示，樁周土層的柱狀圖如圖1所示。

表1 場地各巖土層主要物理力學指標

表2 3根試樁基本資料

圖1 試樁地質柱狀圖

2 試樁靜載試驗方案設計

2.1 現有壓重平臺地基土承載力問題

該工程單樁豎向抗壓極限荷載是22 000 kN，加載反力裝置需提供不小于26 400 kN的反力，平臺支座上次梁的重量為600 kN，底座水泥塊的重量為48個×24.5 kN/個=1176 kN；支承平臺的水泥塊尺寸為1.6 m×0.8 m×0.8m，共8排，每排6個，共計48個，平臺的面積為48個×1.6m×1.6m=122.88 m2；堆重平臺表層雜填土承受的壓應力為：

f=(26 400 kN+600 kN+1176 kN)/122.88 m2=229 kPa

結合《建筑基樁檢測技術規范》[2]，加載反力裝置所提供的反力不得小于靜載試驗最大加載值的1.2倍，并且壓重施加于地基的壓應力不宜大于地基承載力特征值的1.5倍。根據勘察報告，支座底部表層土為雜填土，雜填土的地基承載力特征值fak為80 kPa,f>1.5fak，故現有場地不滿足要求，需要對地基進行加固處理。

本場地表層雜填土下面一層為淤泥，該層具有強度低、壓縮性高和透水性很小的特點。雖然下臥層承受的荷載雖然很小，但因為是軟弱下臥層，因此除了驗算表層土的地基承載力外，還需驗算軟弱下臥層的地基承載力。地表約3 m以下為軟弱土，按擴散角θ=30°進行驗算，軟弱土需承受187 kPa的壓力，軟弱土強度也無法滿足要求。因此，必須對表層地基土采取加固手段，增加其承載力。

2.2 壓重平臺地基土加固方案選擇

傳統的淺地基加固方法有墊層法、置換法和擠土法?？紤]到壓重平臺地基土加固處理屬于臨時性處理，且為保證安全壓重平臺應盡量越低越好，故墊層法和排擠法不適宜用于壓重平臺地基土加固處理。換填法處理一般的處理步驟有，在試樁周圍14 m的范圍內，挖除表層雜填土，回填以磚渣土或者建筑垃圾，回填厚度為2.5 m。并采用20 t壓路機加以分層碾壓，分三層機械碾壓。根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2012)[3],碎石、礦渣達到壓實標準后的地基承載力可達200～300 kPa。本項目取低值200 kPa，亦滿足要求。通過估算，換填方量為14 m×14 m×2.5 m=490 m3，按照目前市場行情，換填磚渣機械費和材料費為60元/m3，每根靜載試驗樁的場地處理費約為30 000元。該項目位于市區，磚渣材料供應極為困難，換填處理耗時耗力，且無法做到重復利用。因此，從經濟性和效益性方面考慮極不劃算，需要另外找到一種能夠加強地基承載力的方法。

根據分析研究樁位平面圖，與靜載試驗樁同一軸線上存在著等間距的兩根工程樁，樁間距為3 m。可以使用試樁鄰近的工程樁，將其安置在長度為12m的大主梁底下，以便一起承擔起平臺的荷載。當荷載較小時，兩側承臺的地基土可以承擔所有的重量，一旦荷載增大，重量則可以轉移到主梁，主梁下的支撐樁起到承擔的作用，堆載工作結束時，支撐樁可以完全承擔平臺的荷載。具體位置示意圖如圖2所示。

圖2 具體位置示意圖

2.3 試驗樁及支撐樁施工要求

支撐樁及試驗樁都應灌注到地面，試驗樁樁頂標高與施工現場地面標高距離1.5 m,試驗樁頂和設計樁頂兩處需設計箍筋加密區，其他配筋同原工程樁。支撐樁與試驗樁應在一條軸線上，為等間距，且樁間距一般不得超過4.0 m。施工時樁位放樣應減少誤差，樁位偏差嚴格控制在50 mm,施工中的泥漿池應布置在離試驗樁14 m之外。樁頭是靜載過程中樁身應力最大的位置，需要對試樁及相鄰的兩個支撐樁樁頭進行加固，防止試驗過程中樁頭破壞。灌注樁應先鑿掉樁頂部的破碎層和軟弱混凝土，主筋應全部直通至樁頂混凝土保護層下，保持各主筋在同一高度上。靜載試驗時樁頂離地面高差約1.7 m，在距樁頂1.5倍樁徑范圍內設置箍筋，間距不宜大于100 mm，樁頂應設置間距為100 mm的鋼筋網片3層[1]。在本方案中，樁頭的混凝土標號為水下C50砼，并且還需要保證樁頭和樁身的中軸線完全重合，保證樁頂完全平整，以確保堆載的重量能夠平穩地進行傳遞。

2.4 壓重平臺堆載

為了滿足壓重平臺的承載要求，本項目經過力學方面的驗算，采用主梁和次梁相結合的方式，用來滿足結構的承載力以及變形的剛度。其中主梁為大鋼梁，數量為4根，長度為12 m，高度為1.5 m，次梁主要選的雙拼56b鋼梁，長度為12 m，數量為30根。安裝時必須一層一層均勻進行，還要保證平臺兩側的對稱性，堆放的層數不能超過一層的差距。上下層的安裝，需要錯位安裝，確保能夠使整個壓重平臺形成一個整體結構。安裝時，應確保試樁的橫截面形心、千斤頂的合力中心及混凝土預制塊壓重平臺的重心重合。本次靜載壓重平臺堆載過程符合試驗前設計的目標，支座沉降較小，堆載的配重能夠向支撐柱進行平穩傳遞，而不會出現平臺傾斜等狀況。靜載設備堆載圖如圖3所示。

