超大吨位灌注桩锚桩反力加补偿荷载静载检测设计及应用

李 峰，李天宝, 黄安虎

(安徽省建设工程测试研究院有限责任公司，安徽 合肥 230051)

0 引 言

对于超大吨位灌注桩静载试验，受限于检测设备、地质条件等原因，采用单一反力方式的常规静载检测难以实施，而采用两种反力方式共同作用则存在诸多技术难点。本文以一个工程实例介绍采用锚桩反力加补偿荷载静载检测设计及应用，效果良好。

1 工程概况

某工程位于合肥市庐阳区，商办楼拟建40层，楼高180 m，剪力墙结构，附属2～3层框架结构商业及1～2层地下车库。设计采用旋挖成孔水下灌注桩基础，设计桩长13.0～16.0 m，桩径1 200 mm，设计总桩数188根，桩端持力层为⑦层中风化泥质砂岩，岩石饱和抗压强度fr标准值为16.16 Pa，设计单桩承载力极限值28 200～32 500 kN，桩端进入持力层不小于4.0d(d为桩身直径)。基桩施工过程中发现部分基桩在进入桩端持力层后钻进较容易，且各桩桩端持力层岩石性状也不尽相同。根据以上情况，建设单位委托勘察专家对桩端基岩进行了鉴定，发现施工过程中易钻进基桩的桩端基岩饱和单轴抗压强度达不到16.16 MPa，拟根据试验结果决定后续的补强方案。

拟建场地土层自上而下为：

①层杂填土，层厚0.30～7.20 m，层底标高12.34～19.74 m。

②层粉质黏土，软塑～可塑状，层厚1.10～8.90 m，层底标高4.16～11.06 m。

③黏土，硬塑，层厚0.50～5.00 m，层底标高10.26～14.90 m。

④层粉质黏土夹粉土，可塑～硬塑，层厚2.00～10.60 m，层底标高4.01～9.64 m。

⑤层粉土夹砂，中密～密实，层厚3.60～10.50 m，层顶埋深6.00～12.30 m，层顶标高-2.72～1.82 m。

⑥层强风化泥质砂岩，场地中普遍分布。

⑦层中风化泥质砂岩。

2 技术难点分析

本工程的桩基检测的重点和难点主要来自常规大吨位的单桩竖向抗压静载试验，因试验最大加载值要求达到32 500 kN，最大试验反力能力要求近3 900t。如此大吨位的常规静载试验，无论是对设备、场地处理，还是对装配及组织实施等工作都提出了严峻挑战。项目组经仔细研讨分析，认为本次大吨位桩基静载试验的重难点主要有以下三个方面：

(1) 受场地条件限制，本工程采用常规的锚桩法或堆载法均不能够实现，需采用锚桩结合堆载两种反力形式，利用补偿荷载解决锚桩反力不足的问题，但与此同时，需解决反力协调工作的技术问题，主要涉及设备安装、地基沉降和千斤顶行程等问题。

(2) 虽采用锚桩提供反力，但补偿荷载(堆载量)仍达到2 400 t左右，因受锚桩的影响，所以使支墩底面积过小，且形状不规则，致使支墩底面压力平均值达400 kPa，而本工程场地位于合肥地区的河漫滩与一级阶地的过渡带地貌单元上，支墩持力层位于④层粉质黏土夹粉砂层，地基承载力特征值仅为160 kPa，且地下水位几乎位于支墩底标高，还需随时降水和排水，以免因水泡使地基承载力进一步降低，故地基需要加固处理。

(3) 锚桩结合堆载两种反力形式较复杂，同时本次静载试验加载吨位较大，经计算，使用的钢梁总重量约达185 t，再加上2 400 t的堆载量及堆锚结合，使堆载设备最高达14 m，设备的装配难度较大。

3 解决方案

针对本工程桩基静载试验所采用的堆锚结合两种反力协调工作的技术问题，由建设单位组织，设计单位及检测单位召开的关于本工程承载力检测的专题会议，形成最终检测技术方案，即本工程采用堆锚结合法为单桩竖向抗压静载试验提供反力，锚桩数量6根，设计每根提供反力3 000 kN，加固支墩所处土层，补偿荷载与锚桩反力共同协调作用，同时保证锚桩安全使用。

3.1 补偿荷载安装

3.1.1 补偿荷载系统支墩与千斤顶的架设

在试桩顶面铺设20 mm中粗砂并整平，将加载用5个800t千斤顶以试桩中心为对称点，均匀布置在试桩顶面。然后在处理后的碎石垫层上用石灰线标出各支墩的具体位置，进行支墩架设(图1)。每架设完一层支墩后需用精密水准仪对各支墩顶标高进行测量，当各支墩顶高差超过20 mm时，需用中粗砂对各支墩顶面进行调平。

