北京城市副中心站综合交通枢纽工程试验桩静载试验数据分析

2022-05-13周晓波包自成辛军霞吴兴征

工程质量 2022年3期

周晓波，包自成，辛军霞，吴兴征

（1.北京市建设工程质量第一检测所有限责任公司，北京 100039；2.河北大学建筑工程学院，河北保定 071002）

0 引言

北京城市副中心站综合交通枢纽工程定位为副中心未来的交通中心。它连接平谷线、M6 线、M101 线3 条轨道交通线路和京唐铁路、城际联络线两条铁路线，成为亚洲最大的地下综合交通枢纽。项目用地范围约 6.1×10 m2，地下总建筑面积约 128 万 m2，地上面积约 139 万 m2，地下枢纽部分总投资约为 345 亿元。其中车站的地下 3 层部分整体埋深为 32 m。

基于该工程的重要性，设计单位共设置了大小两种桩径的试验桩，均为钻孔灌注桩，其中桩径为 2 400 mm 的桩同时进行抗压（Compression）和抗拔（Pullout）静载试验，桩径为 1 000 mm 的桩只进行抗拔静载试验。为了对比扩底和注浆两种施工工艺对桩基承载力的提高效果，分别设置扩底（Expansion）、注浆（Grouting）、既扩底又注浆（Expansion and Grouting）等工况进行静载试验，对所有试验桩进行桩身内力测试［1］，得到桩侧各土层的分层抗压（拔）侧摩阻力和端阻力，测试成果为后期工程桩的设计提供更加详细和可靠的依据。

针对该项目的特点，检测单位自行研制了超大钢梁和多功能锚盘等加载设施，使得竖向抗压静载试验最大加载值达到了 70 000 kN，抗拔静载试验最大加载值达到了 45 000 kN。基于试验桩静载测试成果，依据相关规范［2］，对各种工况下侧摩阻力进行深入分析，为后续工程桩的设计和类似工程的桩基静载试验提供有力数据支持和经验积累。

1 静载试验数据分析

1.1 地质情况

控制性探孔的最大深度为 105 m，该场地土层划分为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层三大类，并根据各土层岩性及工程性质指标进一步划分 14 个大层及亚层。该场地的地质勘察报告［3］给出的桩侧土体及持力层以细砂和中砂为主。图 1 给出典型地质剖面示意和土层名称。与文献［4］类似，场区内量测到 3 层地下水，其中浅层地下水水位的标高为 8.81～10.28 m。

图1 桩位典型地质剖面（单位：mm）

试验桩位置的土工参数，包括各土层的黏聚力、内摩擦角、极限侧阻力和极限端阻力等，如表 1 所示。

表1 桩周各土层参数

1.2 试验桩类型

试验桩长约 71.6 m，桩径分别为 2 400 mm（记为大直径桩）与 1 000 mm（记为小直径桩）两类。桩径 2 400 mm 的桩先进行抗压（Compression，简记为CT）然后对同一根桩再进行抗拔（Pullout，简记为 PT）静载试验。桩径 1 000 mm 的桩只进行抗拔静载试验。扩底（Expansion）简记为 EX，不扩底桩记为 NE。注浆（Grouting）简记为 GR，不注浆记为 NG。各种桩型的设计参数如表 2 所示，每种桩型进行两根平行测试。

表2 试验桩参数

这 16 根试验桩的平面布置如图 2 所示。

图2 试验桩平面布置（单位：mm）

1.3 静载试验数据

1.3.1 大直径桩的单桩竖向抗压试验

单桩竖向抗压试验采用堆载-锚桩联合法，其中锚桩最大提供 40 000 kN 的反力，其余反力由配重提供。4 根主梁与 4 根次梁长度均为 10 m，它们联合组成反力框架，其中主梁每根重 16 t，次梁每根重 13 t。其中一根试验桩的现场加载照片如图 3 所示。加荷方式为液压千斤顶（高压泵站），采用 8 个 1 000 t 液压千斤顶并联。加载值由静荷载测试分析仪测读，单桩竖向抗压静载分为 14 级施加，用 4 个位移传感器测读桩顶的沉降量。试验终止的条件为：累计位移量超过 80 mm、桩周土出现开裂或锚桩主筋达到屈服强度。

图3 单桩竖向抗压静载试验

四根抗压静载试验的数据如图 4 所示。后两根扩底桩在同等加载下的沉降量值较小，尤其是当加载＞40 000 kN 的情况。可见，扩底措施对于提高基桩的承载力具有明显的效果，可提高 20 % 左右。

图4 单桩竖向抗压静载试验加载曲线

表 3 列出这些大直径抗压桩静载试验得到的最大极限承载力。其极限承载力最大值为 70 000 kN，最终沉降量为 81.28 mm。最小值为 57 000 kN，最终沉降量为 67.68 mm。试验结果表明，该项目试验桩的承载力均大于预估值。

根据测试得到的荷载-沉降曲线，可通过线性插值得到沉降量值为 40 mm 时的承载力，还可以预估极限抗压承载力时的沉降量，如表 3 所示。

表3 大直径抗压桩静载试验结果

1.3.2 大直径桩的单桩竖向抗拔静载试验

单桩竖向抗拔静载试验采用反力桩提供支座反力。采用的反力平台与抗压测试时无异。加荷方式为液压千斤顶（高压泵站），采用 6 个 1 000 t 液压千斤顶并联。加载值由静荷载测试分析仪测读，单桩竖向抗拔静载分为 14 级施加，用 4 个位移传感器测读桩顶的上拔量。试验终止的条件为：累计位移量超过 100 mm 或桩周土出现开裂。

