利用组合式钢箱梁进行深基坑内超大直径钻孔灌注桩的静载试验

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况[1,2]

某工程由办公塔楼及商业裙房组成，塔楼为地上59 层，高289 m；商业裙房为地上4 层，高22 m。区域整体设置3 层地下室，采用桩筏基础。地块基坑面积约为14 000 m2，基坑设计深度16 m。

钻孔灌注桩类型为端承摩擦桩，桩长16 m，桩径1 300 mm，嵌岩1 000 mm。由于桩侧摩阻力和桩端阻力在很大程度上受施工影响，为确保单桩承载力满足设计30 000 kN要求，桩须进行静荷载垂直抗压试验检验，以确定被检测桩的轴向抗压承载能力，为工程验收提供可靠依据。设计要求基桩静载吨位为30 000 kN，根据基桩静载试验承载力和基桩抗拔力，现场按规范要求选择一定比例的桩进行试验。下文以A44桩为例（图1），详述整个静载试验过程。以A44桩周边16 根桩作为锚桩进行静载试验。

图1 桩位平面示意

2 反力架设计[3]

为满足基桩30 000 kN承载力，试桩反力架设计由5层叠合井字形组合钢箱梁组成（图2）。钢箱梁为1 300 mm×700 mm×12 mm×20 mm和980 mm×800 mm×20 mm×40 mm共2 种规格。为防止加载过程中钢平台应力作用产生较大变形，每层钢箱梁间通过加劲板焊接连接，并在第3、4、5层局部区域通过20a#槽钢对平台进行加强处理，经过MIDAS建模计算，整体组合式反力架满足试验要求。

3 加载方案确定

锚桩相对A44试验桩呈放射状，若内外锚桩同时加载时内圈6 根桩先受力。由于钢箱梁自身特点，受力过程中存在一定的变形。如果所有锚桩同时进行加载，加载过程中，整个拉力主要分布在内圈6 根桩上，可能引起部分锚桩受力超限，从而导致整个试验的失败。为确保锚桩受力在可控范围内，分两阶段对锚桩进行加载。第一阶段：对外围10 根锚桩进行加载，加载至某临界值；第二阶段：同时对16 根锚桩进行加载。根据不同的堆载量和加载量，设计了2 个加载过程方案，对加载过程进行了受力分析，通过加大堆载质量和降低千斤顶加载量选定了相对安全的加载方案。

3.1 方案一

反力架堆载200 t，第一阶段：千斤顶向上加载至19 000 kN，此时外圈锚桩最大拉力为2 350 kN；第二阶段：焊接内圈锚桩，千斤顶从19 000 kN分级逐步加载至30 000 kN，此时锚桩最大拉力为2 370 kN。根据方案一模型计算：锚桩最大拉力为2 350 kN。 而由于单桩受力的不均匀性，可能引起单个锚桩最大拉力大于设计拉力，而引起整个试验失败。为确保整个试验过程有效实施，减少第一阶段锚桩最大反力。通过加大堆载质量和降低千斤顶加载量来实现。

3.2 方案二

反力架堆载400 t，第一阶段千斤顶向上加载至18 000 kN，此时外圈锚桩最大拉力为1 900 kN；第二阶段焊接内圈6 根锚桩，千斤顶从18 000 kN分级逐步加载至30 000 kN，此时锚桩最大拉力为2 330 kN。

根据方案二模型计算，第一阶段锚桩最大拉力为1 900 kN，小于单桩承受最大设计拉力2 375 kN。在第二阶段加载过程中，锚桩受力情况重新进行了分配，此时锚桩最大反力为2 150 kN，确保了整个加载过程安全进行。

根据2 个加载方案的比较，现场选择方案二的加载过程进行试验。

4 反力架安装设备及围护结构安全分析[4,5]

反力架钢箱梁最重为11.2 t，由于A44桩离基坑边距离较远，结合现场情况选择安装设备为4 500 kN汽车吊。

由于作业条件限制，4 500 kN汽车吊停车位置为基坑北侧。通过数值模拟分析，得出吊装工况下土体及围护结构的内力和变形情况。当进行吊装时，围护结构最大水平位移4.4 mm，基坑整体稳定性和基坑变形控制指标均满足相应标准要求。

5 现场实施

5.1 桩头处理

根据基桩检测相应规程要求，对A44桩的桩头进行了加固处理（图3），桩顶采用厚10 mm钢护筒，护筒内浇筑比桩身高一等级的混凝土对基桩进行接长和加固处理。

试验桩周围的16 根工程桩作为锚桩提供反力，为确保锚桩与反力架有效连接，反力架与锚桩通过钢护筒进行连接。钢护筒底部通过与锚桩顶钢筋双面焊接连接，钢护筒顶部通过加劲钢板焊接与钢箱梁连接。

图2 反力架模型

图3 桩头处理示意

5.2 反力架和加载设备安装

4 500 kN汽车吊停机于基坑北侧，首先安装锚桩顶部钢护筒，待焊接完毕后，分层吊装钢箱梁并焊接，每层钢箱梁间通过加劲板焊接。加载设备通过吊车就位至A44桩周围后，根据分布图从下至上分别安装至桩顶就位。

5.3 静载试验

加载系统组装完毕后按前文所述的方案二进行静载试验，初始稳定加载值为6 000 kN，之后每次以3 000 kN加载量进行分级加载，详细荷载分级（kN）：6 000→9 000→12 000→15 000→18 000→21 000→24 000→27 000→30 000。每次千斤顶加载至分级值后，保持加载值稳定2 h，期间观测试验桩的变形情况。

5.4 应力监测

根据单桩承载力特征值的要求，本次试验最大控制荷载为30 000 kN。试验过程中对全部16 根锚桩拉力进行监测，根据监测结果分析，整个过程中，钢护筒之间受力存在一定的差异，但阶段受力情况与模型计算结果较吻合。

5.5 变形监测

为了保障施工过程基坑安全，在基坑北侧围护区域和停车区域设置了多个监测点，每天上、下午各测量1 次，主要监控基坑北侧路面的沉降，并通过该区域的测斜孔监控围护墙体的位移情况。整个施工过程中，由于采取了相对有效的措施，最终路面的沉降和围护墙体的位移均未达到预警值，对基坑影响较小。

5.6 试验结果

反力架加载至30 000 kN，经测量A44桩累计沉降为4.34 mm，2 h后开始卸载，卸载完毕后，残余沉降量为0.72 mm。

6 结语

工程中结合现有钢箱梁设计了组合式反力架，成功地在基坑内完成了静载试验，解决了基坑内进行超大直径灌注桩试验的难题。这对其他工程中桩的静载试验有一定的指导作用，值得借鉴。