厚淤泥地层灌注桩水化温度与承载特性实测分析

廖广超，伍钊源，王 博，官大庶，3，况联飞

（1、中煤江南建设发展有限公司 广州 510170；2、中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 江苏徐州 221116；3、广东水利电力职业技术学院 广州 510610）

0 引言

粤港澳大湾区作为我国改革最早、开发程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要的战略地位。为实现湾区高质量发展，急需配套完成大量的基础工程建设，但由于区域地质构造复杂、总体海拔较低、濒临海洋、水系发育、软基广布，给大湾区地下工程建设带来了很不利影响，其中厚淤泥地层桩基设计、施工难题尤为突出。

针对淤泥软土工程特性［1-2］、淤泥地层灌注桩施工常见问题与对策［3-5］以及厚淤泥地层灌注桩承载特性研究［6-7］这3个方面，相关学者已经取得了很多有益的结论，并成功指导了相关工程设计与施工。但由于软土的工程特性受地质沉积环境等多种因素影响，不同地区软土工程特性存在差异，相应地将导致厚淤泥地层中桩基设计理念与承载特性发挥的机制不同。

由此，本文以大湾区代表性城市珠海某沿海场地深长灌注桩为研究对象，通过现场实测的手段深入研究大直径灌注桩早龄期水化温度与轴力大小，以及静载试验过程中桩基承载特性发挥的一般特征。以期对工程设计和施工进行分析总结，并为大湾区类似工程建设提供一定参考。

1 工程概况及地质条件

某项目位于广东省珠海市横琴保税区内，项目总用地面积约4万m2。项目一期拟建建（构）筑物共6栋超高层（20～42层，100～200 m），主要为办公楼、酒店及商业楼，拟采用框架结构、剪力墙结构及框筒结构，设地下室1层（基坑底绝对标高为-0.25 m，电梯井承台底标高-6.00 m）。

1.1 地岩土层分布特征

表1 场地岩土单元（层）一览Tab.1 List of Geotechnical Units（Layers）of the Site

由上述钻孔信息可知，场地内广布有软弱的淤泥、淤泥质土，具高压缩性和触变性，自然条件下因填土、淤泥层的长期固结压缩会导致地面持续缓慢下沉。同时勘探孔进一步揭露各土层厚度差异较大，其物理力学性质差别也较大，场地地基综合判定为不均匀地基。

1.2 场地地下水情况

场地地下水主要赋存于砂层（③3、③4）孔隙中及石英二长闪长岩风化裂隙中，所赋存的地下水均具有承压性。此外，场内填土（①1、①2、①3）孔隙中局部赋存上层滞水。勘探期间各含水层的混合地下水稳定水位埋深0.00～2.50 m，平均0.28 m，地下水位标高1.95～6.17 m。

可见，场地内砂层的承压水可能会对桩基施工造成一定的影响，如塌孔等。同时，由于地下水位较高，基坑开挖需进行地下水止水帷幕控制。

1.3 地工程地质评价与基础类型选择

由上述场地岩土层分布及地下水情况可知，场地工程地质条件评价为一般至较差，需采用适当的基础型式或地基处理后方可作建筑场地。综合地层条件与拟建建（构）筑物荷载特点、经济性及当地工程经验，本工程基础类型最终选定钻孔灌注桩型式，以中风化闪长岩作桩端持力层。

钻孔灌注桩设计桩径1.0～1.8 mm，桩长48～95 m，桩身混凝土强度为C40。但实际施工中由于工程地质复杂，深厚淤泥分布广且厚度变化幅度大，实际施工桩长最大接近100 m，部分楼栋平均桩长90 m，施工难度极大。

2 淤泥地层桩基实测方案

2.1 实测对象与方法

由于该场地内广布深厚淤泥层，且持力层基岩面起伏较大。为掌握桩基承载受力发挥机制，评价深厚淤泥地层灌注桩施工工艺工效，选取了项目场地现场3根不同直径（分别为1.2 m、1.4 m、1.6 m）的代表性工程桩进行受力与偏斜发展观测，其中桩身受力测试通过预焊接钢筋计到钢筋笼上的方式实现，钢筋计的安装间距根据土层分界面确定，每层沿周圈东西南北4个方位安装4支钢筋计，进而可获取桩体受压时不同桩身高度的拉压应力。桩身偏斜测试通过悬挂式倾角计的方式进行，并认为桩底嵌岩段为变形不动点，进而通过倾角能够获取不同深度桩体与地层的偏斜发展情况，如图1所示。

