某超限高层试桩设计与施工关键问题分析

王红军， 李 治， 何 凡, 陶志雄

(1 中信建筑设计研究总院有限公司， 武汉 430014；2 武汉科诚基础工程有限责任公司， 武汉 430012)

1 工程概况

该项目位于湖北省武汉市东西湖区，由一栋超高层塔楼和一栋6层裙楼组成，塔楼由办公与酒店构成，地上建筑面积约9.1万m2，地上46层，标准层层高酒店楼层4.0m，办公楼层4.5m；地下3层，层高由下往上分别为3.65，5.00，5.90m；建筑物总高度199.70m，为B级高度高层建筑，图1为该建筑的建筑效果图和结构模型。塔楼结构形式为框架-核心筒，裙房为框架结构。

根据上部结构荷载大小和地勘报告揭示的地质情况特征，塔楼基础形式拟采用桩筏基础，桩型采用直径1 000mm的钻孔灌注桩，并采用桩端复式后压浆工艺。工程桩桩顶相对标高为-16.900m，工程桩单桩竖向抗压承载力特征值为9 000kN，试桩桩顶的标高为自然地面，单桩竖向抗压承载力特征值为10 500kN。

图1 塔楼的建筑效果图和模型图

2 地质情况特征

根据项目地勘报告揭示，项目工程重要性等级为一级，场地复杂程度等级为二级，地基复杂程度等级为二级，工程勘察等级综合定为甲级。拟建场地内未发现断裂、岩溶等影响场地稳定性的不良地质现象，拟建场区基本稳定，场地土类型为中软场地土，属可进行建设的一般场地，可不考虑地震液化问题。场地地下水类型可分为四种类型：上层滞水、层间水、承压水和基岩裂隙水，地下水和场地土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均具微腐蚀性。场地土层地质情况见表1，钻孔灌注桩设计参数见表2。

场地土层地质情况 表1

3 试桩设计

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[1]和建筑装修面层做法确定楼面荷载以及风荷载，按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2]和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3]确定抗震设防烈度和抗震等级，按照初步补桩计算出桩底反力，根据计算结果确定单桩承载力特征值，然后根据地勘报告提供的桩基设计参数，按照《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[4]第5.3.6条进行单桩竖向抗压承载力计算，确定桩长，塔楼第一批承压试桩平面布置如图2所示。3根试桩从自然地面起算，桩长约58m，持力层为⑦-1b层强风化粉砂质泥岩，桩端进入持力层深度不小于9.0m，单桩竖向抗压承载力特征值为10 500kN，极限值为21 000kN，桩身混凝土强度等级设计值为C50，根据湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》(DB 42/242—2014)[5]，考虑地下水对桩身混凝土强度的削弱作用，浇筑桩身的混凝土需提高两个等级，即为C60。桩身主筋为1818。试桩施工机械为GPS-15反循环钻机和CZ-50冲击成孔钻机，施工方法为采用反循环回转钻进成孔和无循环冲击成孔，成孔后采用普通反循环方式清孔。

4 试桩检测方法

试桩检测方法主要参考文献[6-7]中所述比较直接的堆载法，汲取其中试验加载的要点，设计堆载方案。堆载方案为由主梁、次梁和工字钢等组成堆载平台，上面均匀堆放混凝土预制块，构成加载反力系统。反力装载的承载力不宜小于预计最大加载量的1.2倍。加载采用电动油泵驱动7台或4台同型号5 000kN油压千斤顶。压力值由经过标定的压力传感器给出，再由千斤顶的标定曲线换算成荷载值，压力传感器精度优于或等于0.4级。试验用压力传感器、电动油泵、高压油管的最大加载压力不应超过规定工作压力的80%。

钻孔灌注桩设计参数 表2

图2 塔楼第一批承压试桩平面布置图

试桩的沉降变形通过对称布置于桩头的四块位移传感器进行测量，其分辨力优于或等于0.01mm。所有位移传感器均用磁性表座固定于基准梁上，基准梁具有一定刚度。为保证基准梁及基准桩的稳定性，试桩、压重平台支座和基准桩之间的中心距离应符合《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)[8]的要求。

现场试验加载方式采用慢速维持荷载法，采用油泵逐级加载，每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载，直到达到最大试验荷载或破坏。

5 试桩检测结果

试桩施工完成一个月后进行第一批试桩静载检测试验，3根试桩检测结果如表3所示。试桩承载力评判标准根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)[8]要求，当某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下的沉降量的5倍，且桩顶总沉降量超过40mm，取其上一级作为该试桩的承载力极限值，或当荷载-沉降曲线呈缓变型时，可取桩顶沉降量超过80mm时的上一级荷载作为该试桩的极限承载力，承压试桩1和承压试桩2均因总沉降超80mm终止加载试验，其位移-荷载曲线如图3所示。

第一批试桩静载检测试验结果 表3

图3 承压试桩1和承压试桩2的位移-荷载曲线

由图3可知，承压试桩1和承压试桩2极限承载力取值均取沉降超40mm且沉降量超过上一级的5倍的加载值上一级荷载，具体数据如表3所示，均达不到设计要求，3号试桩未进行检测。由于超限高层塔楼采用桩筏基础，桩间距较密，不适宜根据检测结果采取降低桩承载力特征值、增加桩数的方法，考虑到有可能是地质情况原因，采取增加桩长以提高桩承载力的方法，使试桩承载力达到设计要求。因为工期的原因，甲方希望塔楼试桩下一次需达标，因此每根试桩增加10m，重新布置3根试桩，每根试桩桩长约68m，其余参数不变，试桩平面布置如图4所示。

