福州软土地区灌注桩的大吨位静载试验工艺设计分析与研究

黄 健

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350011)

0 引言

随着我国经济的不断发展，国家越来越重视基础设施建设，项目规模也在不断增加，对基桩承受的竖向荷载要求将会不断提高。因此，未来针对大吨位静载试验，也将会有更加严格的要求。大吨位静载试验堆载平台加固，常用的做法，是对表层土进行换填压实处理，这种情况很容易会出现主梁沉降过大，导致未试验先预压，试验数据失真。且如果两边支墩沉降不均，会造成反力平台倾斜，导致试验无法进行，甚至有倾覆的危险。因此，软土地区大吨位静载试验的关键点，是防倾覆和预防预压。本文针对福州某工地几种地基加固处理进行分析，从而探寻一种更为经济安全的方式，保证堆载平台的稳定。并通过分析软土地区静载试验，研究软土地区卵石层能否作为高层建筑的桩基础持力层。

1 工程概况和地质条件

该项目位于福州市，总用地面积40 154.8 m2，拟建8幢45～55层住宅楼 (1#-9#楼)。这8幢均为超限高层建筑，建筑物高度140 m～175.30 m。该建筑采用剪力墙结构，对不均匀沉降十分敏感，主楼之间是两层地下室框架结构。拟建物主要采用的是桩基础，其中桩身强度采用的是C40砼，长度为48 m，桩端持力层选取的是卵石层，主要采用桩底和桩侧后注浆工艺。根据设计要求，单桩的竖向抗压承载力特征值为11 000 kN，为评价大直径灌注桩的实际承载力，因此在其中随机挑选3根，进行竖向抗压静载试验。

根据地勘报告，静载试验桩所在位置各土层主要物理力学参数如表1所示，静载试桩的施工记录情况如表2所示，桩周土层的柱状图如图1所示。

表1 场地各岩土层主要物理力学指标

表2 3根试桩基本资料

图1 试桩地质柱状图

2 试桩静载试验方案设计

2.1 现有压重平台地基土承载力问题

该工程单桩竖向抗压极限荷载是22 000 kN，加载反力装置需提供不小于26 400 kN的反力，平台支座上次梁的重量为600 kN，底座水泥块的重量为48个×24.5 kN/个=1176 kN；支承平台的水泥块尺寸为1.6 m×0.8 m×0.8m，共8排，每排6个，共计48个，平台的面积为48个×1.6m×1.6m=122.88 m2；堆重平台表层杂填土承受的压应力为：

f=(26 400 kN+600 kN+1176 kN)/122.88 m2=229 kPa

结合《建筑基桩检测技术规范》[2]，加载反力装置所提供的反力不得小于静载试验最大加载值的1.2倍，并且压重施加于地基的压应力不宜大于地基承载力特征值的1.5倍。根据勘察报告，支座底部表层土为杂填土，杂填土的地基承载力特征值fak为80 kPa,f>1.5fak，故现有场地不满足要求，需要对地基进行加固处理。

本场地表层杂填土下面一层为淤泥，该层具有强度低、压缩性高和透水性很小的特点。虽然下卧层承受的荷载虽然很小，但因为是软弱下卧层，因此除了验算表层土的地基承载力外，还需验算软弱下卧层的地基承载力。地表约3 m以下为软弱土，按扩散角θ=30°进行验算，软弱土需承受187 kPa的压力，软弱土强度也无法满足要求。因此，必须对表层地基土采取加固手段，增加其承载力。

