周曉波，包自成，辛軍霞，吳興征

（1.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第一檢測(cè)所有限責(zé)任公司，北京 100039；2.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002）

0 引言

北京城市副中心站綜合交通樞紐工程定位為副中心未來的交通中心。它連接平谷線、M6 線、M101 線3 條軌道交通線路和京唐鐵路、城際聯(lián)絡(luò)線兩條鐵路線，成為亞洲最大的地下綜合交通樞紐。項(xiàng)目用地范圍約 6.1×10 m2，地下總建筑面積約 128 萬 m2，地上面積約 139 萬 m2，地下樞紐部分總投資約為 345 億元。其中車站的地下 3 層部分整體埋深為 32 m。

基于該工程的重要性，設(shè)計(jì)單位共設(shè)置了大小兩種樁徑的試驗(yàn)樁，均為鉆孔灌注樁，其中樁徑為 2 400 mm 的樁同時(shí)進(jìn)行抗壓（Compression）和抗拔（Pullout）靜載試驗(yàn)，樁徑為 1 000 mm 的樁只進(jìn)行抗拔靜載試驗(yàn)。為了對(duì)比擴(kuò)底和注漿兩種施工工藝對(duì)樁基承載力的提高效果，分別設(shè)置擴(kuò)底（Expansion）、注漿（Grouting）、既擴(kuò)底又注漿（Expansion and Grouting）等工況進(jìn)行靜載試驗(yàn)，對(duì)所有試驗(yàn)樁進(jìn)行樁身內(nèi)力測(cè)試［1］，得到樁側(cè)各土層的分層抗壓（拔）側(cè)摩阻力和端阻力，測(cè)試成果為后期工程樁的設(shè)計(jì)提供更加詳細(xì)和可靠的依據(jù)。

針對(duì)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，檢測(cè)單位自行研制了超大鋼梁和多功能錨盤等加載設(shè)施，使得豎向抗壓靜載試驗(yàn)最大加載值達(dá)到了 70 000 kN，抗拔靜載試驗(yàn)最大加載值達(dá)到了 45 000 kN?；谠囼?yàn)樁靜載測(cè)試成果，依據(jù)相關(guān)規(guī)范［2］，對(duì)各種工況下側(cè)摩阻力進(jìn)行深入分析，為后續(xù)工程樁的設(shè)計(jì)和類似工程的樁基靜載試驗(yàn)提供有力數(shù)據(jù)支持和經(jīng)驗(yàn)積累。

1 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.1 地質(zhì)情況

控制性探孔的最大深度為 105 m，該場(chǎng)地土層劃分為人工堆積層、新近沉積層及第四紀(jì)沉積層三大類，并根據(jù)各土層巖性及工程性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)一步劃分 14 個(gè)大層及亞層。該場(chǎng)地的地質(zhì)勘察報(bào)告［3］給出的樁側(cè)土體及持力層以細(xì)砂和中砂為主。圖 1 給出典型地質(zhì)剖面示意和土層名稱。與文獻(xiàn)［4］類似，場(chǎng)區(qū)內(nèi)量測(cè)到 3 層地下水，其中淺層地下水水位的標(biāo)高為 8.81～10.28 m。

圖1 樁位典型地質(zhì)剖面（單位：mm）

試驗(yàn)樁位置的土工參數(shù)，包括各土層的黏聚力、內(nèi)摩擦角、極限側(cè)阻力和極限端阻力等，如表 1 所示。

表1 樁周各土層參數(shù)

1.2 試驗(yàn)樁類型

試驗(yàn)樁長(zhǎng)約 71.6 m，樁徑分別為 2 400 mm（記為大直徑樁）與 1 000 mm（記為小直徑樁）兩類。樁徑 2 400 mm 的樁先進(jìn)行抗壓（Compression，簡(jiǎn)記為CT）然后對(duì)同一根樁再進(jìn)行抗拔（Pullout，簡(jiǎn)記為 PT）靜載試驗(yàn)。樁徑 1 000 mm 的樁只進(jìn)行抗拔靜載試驗(yàn)。擴(kuò)底（Expansion）簡(jiǎn)記為 EX，不擴(kuò)底樁記為 NE。注漿（Grouting）簡(jiǎn)記為 GR，不注漿記為 NG。各種樁型的設(shè)計(jì)參數(shù)如表 2 所示，每種樁型進(jìn)行兩根平行測(cè)試。

表2 試驗(yàn)樁參數(shù)

這 16 根試驗(yàn)樁的平面布置如圖 2 所示。

圖2 試驗(yàn)樁平面布置（單位：mm）

1.3 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3.1 大直徑樁的單樁豎向抗壓試驗(yàn)

