超长冲孔灌注桩单桩竖向抗压静载试验研究

唐 军

(福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 泉州 350109)

1 概述

随着城镇化进程的不断加快，高层建筑及超高层建筑不断涌现，具有较高承载力和良好的抗震性能的冲孔灌注桩得到了广泛应用。一般而言，单桩竖向抗压静载荷试验是确定冲孔灌注桩极限承载力的一种比较直观、可靠的原位测试方法。由于超长冲孔灌注桩具有设计极限承载力大、场地地基承载力较小、桩周土层地质条件复杂等特点，因此进行试桩的时候容易出现：桩头强度不够、基准桩上浮、地基不均匀沉降导致千斤顶顶死、地基反力不足导致压重平台倒塌等问题。因此，试桩之前，如何有效的解决这些问题显得尤为重要。结合实际工程对竖向抗压静载试验的几个关键问题进行了探讨并提出合理化建议。

2 工程及地质概况

具体工程位于福建省泉州市丰泽区东海片区，建筑面积约为96 000 m2，拟建工程重要性等级为一级，建筑物安全等级为一级，地基的复杂程度为一级。桩基全部采用冲孔灌注桩，桩径1 000 mm～1 400 mm，设计桩长27.8 m～65.8 m。根据地质勘察报告，拟建场地土层自上而下分别为：杂填土，厚度1.5 m～2.4 m；含泥中细砂，厚度2.2 m～7.2 m；淤泥，厚度5.8 m～24.2 m；残积砂质粘性土，厚度8.4 m～12.5 m；孤石，最大揭露厚度3.8 m，砂土状强风化花岗岩，厚度8.2 m～11.3 m；碎块状强风化花岗岩，厚度10.5 m～14.6 m；中风化花岗岩最大揭露厚度9.5 m。本次试验的试验桩编号为97号，桩径为1 200 mm，桩长为51.2 m，设计混凝土强度为C35，设计桩端持力层为中风化花岗岩，嵌岩深度为0.5 m，单桩竖向抗压极限承载力为26 000 kN。该试桩的桩周土层分布图根据地质勘察报告附近钻孔柱状图画出，见图1。

3 超长桩静载试验设计

3.1 场地地基处理

按照JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范[1]的有关规定：压重施加于地基的压应力不应超过地基承载力特征值的1.5倍。97号试桩的最大试验荷载为26 000 kN，反力装置的总重量应为26 000×1.2=31 200 kN，两边各布置3排规格均为0.8 m×0.8 m×1.6 m的混凝土预制块作为支座，长度为12.8 m，宽度设置为4.8 m，天然地基的地基土承载力特征值为85 kPa。

支座底下压应力为：31 200/(4.8×12.8×2)=253 kPa>1.5×80=120 kPa，显然不满足要求，必须对地基加固。天然地基土为杂填土，地基承载力特征值为80 kPa，无法满足要求，需对地基土进行换填处理，因此，压重平台范围内全部换填承载力较高的碎石土，换填的碎石垫层厚度为3.0 m。

换填完成后，对碎石土进行碾压夯实，并采用重型动力触探或标准贯入试验方法检验换填地基土的处理效果，碎石土的地基承载力特征值推定按照JGJ 340—2015建筑地基检测技术规范[2]进行。

3.2 反力装置设计

由于试桩的极限承载力较大，且分布有较厚的淤泥层，淤泥层厚度16.5 m，后期沉降较大，不宜采用压重平台反力装置，故采用锚桩压重平台反力装置。采用4根工程桩作为锚桩，桩长、桩周土层分布与试验桩接近。按照JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[3]的规定对锚桩的抗拔承载力进行计算。群桩呈非整体破坏时，基桩的抗拔极限承载力计算公式为：

Tuk=∑λiqsikuili

(1)

其中，Tuk为基桩抗拔极限承载力标准值；λi为抗拔系数，砂土取值为0.50～0.70，粘性土、粉土取值为0.70～0.80；桩长与桩径比值小于20时，取小值；qsik为桩侧表面第i层土的抗压侧阻力标准值，按规范JGJ 94—2008建筑桩基技术规范表5.3-5-1取值；ui为基桩的周长；li为桩周第i层土的厚度。

通过式(1)计算得到4根锚桩的抗拔极限承载力标准值为8 522 kN，满足要求。考虑到一定的安全储备，压重平台的重量为10 000 kN。支座底下压应力为：10 000/(4.8×12.8×2)=81 kPa<1.5×80=120 kPa，满足要求。

