廖廣超，伍釗源，王 博，官大庶，3，況聯(lián)飛

（1、中煤江南建設發(fā)展有限公司 廣州 510170；2、中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室 江蘇徐州 221116；3、廣東水利電力職業(yè)技術學院 廣州 510610）

0 引言

粵港澳大灣區(qū)作為我國改革最早、開發(fā)程度最高、經濟活力最強的區(qū)域之一，在國家發(fā)展大局中具有重要的戰(zhàn)略地位。為實現(xiàn)灣區(qū)高質量發(fā)展，急需配套完成大量的基礎工程建設，但由于區(qū)域地質構造復雜、總體海拔較低、瀕臨海洋、水系發(fā)育、軟基廣布，給大灣區(qū)地下工程建設帶來了很不利影響，其中厚淤泥地層樁基設計、施工難題尤為突出。

針對淤泥軟土工程特性［1-2］、淤泥地層灌注樁施工常見問題與對策［3-5］以及厚淤泥地層灌注樁承載特性研究［6-7］這3個方面，相關學者已經取得了很多有益的結論，并成功指導了相關工程設計與施工。但由于軟土的工程特性受地質沉積環(huán)境等多種因素影響，不同地區(qū)軟土工程特性存在差異，相應地將導致厚淤泥地層中樁基設計理念與承載特性發(fā)揮的機制不同。

由此，本文以大灣區(qū)代表性城市珠海某沿海場地深長灌注樁為研究對象，通過現(xiàn)場實測的手段深入研究大直徑灌注樁早齡期水化溫度與軸力大小，以及靜載試驗過程中樁基承載特性發(fā)揮的一般特征。以期對工程設計和施工進行分析總結，并為大灣區(qū)類似工程建設提供一定參考。

1 工程概況及地質條件

某項目位于廣東省珠海市橫琴保稅區(qū)內，項目總用地面積約4萬m2。項目一期擬建建（構）筑物共6棟超高層（20～42層，100～200 m），主要為辦公樓、酒店及商業(yè)樓，擬采用框架結構、剪力墻結構及框筒結構，設地下室1層（基坑底絕對標高為-0.25 m，電梯井承臺底標高-6.00 m）。

1.1 地巖土層分布特征

表1 場地巖土單元（層）一覽Tab.1 List of Geotechnical Units（Layers）of the Site

由上述鉆孔信息可知，場地內廣布有軟弱的淤泥、淤泥質土，具高壓縮性和觸變性，自然條件下因填土、淤泥層的長期固結壓縮會導致地面持續(xù)緩慢下沉。同時勘探孔進一步揭露各土層厚度差異較大，其物理力學性質差別也較大，場地地基綜合判定為不均勻地基。

1.2 場地地下水情況

場地地下水主要賦存于砂層（③3、③4）孔隙中及石英二長閃長巖風化裂隙中，所賦存的地下水均具有承壓性。此外，場內填土（①1、①2、①3）孔隙中局部賦存上層滯水。勘探期間各含水層的混合地下水穩(wěn)定水位埋深0.00～2.50 m，平均0.28 m，地下水位標高1.95～6.17 m。

可見，場地內砂層的承壓水可能會對樁基施工造成一定的影響，如塌孔等。同時，由于地下水位較高，基坑開挖需進行地下水止水帷幕控制。

1.3 地工程地質評價與基礎類型選擇

由上述場地巖土層分布及地下水情況可知，場地工程地質條件評價為一般至較差，需采用適當?shù)幕A型式或地基處理后方可作建筑場地。綜合地層條件與擬建建（構）筑物荷載特點、經濟性及當?shù)毓こ探涷?，本工程基礎類型最終選定鉆孔灌注樁型式，以中風化閃長巖作樁端持力層。

鉆孔灌注樁設計樁徑1.0～1.8 mm，樁長48～95 m，樁身混凝土強度為C40。但實際施工中由于工程地質復雜，深厚淤泥分布廣且厚度變化幅度大，實際施工樁長最大接近100 m，部分樓棟平均樁長90 m，施工難度極大。

2 淤泥地層樁基實測方案

2.1 實測對象與方法

由于該場地內廣布深厚淤泥層，且持力層基巖面起伏較大。為掌握樁基承載受力發(fā)揮機制，評價深厚淤泥地層灌注樁施工工藝工效，選取了項目場地現(xiàn)場3根不同直徑（分別為1.2 m、1.4 m、1.6 m）的代表性工程樁進行受力與偏斜發(fā)展觀測，其中樁身受力測試通過預焊接鋼筋計到鋼筋籠上的方式實現(xiàn)，鋼筋計的安裝間距根據(jù)土層分界面確定，每層沿周圈東西南北4個方位安裝4支鋼筋計，進而可獲取樁體受壓時不同樁身高度的拉壓應力。樁身偏斜測試通過懸掛式傾角計的方式進行，并認為樁底嵌巖段為變形不動點，進而通過傾角能夠獲取不同深度樁體與地層的偏斜發(fā)展情況，如圖1所示。