图1 补偿荷载系统支墩架设示意图

3.1.2 堆锚平台架设

堆锚平台架设前，调直锚桩钢筋，使锚桩钢筋处于竖直状态,然后依次架设桩头垫板、千斤顶、主梁、堆锚主梁、锚桩次梁、锚桩吊篮、堆载次梁(图2)。架设过程中，严格控制各个堆载设备的位置及标高，确保堆载平台水平端正、千斤顶能顺利顶出并向试桩顶面施加压力。先加载设备将整个堆锚平台抬升50 mm并进行水平调整，然后进行锚桩钢筋与锚桩吊篮之间进行焊接，锚桩钢筋焊接好后，再将堆锚平台降到正常位置，进行配重块架设。配重块架设要求上部配重块分层相互咬合，每堆载2层后进行水平测量，高差大于20 mm的需进行垫砂调平(图3)。

图2 堆锚平台架设示意图

图3 堆锚平台安装完成效果图

3.2 补偿系统协调工作

由于本次试验需要锚桩系统与补偿荷载系统相互协调工作，方可完成本次静载试验，为了试验过程中很好的控制各系统之间的协调工作，设计如下：

(1)考虑锚桩上拔量不能过大，拟计划让堆载(补偿荷载)先充分发挥作用，再让锚桩开始提供反力，即在此过程中已考虑了设备的装配间隙、千斤顶行程和地基的沉降量等因素。

(2)试验开始后，补偿荷载先发挥作用，锚桩反力处于等待状态，利用事先测算好的位移量，当加载达到24 000 kN，锚桩反力发挥作用。

(3)整个试验过程，实时监控锚桩上拔量，要求不大于4 mm。

3.3 桩周地基及桩头部位处理

3.3.1 桩周地基处理

本工程地处河漫滩与一级阶地过度带，根据地质勘查报告，堆载平台底面位于④层粉质黏土夹粉砂层，地基承载力特征值仅为160 kPa，不能满足支墩的压力要求，经综合考虑，同时采用补偿设计和换填处理两种地基处理方案。此方案既能提高地基承载力，又能降低堆载难度，增加吊装的安全性。处理后的堆载平台地基承载力不得小于400 kPa，压实系数大于0.96(图4)。

图4 桩周地基处理示意图

3.3.2 桩头部位处理

(1)试验桩的桩头浇筑同桩身一同浇筑完成；

(2)按原设计基桩尺寸制作钢筋笼并同心；钢筋笼螺旋箍筋为φ8 mm@100 mm,钢筋笼外侧采用10 mm厚钢护筒进行加强围裹，钢护筒内直径1 800 mm，高1 800 mm，钢护筒中心与桩中心重合，且顶部水平。

(3) 加固钢筋笼顶部铺设1层钢筋网片，钢筋网片采用φ20 mm@100 mm×100 mm制作，钢筋网片距离桩顶75 mm。

(4)浇筑桩头的混凝土标号，采用C45混凝土，浇筑后桩顶平整，无钢筋外露。

4 现场检测情况

考虑到该试验桩后期将作为工程桩使用，根据设计单桩竖向抗压承载力特征值16 250 kN，预估最大加载值为32 500 kN，分九级，桩顶堆载24 000 kN，实验时采用2套EGO监控平台，其中一套监控试验桩位移，测试通道4道，另外一套监控6根锚桩桩顶位移，每根锚桩测试通道1道。

以其中120#桩为例，静载检测效果非常好，锚桩反力与补偿荷载系统相互协调，未出现偏心、不均匀等异常情况，检测工作顺利结束。从静载曲线看，Q-S曲线(图5)平滑，当荷载最大加至32 500 kN时，桩顶最大沉降量为11.92 mm，曲线未出现陡降，末级荷载作用下的桩顶沉降量为4.53 mm；从S-lgt曲线看，各级荷载对应的沉降曲线均较平坦，未见明显下弯；从卸载回弹情况看，完全卸载后桩顶残余沉降为5.46 mm，最大回弹量为6.46 mm，回弹率为54.19%。6根锚桩上拔量监控均未超过3 mm。试验结束后，分别对六根锚桩及试验桩进行低应变法完整性检测，桩身完整性均为Ⅰ类，桩身完好，可以作为工程桩继续使用。

图5 120#桩静载Q-S曲线图

5 结束语

超大吨位灌注桩，往往采用单一反力方式的常规静载试验难以检测，需要根据工程实际制定专门的检测方案。在制定检测方案时，要充分考虑并利用场地现有条件，对于采用锚桩法检测的，特别要验算侧摩阻力情况及工程桩保护，当锚桩反力不足以实施检测时，可以采用补偿荷载，但要采取措施保证锚桩反力与补偿荷载系统相互协调。