双套管灌注桩的锚桩法静载研究与应用

2022-05-13王峥辉

工程质量 2022年3期

王峥辉

（南京南大岩土工程技术有限公司，江苏南京 210039）

0 引言

单桩竖向抗压静载试验是最常用、可靠的桩基承载力检测方法，根据反力作用方向试验可分为：堆载法、锚桩法和自平衡法等［1］。其中锚桩法静载试验，快速、便捷、周期短，对大吨位静载试验有较明显的优势，目前对锚桩法研究主要是在大吨位［2］、超长桩［3］、反力横梁装置［4］、锚桩对试验桩［5］的影响等方面。由于静载试验时，地面至实际桩顶标高段（基坑挖深范围内）的桩侧摩阻力的干扰，很难准确获得基桩在使用过程中的竖向承载力，其研究受到大吨位静载工程的“一案一例”制约，相关报道较少。为此，本文以南京河西深厚软土区某超高层建筑锚桩法静载试验为研究案例，利用基坑开挖范围内桩基内外双层套管设计，消除该部位桩基与土体之间侧摩阻力对承载力的影响，研究锚桩静载试验中双套管段桩身压缩变形，分析静载试验结果，以期获得更精准的静载试验数据，准确判定运营期间的桩基承载力。

1 工程概况

本工程位于南京河西新城南部，分为 A、B、C、D 4 个地块，其中 A1 塔楼高约 580 m，地下 4 层，基坑面积约 22 300 m2，基坑周长 600 m，开挖深度 21 m（见图 1 中灰色区域）。该塔楼试验桩采用“钻孔灌注桩+桩端后注浆”，桩径 1 100 mm，桩长 78 m（其中有效桩长 50.0 m），桩端进入 ⑤-3 层中风化泥岩≥16.5 m，桩身混凝土强度 C50，单桩抗压极限承载力特征值 17 000 kN。抗压试验桩桩基上部 28 m 范围（基坑开挖深度范围）内，采用内外双套管构造设计（见图 2），以消除该部位的侧摩阻力对桩抗压承载能力的影响，准确地获得桩基抗压承载力（见图 3）。

图1 项目位置图

图2 桩基双套管构造示意图（单位：mm）

图3 试桩及锚桩设计图（单位：mm）

2 地质条件

工程场地属长江漫滩地貌单元，基本平缓。根据现场勘察报告显示地基土层自上而下可分为 5 大层 12 个亚层，包括：①-2 层，松散～稍密的褐灰色～灰色素填土；②-1 层，软塑～可塑状态的灰黄色～灰色粉质黏土；②-2 层，流塑状态灰色淤泥质粉质黏土；②-3a 层，稍密～中密的灰色饱和粉砂夹粉质黏土；②-3 层，中密局部稍密的饱和青灰色粉砂，局部夹薄层粉质黏土；③-1 层，密实局部中密的饱和青灰色粉细砂，局部夹薄层粉质黏土；③-1a 层，软塑灰色粉质黏土夹粉砂，本层以透镜体状分布在 ③-1 层粉细砂中；③-2 层，密实的青灰色饱和细砂；③e 层，密实的青灰色中粗砂含卵砾石，以中粗砂为主；⑤-2 层，强风化棕红色泥岩，属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级；⑤-3a 层，中风化棕红色泥岩（破碎层），局部为粉砂质泥岩、泥质结构，块状构造，属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级；⑤-3 层，中风化棕红色泥岩，泥质结构，块状构造，属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

3 试验过程

3.1 静载试验方案

试验现场采用“六锚一”的布桩方式，试验桩桩顶最大荷载为 34 000 kN，利用反力架、法兰和对拉钢筋等形成钢构体系，与锚桩外露钢筋锚固形成反力系统，采用油压千斤顶将反力系统顶起，由锚桩提供反力，俗称“锚桩反力梁装置”，加载方式采用慢速维持荷载法。如图 4 所示。具体试验过程按照 JGJ 106－2014《建筑基桩检测技术规范》执行。