抗拔静载试验测试成果如图 5 所示。后两根扩底桩在同等加载下的上拔量值较小，尤其是当加载＞30 000 kN 的情况下。可见，扩底处理对于提高基桩的上拔承载力具有较好效果，特别是荷载量值较大时。

图5 单桩竖向抗拔静载试验加载曲线

表 4 列出这些大直径抗拔桩的静载试验结果。其极限最大值为 45 000 kN，最大上拔量为 68.43 mm。极限抗拔力的最小值为 40 500 kN，最大上拔量为101.06 mm。

根据测试得到的荷载-沉降曲线，可求出上拔量为40 mm 时的承载力以及预估极限抗拔承载力时的上拔量，如表 4 所示。

表4 大直径抗拔桩的静载试验结果

1.3.3 小直径桩的单桩竖向抗拔静载试验

单桩竖向抗拔静载试验采用反力桩提供支座反力。加荷方式采用 4 个 1 000 t 液压千斤顶并联。图 6 给出 8 根桩抗拔静载试验得到的荷载与上拔量之间的关系。通过对比扩底前后与后注浆工艺实施与否的测试成果可以看出，扩底与后注浆对基桩抗拔承载力的提高效果较明显。

图6 小直径单桩竖向抗拔静载试验加载曲线

小直径抗拔桩的静载试验结果如表 5 所示。其单桩竖向抗拔静载试验极限值最大值为 22 000 kN，最小值为 12 900 kN。根据测试得到的荷载-沉降曲线，可得到上拔量为 40 mm 时的承载力以及预估极限抗拔承载力时的上拔量。

表5 小直径抗拔桩的静载试验结果

2 桩身内力测试数据分析

采用钢筋应力计进行桩身内力测试，沿桩身每一不同深度的土层分界处各布设 3 只钢筋应力计。在施工单位绑扎钢筋笼的同时，根据预先定好的测试断面，将应力计绑焊在钢筋笼主筋上，在安装过程中沿钢筋笼主筋用铁丝固定扎牢，引至钢筋笼顶端，先将导线端部做好防水处理，再将导线临时固定在钢筋笼端部，等待吊装钢筋笼，当桩成孔完成后，吊装钢筋笼过程中应避免碰撞应力计及导线。在钢筋下放过程中和灌注混凝土过程中必须有人值守，保护应力计及导线完好。在土方施工及剔凿桩头时应确保外导线完好［5-7］。

通过振弦式读数仪的频率计采集频率，经换算得到钢筋的应变。依据 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》条文中第 A.0.13 条的规定，桩身内力测试与抗压、抗拔静载试验同步进行，钢筋应变量于每级荷载作用下稳定后测得，进而由应变计算得到断面处桩身轴力Q及桩侧土的分层侧阻力qs。比如，桩身第i断面的轴力见式（1）：

式中：Es为钢筋弹性模量，εsi第i断面的钢筋应变，As为钢筋断面面积。第i断面的qsi如式（2）所示。

式中：u为桩身周长，li第i断面的桩长。

2.1 大直径竖向抗压桩

图 7 给出 CT-D2400-NE-GR-01 试验桩轴力分布曲线。由图 7 所示，桩体所承受的竖向荷载克服桩侧摩阻力向下传递，桩身轴力随埋深增加而减小，且减小幅度受到桩周土层剪切强度的影响而有所不同。其他桩体的轴力分布趋势类似，即各断面处轴力在同级荷载水平下随着深度增加逐渐减小，不再列示。

图7 CT-D2400-NE-GR-01试验桩各级荷载下桩身内力分布

图 8 给出大直径桩抗压的各土层侧阻力测试结果。各测试断面摩阻力随荷载增加而增大，且均为正值，但随着土层的变化而有所不同。根据侧摩阻力沿着深度的分布曲线可以看出，在约 25 m 深度内，桩周摩阻力表现为应力强化（即随着荷载和位移增大，摩阻力也持续增加），但在约 50 m 深度以下，前三级加载下随着沉降增加摩阻力增大，但随后侧摩阻力呈现减小状态。通过对比多级荷载水平下的成果可见，侧摩阻力发挥随荷载增大而增加。扩底及桩侧注浆部分作用明显。

图8 大直径抗压试验桩的平均侧摩阻力分层示意

2.2 大直径竖向抗拔桩

图 9 给出大直径抗拔的桩侧土分层抗拔阻力测试结果。根据侧摩阻力沿着深度的分布曲线可以看出，桩周摩阻力随着荷载和位移增大，摩阻力也持续增加，尤其是接近桩端的部位。

图9 大直径抗拔试验桩的平均侧摩阻力分层示意

2.3 小直径竖向抗拔桩

图 10 给出小直径抗拔桩的桩侧土分层抗拔阻力成果。由图可见，前两级加载时侧摩阻力沿着桩长皆有分布。随着荷载加大，下部桩段的侧摩阻力得到较充分的发挥，这与前述大直径抗拔试验得到的趋势类似。比如，这里接近桩端的最大平均侧摩阻力约为 70 kPa。这是由于深部土层的侧压力较大，土体的抗剪强度较高，在极限抗拔状态下发挥的摩阻力也大，进而提高了基桩的侧摩阻力。