3.3 基准梁安装

要保证位移传感器测量的数据真实可靠，基准梁的安装是否规范至关重要。一般要求基准桩应打入土中不小于1 m，并且保证基准桩垂直、稳定、牢固。基准桩中心与试桩中心、基准桩中心与锚桩中心的距离不小于4D(3D)且大于2.0 m(括号内数值为地基有经过加固的情况)。基准梁应有足够的刚度，梁的一端固定在基准桩上，另一端简支于基准桩上。试验过程应避免振动、冲击、恶劣天气对固定位移传感器的夹具及基准梁的影响，另外试验全程应采用精密水准仪监测基准桩的竖向位移。

另外，需考虑气温变化对基准梁的影响。该试桩的基准梁长度为12 m，试验时间段内，最高温度25 ℃，最低温度18 ℃，一般碳素钢的热膨胀系数为10～13(×0.000 001/℃)[4]。计算得到钢材热胀冷缩量为：

Δx=12×103mm×(25～18)℃×

(10～13)×0.000 001/℃=(0.84～1.09)mm。

温度变化引起的测量数值与实际数值的误差在0.84 mm～1.09 mm之间。

3.4 混凝土桩桩头处理

竖向抗压静载试验一般采用慢速维持荷载法，总试验时间不小于25 h，加载过程相当于对桩头持续作用一个竖向集中荷载，产生“应力集中”的现象[5]，容易出现桩头破裂、千斤顶受力不均匀等问题。因此，有必要制作一个高强度的桩帽保护桩头，桩帽的制作可按照JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范的有关规定进行。

该试桩的桩帽混凝土强度比桩身混凝土提高3级，为C45。处理前，凿掉桩顶破碎带及松散的混凝土，并保证各主筋的高度相同，各主筋位于桩顶混凝土保护层之下。距桩顶1.5 m范围内应设置箍筋，箍筋间距为100 mm，桩顶应设置钢筋网片3层，间距80 mm。灌注混凝土后，桩顶用水平找平。97号桩的桩帽如图2～图4所示。

4 静载试验结果分析

桩帽制作完成后，浇筑的混凝土龄期需满足规范要求的28 d或预留同条件试块抗压强度满足设计要求。按照JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范的有关规定对97号桩进行竖向抗压静载试验，加荷方式采用慢速维持荷载法。最大试验荷载为26 000 kN，分10级加载，其中第1级为分级荷载的2倍(5 200 kN)，其余每级荷载增量均为2 600 kN。97号桩的抗压静载试验结果见表1。

表1 97号桩的抗压静载试验结果

试验桩的混凝土为C35，C35混凝土弹性模量[6]为3.15×104MPa，桩径D=1 200 mm≥800 mm，桩长L=51.2 m>40.0 m，应考虑桩身弹性压缩变形量，桩身弹性压缩量应根据JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范第4.4.2条条文说明提供的公式进行计算。

总沉降s=s1+s2=18.69+60=78.69 mm>65.53 mm。

97号试桩试验进展顺利，在最大荷载作用下桩顶总沉降为65.53 mm(小于考虑的桩身弹性压缩量加0.05D=60 mm的总沉降78.69 mm)，试桩未达到极限承载状态，按规范取最大试验荷载值26 000 kN为该试桩的单桩竖向抗压极限承载力。该桩的静载试验Q—s曲线、s—lgt曲线见图5，图6。

5 结语

1)影响沿海软土地区超长灌注桩竖向抗压静载试验的因素有：软土地基处理、桩头处理、基准梁安装等。必须对场地进行换填处理，避免试验过程出现地基的不均匀沉降导致千斤顶顶死；基准梁安装应牢固可靠并考虑温度变化的影响，防止试验过程出现基准桩上浮，导致数据失真。

2)大直径灌注桩试桩过程中，桩顶需要长时间施加一个竖向集中作用力，将产生“应力集中”现象，容易导致桩头出现裂缝、桩头破碎等问题。因此，需要对桩头进行加固处理，提高桩头强度。

3)对于桩长超过40 m大直径超长冲孔灌注桩静载试验，应加载至桩顶总沉降量60 mm～80 mm，静载试验结果应考虑桩身弹性压缩变形量，可采用忽略端承力按倒三角形的经验公式估算。