單樁豎向抗壓試驗(yàn)采用堆載-錨樁聯(lián)合法，其中錨樁最大提供 40 000 kN 的反力，其余反力由配重提供。4 根主梁與 4 根次梁長(zhǎng)度均為 10 m，它們聯(lián)合組成反力框架，其中主梁每根重 16 t，次梁每根重 13 t。其中一根試驗(yàn)樁的現(xiàn)場(chǎng)加載照片如圖 3 所示。加荷方式為液壓千斤頂（高壓泵站），采用 8 個(gè) 1 000 t 液壓千斤頂并聯(lián)。加載值由靜荷載測(cè)試分析儀測(cè)讀，單樁豎向抗壓靜載分為 14 級(jí)施加，用 4 個(gè)位移傳感器測(cè)讀樁頂?shù)某两盗?。試?yàn)終止的條件為：累計(jì)位移量超過 80 mm、樁周土出現(xiàn)開裂或錨樁主筋達(dá)到屈服強(qiáng)度。

圖3 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

四根抗壓靜載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如圖 4 所示。后兩根擴(kuò)底樁在同等加載下的沉降量值較小，尤其是當(dāng)加載＞40 000 kN 的情況?？梢?，擴(kuò)底措施對(duì)于提高基樁的承載力具有明顯的效果，可提高 20 % 左右。

圖4 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)加載曲線

表 3 列出這些大直徑抗壓樁靜載試驗(yàn)得到的最大極限承載力。其極限承載力最大值為 70 000 kN，最終沉降量為 81.28 mm。最小值為 57 000 kN，最終沉降量為 67.68 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，該項(xiàng)目試驗(yàn)樁的承載力均大于預(yù)估值。

根據(jù)測(cè)試得到的荷載-沉降曲線，可通過線性插值得到沉降量值為 40 mm 時(shí)的承載力，還可以預(yù)估極限抗壓承載力時(shí)的沉降量，如表 3 所示。

表3 大直徑抗壓樁靜載試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2 大直徑樁的單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)

單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)采用反力樁提供支座反力。采用的反力平臺(tái)與抗壓測(cè)試時(shí)無異。加荷方式為液壓千斤頂（高壓泵站），采用 6 個(gè) 1 000 t 液壓千斤頂并聯(lián)。加載值由靜荷載測(cè)試分析儀測(cè)讀，單樁豎向抗拔靜載分為 14 級(jí)施加，用 4 個(gè)位移傳感器測(cè)讀樁頂?shù)纳习瘟?。試?yàn)終止的條件為：累計(jì)位移量超過 100 mm 或樁周土出現(xiàn)開裂。

抗拔靜載試驗(yàn)測(cè)試成果如圖 5 所示。后兩根擴(kuò)底樁在同等加載下的上拔量值較小，尤其是當(dāng)加載＞30 000 kN 的情況下?？梢?，擴(kuò)底處理對(duì)于提高基樁的上拔承載力具有較好效果，特別是荷載量值較大時(shí)。

圖5 單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)加載曲線

表 4 列出這些大直徑抗拔樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果。其極限最大值為 45 000 kN，最大上拔量為 68.43 mm。極限抗拔力的最小值為 40 500 kN，最大上拔量為101.06 mm。

根據(jù)測(cè)試得到的荷載-沉降曲線，可求出上拔量為40 mm 時(shí)的承載力以及預(yù)估極限抗拔承載力時(shí)的上拔量，如表 4 所示。

表4 大直徑抗拔樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果

1.3.3 小直徑樁的單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)

單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)采用反力樁提供支座反力。加荷方式采用 4 個(gè) 1 000 t 液壓千斤頂并聯(lián)。圖 6 給出 8 根樁抗拔靜載試驗(yàn)得到的荷載與上拔量之間的關(guān)系。通過對(duì)比擴(kuò)底前后與后注漿工藝實(shí)施與否的測(cè)試成果可以看出，擴(kuò)底與后注漿對(duì)基樁抗拔承載力的提高效果較明顯。

圖6 小直徑單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)加載曲線

小直徑抗拔樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所示。其單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)極限值最大值為 22 000 kN，最小值為 12 900 kN。根據(jù)測(cè)試得到的荷載-沉降曲線，可得到上拔量為 40 mm 時(shí)的承載力以及預(yù)估極限抗拔承載力時(shí)的上拔量。

表5 小直徑抗拔樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果

2 樁身內(nèi)力測(cè)試數(shù)據(jù)分析

采用鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行樁身內(nèi)力測(cè)試，沿樁身每一不同深度的土層分界處各布設(shè) 3 只鋼筋應(yīng)力計(jì)。在施工單位綁扎鋼筋籠的同時(shí)，根據(jù)預(yù)先定好的測(cè)試斷面，將應(yīng)力計(jì)綁焊在鋼筋籠主筋上，在安裝過程中沿鋼筋籠主筋用鐵絲固定扎牢，引至鋼筋籠頂端，先將導(dǎo)線端部做好防水處理，再將導(dǎo)線臨時(shí)固定在鋼筋籠端部，等待吊裝鋼筋籠，當(dāng)樁成孔完成后，吊裝鋼筋籠過程中應(yīng)避免碰撞應(yīng)力計(jì)及導(dǎo)線。在鋼筋下放過程中和灌注混凝土過程中必須有人值守，保護(hù)應(yīng)力計(jì)及導(dǎo)線完好。在土方施工及剔鑿樁頭時(shí)應(yīng)確保外導(dǎo)線完好［5-7］。