圖1 典型灌注樁（A5-16）傳感器布置詳圖與安裝實照Fig.1 Sensor Details and Installation Photos of Typical Pile（A5-16）（m）

2.2 監(jiān)測原理

基于鋼筋計測試灌注樁樁身軸力的基本原理如下：首先假定樁身材料是均勻一致的，也即樁身的應力應變關系在整個樁長上都是相同的［8］。同時，在樁受壓時樁內鋼筋和混凝土共同受力工作，認為二者之間的變形是協(xié)調的，即εc=εi。

由振弦式鋼筋計的測試原理可知，鋼筋計所承受的軸力與傳感器內部鋼弦之間的關系為：

式中：Pi為被測鋼筋計所受軸力（kN）；K為鋼筋計的靈敏度系數(shù)（kN/Hz2）；f0為鋼筋計的初始頻率值；fi為鋼筋計在第i級荷載時的頻率值。

由Pi大小和鋼筋計的彈性模量可計算得出鋼筋計的應變?yōu)椋?/p>

式中：εi為鋼筋計應變；Es為鋼筋計的彈性模量（MPa）；As為鋼筋計截面面積（m2）。

根據(jù)上述假設可知樁身混凝土應變與鋼筋計應變相同，即εc=εi，得出樁基軸力計算公式為：

將式⑴和⑵代入⑶可得：

式中：Qi為樁身第i截面軸力（kN）；Ec為樁身混凝土等效彈性模量（MPa）；Ac為樁基橫截面面積（m2）。

綜上所述，由鋼筋計的軸力監(jiān)測結果可推導出樁身整體橫截面上的軸力大小，其核心思想為假設樁身混凝土的豎向應變與樁身鋼筋主筋的豎向應變協(xié)調，從而進一步可推導得到樁身的軸力大小。但需要注意該公式中的等效彈性模量Ec，一般來說需要現(xiàn)場大量重復性試驗來確定。考慮到混凝土結構中豎向抗壓彈性模量的大小基本不受鋼筋數(shù)量多少的影響，即素混凝土與鋼筋混凝土的彈性模量基本相當，誤差不超過10%。因此，在現(xiàn)場試驗中，樁身截面的等效彈性模量通常使用經驗公式進行計算，即分別把混凝土和鋼筋的彈性模量與各自所占樁身截面積的百分比相乘然后相加，同時等效彈性模量應滿足樁身混凝土和鋼筋的變形協(xié)調要求，具體為等效彈性模量Ec=混凝土彈性模量+（鋼筋截面積/混凝土截面積）。

得出樁身不同截面位置軸力Qi后，可進一步按下式推導出不同深度位置的樁側摩阻力，計算公式如下：

式中：qsi為樁第i截面與第i+1截面間樁側摩阻力（kPa）；i為樁監(jiān)測斷面順序號，i=1，2，…，n，自樁頂以下從小到大排列；Qi為第i斷面的軸力值（kN）；D為樁的截面直徑（m）；li為第i截面與第i+1截面之間的距離（m）。

進一步依據(jù)力的平衡原理，可得出樁端阻力計算公式為：

式中：Qp為樁端阻力（kN）；Q為樁頂荷載（kN）。

3 實測結果與分析

3.1 早齡期混凝土水化溫度分析

現(xiàn)場監(jiān)測過程中對A5-16樁（樁徑1.2 m）混凝土澆筑后18 d內不同層位溫度演化進行了連續(xù)手動測試，實測數(shù)據(jù)演化如圖2所示。

圖2 典型灌注樁（A5-16）不同層位平均溫度變化曲線Fig.2 Average Temperature of Typical Pile（A5-16）in Different Layers

通過實測澆筑后18 d樁基混凝土各層溫度可知：灌注后混凝土開始劇烈水化放熱，各層溫度在前31 h持續(xù)上升，31 h后溫度開始逐漸緩慢下降并趨于穩(wěn)定，且各層溫度均在30 h左右達到最高峰值，峰值過后前期溫度下降速率最快，后期下降速率逐漸變慢，最終各層混凝土溫度穩(wěn)定在40℃左右，樁底第一層溫度數(shù)據(jù)離散型偏大，平均溫度至測試結束穩(wěn)定在33℃左右。