圖3 靜載設備堆載圖

2.5 靜載試驗方法

在進行靜載試驗之前，首先需要檢測樁身的完整性，主要采取的方法為聲波透射法以及低應變法。檢測發現3根試樁的樁身十分完整，并且全部屬于I類樁。在該工程中，單樁豎向抗壓靜載試驗完全按照樁基的設計文件，并且完全符合《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)[2]。試驗所用的設備主要是液壓千斤頂，具體的型號為630T，需要的數量為6臺。在試驗過程中，6臺千斤頂并聯進行工作；樁頂沉降采用大量程的位移傳感器量讀，在試樁的兩個方向對稱安裝4個位移傳感器，位移傳感器的分度值/分辨力為0.015 mm，測量誤差小于0.1%FS。

靜載加載分級進行，逐級等量加載；每級荷載是2200 kN(最大試驗荷載22 000 kN的1/10)，第一級加載量取分級荷載的2倍(4400 kN)。加載到最大試驗荷載且滿足穩定標準后，分5級卸載，逐級等量卸載，每級卸載量取加載時分級荷載的2倍(4400 kN)。該工程靜載試驗主要采用的慢速維持荷載法，每級荷載施加后分別按第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min記錄樁頂沉降量，以后每隔30 min記錄一次；每一小時內的樁頂沉降量不超過0.1 mm，并連續出現兩次即表示基樁已經符合穩定標準，方可施加下一級荷載，直到達到22 000 kN的最大試驗荷載。

3 靜載試驗結果分析

靜載試驗進展順利，3根試樁實測的荷載-沉降(Q-s)曲線均呈緩變形，未出現在某一級荷載作用下樁頂陡降、樁頭破裂或其他異常情況。當達到試驗荷載最大值也即22 000 kN的作用下，各試驗樁全部達到一種穩定的狀態，樁頂的沉降量全部在60 mm(0.05D)以內，說明沉降范圍可控，并且沒有出現增加。試樁狀態未出現極限狀態。靜載荷試驗結果見表3，3根試樁的荷載-沉降(Q-s)曲線如圖4所示。

表3 靜載試驗成果表

(a)試樁S1

從圖4試樁的荷載-沉降(Q-s)曲線可以看出：

(1)試樁S1：加載至11 000 kN時，樁頂累計沉降量僅為8.42 mm；加載至最大試驗荷載22 000 kN時，樁頂累計沉降量為24.95 mm；卸載至零后測得回彈量為16.93 mm，樁頂殘余沉降量為8.02 mm。

(2)試樁S2：加載至11 000 kN時，樁頂累計沉降量僅為10.86 mm；加載至最大試驗荷載22 000 kN時，樁頂累計沉降量為29.28 mm；卸載至零后測得回彈量為15.16 mm，樁頂殘余沉降量為14.12 mm。

(3)試樁S3：加載至11 000 kN時，樁頂累計沉降量僅為11.20 mm；加載至最大試驗荷載22 000 kN時，樁頂累計沉降量為26.52 mm；卸載至零后測得回彈量為17.66 mm，樁頂殘余沉降量為8.86mm。

根據靜載試驗結果和荷載-沉降(Q-s)曲線，這3根試樁在最大試驗極限荷載22 000 kN作用下，樁頂累計沉降量平均值為26.92 mm，極差4.33是平均值的16.1%。3根試樁在各級豎向荷載作用下的樁頂沉降較為接近，沉降量的離散性不大，未出現因樁端沉渣較厚，導致沉降明顯增大的現象。

由于本項目對樁基的承載力和沉降要求高，沖(鉆)孔灌注樁施工時穿透深厚的卵石層難度大，施工工期長、費用高，因此設計文件沒有采用中-微風化花崗巖作為樁端持力層，而是采用上部的卵石層作為樁端持力層，并采用樁底和樁側后注漿工藝。通過后壓漿固化樁底沉渣及加固樁底及樁側的土體，注漿導管采用φ25×3.2(內徑25 mm)，樁端和樁側注漿管數量各為3根，樁端注漿管沿鋼筋籠內側對稱布置，樁側注漿管沿鋼筋籠外側對稱布置，后壓水泥漿水灰比宜控制在0.5～0.6左右，注漿速度為50L/每分鐘，壓力值3～10 MPa。注意先進行樁側注漿施工，后進行樁底注漿。靜載試驗結果表明：采用卵石層作為樁端持力層，結合樁端和樁側后注漿技術可以達到較大的單樁的極限承載力，且離散性不大。

4 結語

按照本文提及的靜載地基處理加固工藝，可以減少支墩受力，消除大噸位靜載試驗中可能出現影響試驗結果的誤差，去偽存真，并且在節約成本的基礎上大大縮短工期。通過該工程靜載試驗結果分析，大直徑灌注樁采用卵石層作為樁端持力層，并結合樁端和樁側后注漿技術，可以獲得較大的單樁的極限承載力，具有一定的借鑒意義。