第二批3根试桩施工完成一个月后进行试桩静载检测试验，检测结果如表4所示。当桩顶总沉降超过80mm，终止加载试验。承压试桩6因为沉降超标终止试验，承压试桩4加载至4 100kN，桩头碎裂，沉降超标终止静载试验。

图4 塔楼第二批承压试桩平面布置图

由图5承压试桩4和承压试桩6的位移-荷载曲线可知，承压试桩6极限承载力取值取沉降超40mm且沉降量超过上一级的5倍的加载值上一级荷载，具体数据如表4所示，达不到设计要求，承压试桩4号桩头破坏了，第二级沉降超标，承压试桩5号未检测，主要原因是该批试桩已有两根不满足，最后一根试桩是否成功，都需要增加试桩，从节约工期角度，增加试桩长度重新做三根，确保下一批成功，该试桩重新检测还需要增加费用。由表4可知，该组试桩承载力特征值未达到设计要求，对比第一批和第二批试桩静载数据，虽然桩长增加了10m，但试桩静载承载力未得到提高，需对试桩施工工艺进行分析，再重新设计试桩。

第二批试桩静载检测结果 表4

图5 承压试桩4和承压试桩6的位移-荷载曲线

6 试桩关键问题分析

对于两批试桩静载检测结果达不到设计要求，需要对其进行分析，并找出原因和解决方案，针对静载检测结果需补充相关检测数据，具体如下：1)对试桩桩头和桩身进行抽芯检测，检测混凝土强度是否满足设计要求，同时检测桩底沉渣厚度；2)从自然地面往下挖2m左右，检查灌注桩直径是否达到设计要求；3)在承压试桩6附近进行补孔勘测，检查是否存在地质情况异常，与地勘报告不一致的情况。

通过上述对试桩补充检测结果发现，6根试桩桩身混凝土强度抽芯检测结果评判为C40，第一批试桩浇筑混凝土距抽芯检测时间已将近3个月，同时桩底沉渣厚度有3根超过100mm，超过规范限值50mm；从自然地面往下挖2m检测桩直径，基本都满足设计要求，但承压试桩4和承压试桩6的桩身存在夹渣，破除夹渣部分后，桩身钢筋均外露，成桩质量较差；承压试桩6附近的补孔勘测结果和地勘报告基本吻合，可以排除地质异常原因。

从补充检测结果可以发现，造成试桩检测单桩竖向抗压承载力特征值达不到设计要求，主要表现为桩身混凝土强度和桩底沉渣达不到设计要求，桩身质量有瑕疵。为了保证下一批试桩单桩竖向抗压承载力达到设计要求，并参考文献[9-10]中如何能快速提高超长大直径钻孔灌注桩承载力的影响因素，从试桩设计方面，塔楼桩主要为摩擦桩，为了尽快提高桩身侧阻力，在第二批试桩的设计参数基础上增加桩侧注浆工艺，并加大桩端注浆量；从施工角度，严格把控混凝土强度，同时改变施工工艺，采取文献[11]中提出的提高泥浆护壁质量的方法，可以有效控制桩端沉渣厚度。塔楼第三批承压试桩平面布置如图6所示。试桩施工换了施工队伍，更换施工机器和工法，施工机械采用SR360大型旋挖钻机，施工方法采用无循环旋挖成孔，气举反循环工艺清孔。

图6 塔楼第三批承压试桩平面布置图

图7 承压试桩静载检测位移-荷载曲线

塔楼第三批承压试桩静载检测结果如表5所示，位移-荷载曲线如图7所示。从表5和图7可以看出，在承载力极限值21 000kN作用下，三根试桩的位移分别为23.85，29.75，14.21mm，满足规范要求。对第三批试桩进行抽芯检测，桩身混凝土强度分别评定为C56，C58，C55，满足设计要求的C50。抽芯检测显示桩底沉渣厚度分别为22，15，26mm，均小于50mm。

由上述检测内容可知，第三批承压试桩桩底沉渣厚度、静载承载力、桩竖向位移、桩身完整性和混凝土强度均可达到设计要求，该批试桩合格，桩设计参数和施工工艺可以供工程桩施工参考。

试桩静载检测结果 表5

7 结论

超限高层由于楼层高，单位面积荷载大，进行桩基础设计时，其承载力特征值要求较高，试桩设计和施工比较重要，试桩是否能成功，对后面工程桩施工工期影响较大，为了提高试桩施工和检测的成功率，同时为了节约工期和试桩成本，进行了试桩试验，结论如下：

(1)由于单桩竖向抗压承载力特征值较高，对桩身混凝土强度要求高，浇筑混凝土时应严格把控混凝土强度，保证强度不低于设计值，保证桩头及其上半部分不容易提前压碎，这也是试桩静载是否成功的关键。

(2)超限高层的工程桩一般较长，应采用合理的施工机械和施工工艺，严格控制沉桩质量和桩底沉渣厚度。

(3)从试桩和工程桩设计角度分析，超限高层的桩一般以摩擦桩为主，因此可以通过提高桩侧阻力以大幅度提高单桩竖向抗压承载力，故采用桩侧后注浆工艺可以有效减小桩长。桩长小时对施工机械和成桩工艺要求也不太高，另桩端后注浆工艺能有效控制桩底沉渣厚度，因此建议试桩和工程桩设计时同时采用桩侧和桩端后注浆工艺。