進一步對不同深度位置樁基混凝土水化放熱溫度演化規(guī)律進行比較分析，如圖2所示，可見不同層位混凝土水化升溫規(guī)律基本一致，但相同時刻在越深位置溫度越低（最大溫差達15℃，隨后逐漸穩(wěn)定在9℃左右）。水化溫度場呈現(xiàn)出自上而下矢量方向的放熱熱流，且在樁體的中上部存在熱量積聚，形成了一定范圍的高溫核［9］。分析認為這與下部樁體多了一個樁底散熱面有關，同時隨著澆筑的進行，上部混凝土的放熱存在滯后與疊加性，進而呈現(xiàn)出上部溫度高的基本特征。由此可見，在大直徑混凝土灌注樁（按《大體積混凝土施工標準：GB 50496—2018》規(guī)定最小幾何尺寸大于0.8 m）中應關注樁芯與表面的溫差，避免因內外溫差過大出現(xiàn)溫度裂縫，或引起樁基的約束內應力，影響后續(xù)樁基承載力的發(fā)揮。

3.2 早齡期鋼筋軸力演化分析

灌注樁澆筑混凝土后不同深度位置鋼筋計軸力演化如圖3所示。

圖3 鋼筋軸力變化曲線Fig.3 Variation Curve of Axial Force of the Reinforcement

分析上述前18 d樁基鋼筋計軸力演變數(shù)據(jù)可知：鋼筋軸力受混凝土水化熱膨脹約束影響，加之混凝土自重壓縮作用導致在混凝土水化溫度達到極值前表現(xiàn)為壓縮趨勢，隨后隨著混凝土的溫度下降，軸力又不斷減小。但從定量數(shù)值上看，由于樁基此刻沒有外載施加，所有層位的軸力數(shù)值均在4～-10 kN以內，受力較小。

3.3 靜載樁基承載變形特性分析

現(xiàn)場單樁靜載試驗按照《建筑基樁監(jiān)測技術規(guī)范：JGJ 106—2014》，采用慢速維持荷載法進行，并通過安裝位移計的方式，采用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集加卸載過程中荷載位移定量數(shù)值。

進一步，基于上述等應變原理對樁身軸力進行計算（其中C40混凝土樁身等效彈模取值為Ec=3.25×104N/mm2，HRB400鋼筋彈模Es=2.0×105N/mm2），實測獲得的不同深度位置樁身軸力與樁頂位移之間的變化曲線如圖4所示。

圖4 靜載試驗樁身軸力-沉降位移歷時曲線Fig.4 Axial Force-settlement Displacement Curve of Pile in Static Load Test

由圖4可知，試驗樁靜載Q-s曲線表現(xiàn)為典型的陡降型特征，依據(jù)《建筑樁基檢測技術規(guī)范：JGJ 106—2014》取發(fā)生明顯陡降的起始點對應的荷載值為單樁豎向抗壓極限承載力，也即12 800 kN，該數(shù)值滿足單樁承載力設計要求。但從沉降量值可看出該樁產生了刺入變形，初步分析與樁頂沉渣處理效果欠妥有關系（該樓棟地塊為反循環(huán)鉆機施工工藝成孔）。其次，從不同樁身位置的軸力數(shù)值大小可以看出，最大軸力數(shù)值出現(xiàn)在樁身上部第4層位置，由此說明該樁的承載機制是摩擦端承型，但第3層與第2層樁間軸力差值較小，說明對應的礫質黏土層對樁側摩阻力的發(fā)揮效果不佳。

4 結論

⑴珠海橫琴沿海地區(qū)廣布含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、滲透性低的深厚淤泥軟土地層，其承載力低，工程性質差，為典型的軟弱土層，給深長鉆孔灌注樁施工提出了新的挑戰(zhàn)。

⑵厚淤泥地層中大直徑灌注樁早齡期溫度在澆筑后31 h內持續(xù)升溫，最高可達65.3℃。且同一時刻越深位置溫度越低，水化溫度場呈現(xiàn)出自上而下矢量方向的放熱熱流。由此建議大直徑混凝土灌注樁應關注樁芯與表面的溫差，避免應內外溫差過大出現(xiàn)溫度裂縫，或引起樁基的約束內應力，影響后續(xù)樁基承載力的發(fā)揮。

⑶早齡期灌注樁鋼筋軸力定量數(shù)值介于4～-10 kN以內，受力較小，且主要受混凝土水化放熱膨脹約束及自重壓縮作用影響。

⑷通過于樁身不同土層界面深度位置埋設鋼筋計的方式，實測獲得了厚淤泥地層灌注樁靜載壓縮變形一般特征。實測基樁靜載Q-s曲線表現(xiàn)為典型的陡降型特征，該樁豎向抗壓極限承載力為12 800 kN，滿足單樁承載力設計要求。但該樁靜載過程中樁的沉降位移偏大，樁體發(fā)生了刺入變形，初步分析認為與樁底沉渣處理效果欠妥有關系，由此提出厚淤泥地層灌注樁施工應注意沉渣處理等質量控制關鍵措施。