2.2 压重平台地基土加固方案选择

传统的浅地基加固方法有垫层法、置换法和挤土法。考虑到压重平台地基土加固处理属于临时性处理，且为保证安全压重平台应尽量越低越好，故垫层法和排挤法不适宜用于压重平台地基土加固处理。换填法处理一般的处理步骤有，在试桩周围14 m的范围内，挖除表层杂填土，回填以砖渣土或者建筑垃圾，回填厚度为2.5 m。并采用20 t压路机加以分层碾压，分三层机械碾压。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)[3],碎石、矿渣达到压实标准后的地基承载力可达200～300 kPa。本项目取低值200 kPa，亦满足要求。通过估算，换填方量为14 m×14 m×2.5 m=490 m3，按照目前市场行情，换填砖渣机械费和材料费为60元/m3，每根静载试验桩的场地处理费约为30 000元。该项目位于市区，砖渣材料供应极为困难，换填处理耗时耗力，且无法做到重复利用。因此，从经济性和效益性方面考虑极不划算，需要另外找到一种能够加强地基承载力的方法。

根据分析研究桩位平面图，与静载试验桩同一轴线上存在着等间距的两根工程桩，桩间距为3 m。可以使用试桩邻近的工程桩，将其安置在长度为12m的大主梁底下，以便一起承担起平台的荷载。当荷载较小时，两侧承台的地基土可以承担所有的重量，一旦荷载增大，重量则可以转移到主梁，主梁下的支撑桩起到承担的作用，堆载工作结束时，支撑桩可以完全承担平台的荷载。具体位置示意图如图2所示。

图2 具体位置示意图

2.3 试验桩及支撑桩施工要求

支撑桩及试验桩都应灌注到地面，试验桩桩顶标高与施工现场地面标高距离1.5 m,试验桩顶和设计桩顶两处需设计箍筋加密区，其他配筋同原工程桩。支撑桩与试验桩应在一条轴线上，为等间距，且桩间距一般不得超过4.0 m。施工时桩位放样应减少误差，桩位偏差严格控制在50 mm,施工中的泥浆池应布置在离试验桩14 m之外。桩头是静载过程中桩身应力最大的位置，需要对试桩及相邻的两个支撑桩桩头进行加固，防止试验过程中桩头破坏。灌注桩应先凿掉桩顶部的破碎层和软弱混凝土，主筋应全部直通至桩顶混凝土保护层下，保持各主筋在同一高度上。静载试验时桩顶离地面高差约1.7 m，在距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋，间距不宜大于100 mm，桩顶应设置间距为100 mm的钢筋网片3层[1]。在本方案中，桩头的混凝土标号为水下C50砼，并且还需要保证桩头和桩身的中轴线完全重合，保证桩顶完全平整，以确保堆载的重量能够平稳地进行传递。

2.4 压重平台堆载

为了满足压重平台的承载要求，本项目经过力学方面的验算，采用主梁和次梁相结合的方式，用来满足结构的承载力以及变形的刚度。其中主梁为大钢梁，数量为4根，长度为12 m，高度为1.5 m，次梁主要选的双拼56b钢梁，长度为12 m，数量为30根。安装时必须一层一层均匀进行，还要保证平台两侧的对称性，堆放的层数不能超过一层的差距。上下层的安装，需要错位安装，确保能够使整个压重平台形成一个整体结构。安装时，应确保试桩的横截面形心、千斤顶的合力中心及混凝土预制块压重平台的重心重合。本次静载压重平台堆载过程符合试验前设计的目标，支座沉降较小，堆载的配重能够向支撑柱进行平稳传递，而不会出现平台倾斜等状况。静载设备堆载图如图3所示。

图3 静载设备堆载图

2.5 静载试验方法

在进行静载试验之前，首先需要检测桩身的完整性，主要采取的方法为声波透射法以及低应变法。检测发现3根试桩的桩身十分完整，并且全部属于I类桩。在该工程中，单桩竖向抗压静载试验完全按照桩基的设计文件，并且完全符合《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)[2]。试验所用的设备主要是液压千斤顶，具体的型号为630T，需要的数量为6台。在试验过程中，6台千斤顶并联进行工作；桩顶沉降采用大量程的位移传感器量读，在试桩的两个方向对称安装4个位移传感器，位移传感器的分度值/分辨力为0.015 mm，测量误差小于0.1%FS。