图1 典型灌注桩（A5-16）传感器布置详图与安装实照Fig.1 Sensor Details and Installation Photos of Typical Pile（A5-16）（m）

2.2 监测原理

基于钢筋计测试灌注桩桩身轴力的基本原理如下：首先假定桩身材料是均匀一致的，也即桩身的应力应变关系在整个桩长上都是相同的［8］。同时，在桩受压时桩内钢筋和混凝土共同受力工作，认为二者之间的变形是协调的，即εc=εi。

由振弦式钢筋计的测试原理可知，钢筋计所承受的轴力与传感器内部钢弦之间的关系为：

式中：Pi为被测钢筋计所受轴力（kN）；K为钢筋计的灵敏度系数（kN/Hz2）；f0为钢筋计的初始频率值；fi为钢筋计在第i级荷载时的频率值。

由Pi大小和钢筋计的弹性模量可计算得出钢筋计的应变为：

式中：εi为钢筋计应变；Es为钢筋计的弹性模量（MPa）；As为钢筋计截面面积（m2）。

根据上述假设可知桩身混凝土应变与钢筋计应变相同，即εc=εi，得出桩基轴力计算公式为：

将式⑴和⑵代入⑶可得：

式中：Qi为桩身第i截面轴力（kN）；Ec为桩身混凝土等效弹性模量（MPa）；Ac为桩基横截面面积（m2）。

综上所述，由钢筋计的轴力监测结果可推导出桩身整体横截面上的轴力大小，其核心思想为假设桩身混凝土的竖向应变与桩身钢筋主筋的竖向应变协调，从而进一步可推导得到桩身的轴力大小。但需要注意该公式中的等效弹性模量Ec，一般来说需要现场大量重复性试验来确定。考虑到混凝土结构中竖向抗压弹性模量的大小基本不受钢筋数量多少的影响，即素混凝土与钢筋混凝土的弹性模量基本相当，误差不超过10%。因此，在现场试验中，桩身截面的等效弹性模量通常使用经验公式进行计算，即分别把混凝土和钢筋的弹性模量与各自所占桩身截面积的百分比相乘然后相加，同时等效弹性模量应满足桩身混凝土和钢筋的变形协调要求，具体为等效弹性模量Ec=混凝土弹性模量+（钢筋截面积/混凝土截面积）。

得出桩身不同截面位置轴力Qi后，可进一步按下式推导出不同深度位置的桩侧摩阻力，计算公式如下：

式中：qsi为桩第i截面与第i+1截面间桩侧摩阻力（kPa）；i为桩监测断面顺序号，i=1，2，…，n，自桩顶以下从小到大排列；Qi为第i断面的轴力值（kN）；D为桩的截面直径（m）；li为第i截面与第i+1截面之间的距离（m）。

进一步依据力的平衡原理，可得出桩端阻力计算公式为：

式中：Qp为桩端阻力（kN）；Q为桩顶荷载（kN）。

3 实测结果与分析

3.1 早龄期混凝土水化温度分析

现场监测过程中对A5-16桩（桩径1.2 m）混凝土浇筑后18 d内不同层位温度演化进行了连续手动测试，实测数据演化如图2所示。

图2 典型灌注桩（A5-16）不同层位平均温度变化曲线Fig.2 Average Temperature of Typical Pile（A5-16）in Different Layers

通过实测浇筑后18 d桩基混凝土各层温度可知：灌注后混凝土开始剧烈水化放热，各层温度在前31 h持续上升，31 h后温度开始逐渐缓慢下降并趋于稳定，且各层温度均在30 h左右达到最高峰值，峰值过后前期温度下降速率最快，后期下降速率逐渐变慢，最终各层混凝土温度稳定在40℃左右，桩底第一层温度数据离散型偏大，平均温度至测试结束稳定在33℃左右。