通過振弦式讀數(shù)儀的頻率計(jì)采集頻率，經(jīng)換算得到鋼筋的應(yīng)變。依據(jù) JGJ 106－2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》條文中第 A.0.13 條的規(guī)定，樁身內(nèi)力測(cè)試與抗壓、抗拔靜載試驗(yàn)同步進(jìn)行，鋼筋應(yīng)變量于每級(jí)荷載作用下穩(wěn)定后測(cè)得，進(jìn)而由應(yīng)變計(jì)算得到斷面處樁身軸力Q及樁側(cè)土的分層側(cè)阻力qs。比如，樁身第i斷面的軸力見式（1）：

式中：Es為鋼筋彈性模量，εsi第i斷面的鋼筋應(yīng)變，As為鋼筋斷面面積。第i斷面的qsi如式（2）所示。

式中：u為樁身周長(zhǎng)，li第i斷面的樁長(zhǎng)。

2.1 大直徑豎向抗壓樁

圖 7 給出 CT-D2400-NE-GR-01 試驗(yàn)樁軸力分布曲線。由圖 7 所示，樁體所承受的豎向荷載克服樁側(cè)摩阻力向下傳遞，樁身軸力隨埋深增加而減小，且減小幅度受到樁周土層剪切強(qiáng)度的影響而有所不同。其他樁體的軸力分布趨勢(shì)類似，即各斷面處軸力在同級(jí)荷載水平下隨著深度增加逐漸減小，不再列示。

圖7 CT-D2400-NE-GR-01試驗(yàn)樁各級(jí)荷載下樁身內(nèi)力分布

圖 8 給出大直徑樁抗壓的各土層側(cè)阻力測(cè)試結(jié)果。各測(cè)試斷面摩阻力隨荷載增加而增大，且均為正值，但隨著土層的變化而有所不同。根據(jù)側(cè)摩阻力沿著深度的分布曲線可以看出，在約 25 m 深度內(nèi)，樁周摩阻力表現(xiàn)為應(yīng)力強(qiáng)化（即隨著荷載和位移增大，摩阻力也持續(xù)增加），但在約 50 m 深度以下，前三級(jí)加載下隨著沉降增加摩阻力增大，但隨后側(cè)摩阻力呈現(xiàn)減小狀態(tài)。通過對(duì)比多級(jí)荷載水平下的成果可見，側(cè)摩阻力發(fā)揮隨荷載增大而增加。擴(kuò)底及樁側(cè)注漿部分作用明顯。

圖8 大直徑抗壓試驗(yàn)樁的平均側(cè)摩阻力分層示意

2.2 大直徑豎向抗拔樁

圖 9 給出大直徑抗拔的樁側(cè)土分層抗拔阻力測(cè)試結(jié)果。根據(jù)側(cè)摩阻力沿著深度的分布曲線可以看出，樁周摩阻力隨著荷載和位移增大，摩阻力也持續(xù)增加，尤其是接近樁端的部位。

圖9 大直徑抗拔試驗(yàn)樁的平均側(cè)摩阻力分層示意

2.3 小直徑豎向抗拔樁

圖 10 給出小直徑抗拔樁的樁側(cè)土分層抗拔阻力成果。由圖可見，前兩級(jí)加載時(shí)側(cè)摩阻力沿著樁長(zhǎng)皆有分布。隨著荷載加大，下部樁段的側(cè)摩阻力得到較充分的發(fā)揮，這與前述大直徑抗拔試驗(yàn)得到的趨勢(shì)類似。比如，這里接近樁端的最大平均側(cè)摩阻力約為 70 kPa。這是由于深部土層的側(cè)壓力較大，土體的抗剪強(qiáng)度較高，在極限抗拔狀態(tài)下發(fā)揮的摩阻力也大，進(jìn)而提高了基樁的側(cè)摩阻力。

3 結(jié)論

采用自行研制的超大鋼梁和多功能錨盤等加載設(shè)施，采用堆載-錨樁聯(lián)合法實(shí)現(xiàn)了抗壓最大加載達(dá)到70 000 kN。采用錨樁法實(shí)現(xiàn)了抗拔最大加載達(dá)到 45 000 kN。

結(jié)合北京城市副中心站綜合交通樞紐項(xiàng)目試驗(yàn)樁的靜載測(cè)試結(jié)果，通過各種樁型下的荷載-沉降測(cè)試曲線的對(duì)比發(fā)現(xiàn)擴(kuò)底及樁側(cè)注漿部分的承載力提高明顯。所有靜載試驗(yàn)無論是承載力還是位移量都達(dá)到了設(shè)計(jì)針對(duì)試驗(yàn)樁提出的要求，為下一步工程樁的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供了有力技術(shù)支撐。

試驗(yàn)樁的樁身內(nèi)力測(cè)試結(jié)果表明，各測(cè)試斷面軸力隨荷載增加而增大，各斷面處軸力在同級(jí)荷載作用下自上而下逐漸減小。樁側(cè)土摩阻力發(fā)揮隨荷載增大而增加，擴(kuò)底及樁側(cè)注漿部分作用明顯。Q