静载加载分级进行，逐级等量加载；每级荷载是2200 kN(最大试验荷载22 000 kN的1/10)，第一级加载量取分级荷载的2倍(4400 kN)。加载到最大试验荷载且满足稳定标准后，分5级卸载，逐级等量卸载，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍(4400 kN)。该工程静载试验主要采用的慢速维持荷载法，每级荷载施加后分别按第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min记录桩顶沉降量，以后每隔30 min记录一次；每一小时内的桩顶沉降量不超过0.1 mm，并连续出现两次即表示基桩已经符合稳定标准，方可施加下一级荷载，直到达到22 000 kN的最大试验荷载。

3 静载试验结果分析

静载试验进展顺利，3根试桩实测的荷载-沉降(Q-s)曲线均呈缓变形，未出现在某一级荷载作用下桩顶陡降、桩头破裂或其他异常情况。当达到试验荷载最大值也即22 000 kN的作用下，各试验桩全部达到一种稳定的状态，桩顶的沉降量全部在60 mm(0.05D)以内，说明沉降范围可控，并且没有出现增加。试桩状态未出现极限状态。静载荷试验结果见表3，3根试桩的荷载-沉降(Q-s)曲线如图4所示。

表3 静载试验成果表

(a)试桩S1

从图4试桩的荷载-沉降(Q-s)曲线可以看出：

(1)试桩S1：加载至11 000 kN时，桩顶累计沉降量仅为8.42 mm；加载至最大试验荷载22 000 kN时，桩顶累计沉降量为24.95 mm；卸载至零后测得回弹量为16.93 mm，桩顶残余沉降量为8.02 mm。

(2)试桩S2：加载至11 000 kN时，桩顶累计沉降量仅为10.86 mm；加载至最大试验荷载22 000 kN时，桩顶累计沉降量为29.28 mm；卸载至零后测得回弹量为15.16 mm，桩顶残余沉降量为14.12 mm。

(3)试桩S3：加载至11 000 kN时，桩顶累计沉降量仅为11.20 mm；加载至最大试验荷载22 000 kN时，桩顶累计沉降量为26.52 mm；卸载至零后测得回弹量为17.66 mm，桩顶残余沉降量为8.86mm。

根据静载试验结果和荷载-沉降(Q-s)曲线，这3根试桩在最大试验极限荷载22 000 kN作用下，桩顶累计沉降量平均值为26.92 mm，极差4.33是平均值的16.1%。3根试桩在各级竖向荷载作用下的桩顶沉降较为接近，沉降量的离散性不大，未出现因桩端沉渣较厚，导致沉降明显增大的现象。

由于本项目对桩基的承载力和沉降要求高，冲(钻)孔灌注桩施工时穿透深厚的卵石层难度大，施工工期长、费用高，因此设计文件没有采用中-微风化花岗岩作为桩端持力层，而是采用上部的卵石层作为桩端持力层，并采用桩底和桩侧后注浆工艺。通过后压浆固化桩底沉渣及加固桩底及桩侧的土体，注浆导管采用φ25×3.2(内径25 mm)，桩端和桩侧注浆管数量各为3根，桩端注浆管沿钢筋笼内侧对称布置，桩侧注浆管沿钢筋笼外侧对称布置，后压水泥浆水灰比宜控制在0.5～0.6左右，注浆速度为50L/每分钟，压力值3～10 MPa。注意先进行桩侧注浆施工，后进行桩底注浆。静载试验结果表明：采用卵石层作为桩端持力层，结合桩端和桩侧后注浆技术可以达到较大的单桩的极限承载力，且离散性不大。

4 结语

按照本文提及的静载地基处理加固工艺，可以减少支墩受力，消除大吨位静载试验中可能出现影响试验结果的误差，去伪存真，并且在节约成本的基础上大大缩短工期。通过该工程静载试验结果分析，大直径灌注桩采用卵石层作为桩端持力层，并结合桩端和桩侧后注浆技术，可以获得较大的单桩的极限承载力，具有一定的借鉴意义。