图4 试验桩与锚桩示意图

3.2 双套管段桩身压缩量计算与测试

根据 JGJ 94－2008《建筑桩基技术规范》桩身压缩量计算公式，套管段桩身不考虑侧摩阻力时，其桩身压缩理论计算值为 26.97 mm。桩内埋设应变计进行桩身压缩量测试，在距桩顶面以下 9、20、26 m 位置各埋设一组 4 个应变计，均匀分布在桩身横截面上。将试验前的初始频率与维持荷载时变形稳定后的频率按下面公式计算应变量见式（1）：

3.3 试验过程

试验前对反力体系整体进行了建模、计算，对找出的关键部位，如锚固件、抗拉钢筋、钢梁承载力及锚桩抗拔力等进行了验算，验算通过后还制定了成孔质量检测、桩身完整性检测、反力体系重心一致、反力架钢构验收等安全作业要点和应急处理措施以确保试验的安全、稳定。试验从桩基施工开始至拆除试验架结束，具体试验流程如图 5 所示。每次试验的钢架结构完成（见图 6），经验收并试压后正式试验，试验完成再转移至下一根桩。

图5 锚桩法静载试验现场流程图

图6 搭设完成的试验架

4 数据分析

4.1 应变数据分析

本次共进行了 4 根钻孔灌注桩的单桩抗压静载试验，在试验的同时通过测试应变计算套管段在某一级荷载作用下套管段桩身压缩量，按单桩统计如表 1 所示。

表1 某一级荷载下双套管段桩身压缩变形量汇总表

根据表中数据画出加载过程的散点图；并以“0”截距的二次多项式对 4 根桩的平均值进行曲线拟合，拟合曲线的多项式表达和相关性指标如图 7 所示。

图7 双套管段桩身压缩量随荷载变化散点图及拟合曲线

由图 7 可知，4 根桩的套管段桩身压缩量变化趋势是一致的，在最大加载（34 000 kN）时，总压缩量在19.85～23.09 mm，与理论计算桩身压缩量（约 26.97 mm）相比，总体偏小；桩身压缩量随加载过程没有突变，说明此段桩身混凝土浇筑均匀、完整性好，在加载期间桩身未发生破坏。

经多种拟合曲线比较看，按照截距为“0”的二次多项式进行拟合时，具有较高的相关性（R2=0.996 4），不完全服从线性（胡克定律F=K·S）规律，说明混凝土为非弹性介质，桩身压缩变形还受其他因素制约。从每一级不同桩的桩身压缩量数据离散情况分析，为“离散→集中→分散”，说明受压前期桩身混凝土内可能存在微裂隙的收缩，再到混凝土处于弹性形变，到后期桩身混凝土出现少量的塑性变形，与混凝土材料变形一般规律相似。

4.2 静载数据分析

对 4 根试验桩的静载试验数据整理汇总如表 2 所示。

表2 静载加载数据汇总表

如图 8 所示，桩顶总体位移量随荷载增加而增大，最大值在 46.96～60.60 mm，桩受力变形趋势为线性，由于该位移包含上部套管段桩身压缩变形，影响因素较多，所以应当扣除上部桩身压缩变形量后进行比较分析。

图8 位移随荷载变化散点图及拟合曲线

4.3 扣除套管段桩身压缩量后的静载试验数据分析

根据前述分析，试验期间上部双套管段桩身变形基本为弹性变形，假设该部分桩体无侧摩阻力，可以将上述部分的桩体简化为独立于下部有效桩部分的“传力柱”，荷载通过该“传力柱”将桩顶部位的受力传递到深部桩体处，将桩顶测得的总位移量扣除对应每级荷载的套管段桩身压缩量，就得到了下部有效桩体段随荷载的位移量，据此修正后的每级荷载位移量如表 3 所示。

表3 扣除套管段桩身压缩变形量的静载试验位移随荷载变化表

如图 9 所示，扣除套管段的桩身压缩变形量后的桩位移与加载级数之间的对应关系与前述变形趋势基本一致；但最大位移量为 27.11～40.59 mm，除 S5# 桩在最后一级荷载下位移出现较为明显的增大外（但不大于前一级的 5 倍），有效桩位移在变化过程中，均为“缓变型”曲线，没有出现较大的突变（没有“拐点”），由此可以说明有效桩段的抗压极限承载力满足 34 000 kN。