进一步对不同深度位置桩基混凝土水化放热温度演化规律进行比较分析，如图2所示，可见不同层位混凝土水化升温规律基本一致，但相同时刻在越深位置温度越低（最大温差达15℃，随后逐渐稳定在9℃左右）。水化温度场呈现出自上而下矢量方向的放热热流，且在桩体的中上部存在热量积聚，形成了一定范围的高温核［9］。分析认为这与下部桩体多了一个桩底散热面有关，同时随着浇筑的进行，上部混凝土的放热存在滞后与叠加性，进而呈现出上部温度高的基本特征。由此可见，在大直径混凝土灌注桩（按《大体积混凝土施工标准：GB 50496—2018》规定最小几何尺寸大于0.8 m）中应关注桩芯与表面的温差，避免因内外温差过大出现温度裂缝，或引起桩基的约束内应力，影响后续桩基承载力的发挥。

3.2 早龄期钢筋轴力演化分析

灌注桩浇筑混凝土后不同深度位置钢筋计轴力演化如图3所示。

图3 钢筋轴力变化曲线Fig.3 Variation Curve of Axial Force of the Reinforcement

分析上述前18 d桩基钢筋计轴力演变数据可知：钢筋轴力受混凝土水化热膨胀约束影响，加之混凝土自重压缩作用导致在混凝土水化温度达到极值前表现为压缩趋势，随后随着混凝土的温度下降，轴力又不断减小。但从定量数值上看，由于桩基此刻没有外载施加，所有层位的轴力数值均在4～-10 kN以内，受力较小。

3.3 静载桩基承载变形特性分析

现场单桩静载试验按照《建筑基桩监测技术规范：JGJ 106—2014》，采用慢速维持荷载法进行，并通过安装位移计的方式，采用自动数据采集系统实时采集加卸载过程中荷载位移定量数值。

进一步，基于上述等应变原理对桩身轴力进行计算（其中C40混凝土桩身等效弹模取值为Ec=3.25×104N/mm2，HRB400钢筋弹模Es=2.0×105N/mm2），实测获得的不同深度位置桩身轴力与桩顶位移之间的变化曲线如图4所示。

图4 静载试验桩身轴力-沉降位移历时曲线Fig.4 Axial Force-settlement Displacement Curve of Pile in Static Load Test

由图4可知，试验桩静载Q-s曲线表现为典型的陡降型特征，依据《建筑桩基检测技术规范：JGJ 106—2014》取发生明显陡降的起始点对应的荷载值为单桩竖向抗压极限承载力，也即12 800 kN，该数值满足单桩承载力设计要求。但从沉降量值可看出该桩产生了刺入变形，初步分析与桩顶沉渣处理效果欠妥有关系（该楼栋地块为反循环钻机施工工艺成孔）。其次，从不同桩身位置的轴力数值大小可以看出，最大轴力数值出现在桩身上部第4层位置，由此说明该桩的承载机制是摩擦端承型，但第3层与第2层桩间轴力差值较小，说明对应的砾质黏土层对桩侧摩阻力的发挥效果不佳。

4 结论

⑴珠海横琴沿海地区广布含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、渗透性低的深厚淤泥软土地层，其承载力低，工程性质差，为典型的软弱土层，给深长钻孔灌注桩施工提出了新的挑战。

⑵厚淤泥地层中大直径灌注桩早龄期温度在浇筑后31 h内持续升温，最高可达65.3℃。且同一时刻越深位置温度越低，水化温度场呈现出自上而下矢量方向的放热热流。由此建议大直径混凝土灌注桩应关注桩芯与表面的温差，避免应内外温差过大出现温度裂缝，或引起桩基的约束内应力，影响后续桩基承载力的发挥。

⑶早龄期灌注桩钢筋轴力定量数值介于4～-10 kN以内，受力较小，且主要受混凝土水化放热膨胀约束及自重压缩作用影响。

⑷通过于桩身不同土层界面深度位置埋设钢筋计的方式，实测获得了厚淤泥地层灌注桩静载压缩变形一般特征。实测基桩静载Q-s曲线表现为典型的陡降型特征，该桩竖向抗压极限承载力为12 800 kN，满足单桩承载力设计要求。但该桩静载过程中桩的沉降位移偏大，桩体发生了刺入变形，初步分析认为与桩底沉渣处理效果欠妥有关系，由此提出厚淤泥地层灌注桩施工应注意沉渣处理等质量控制关键措施。