龍莉波 馬躍強(qiáng) 李 成 張晨雨 朱佳君
1.上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080;2.上海建筑工程逆作法工程技術(shù)研究中心 上海 200080;3.上海理工大學(xué) 上海 200093
本工程位于上海國(guó)際旅游度假區(qū)的南大門,總建筑面積94 847 m2,其中地下建筑面積49 310 m2,地上建筑面積45 537 m2;地下3 層,地上10 層,建筑高度45 m,如圖1所示。采用樁筏基礎(chǔ),普遍開挖深度17.5 m,基坑面積1 800 m2。
圖1 項(xiàng)目整體概況
工程工期緊張,周邊保護(hù)情況復(fù)雜,場(chǎng)地有限,因此采用上下同步逆作法施工。正常使用階段中,上部結(jié)構(gòu)荷載由四樁承臺(tái)形式共同承擔(dān),主樓區(qū)域單樁承載力7 000 kN。但在逆作施工階段中,上部結(jié)構(gòu)自重和施工荷載全部由單根鉆孔灌注樁承擔(dān),本工程主樓區(qū)域單樁豎向極限抗壓承載力達(dá)27 000 kN。為確定單樁豎向抗壓極限承載力,判定豎向抗壓承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求以及在設(shè)計(jì)荷載作用下樁的沉降量,同時(shí)為設(shè)計(jì)提供依據(jù),需進(jìn)行基樁檢測(cè)試驗(yàn)。
本次所進(jìn)行的靜載試驗(yàn)樁位于主樓區(qū)域,為大承載力鉆孔灌注樁(標(biāo)號(hào)SPC1),如圖2所示。樁徑1 200 mm,樁頂標(biāo)高-14.95 m,樁底標(biāo)高-79.95 m,有效樁長(zhǎng)65 m,樁尖進(jìn)入⑨細(xì)砂層。采用樁端后注漿的施工工藝,注漿水泥量為5 t,注漿壓力為2 MPa。
圖2 測(cè)試樁位示意
基樁靜載試驗(yàn)主要有3 種加載方法:堆載法、錨樁法和自平衡法。針對(duì)檢測(cè)樁實(shí)際情況,對(duì)3 種加載方法從技術(shù)、成本、進(jìn)度方面進(jìn)行了對(duì)比,可知自平衡法檢測(cè)技術(shù)在大噸位試樁試驗(yàn)中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì),特別適用于類似本工程的上下同步逆作法工程的靜載試驗(yàn)。
自平衡法的工作原理是把一種特制的加載裝置——荷載箱(荷載箱埋置深度根據(jù)樁及土層預(yù)先估算)和鋼筋籠焊接在一起埋入樁內(nèi),將荷載箱的高壓油管引到地面,然后澆筑成樁。由高壓油泵在地面向荷載箱充油加載,荷載箱將力傳遞到樁身,其上部樁身的摩擦力與下部樁的摩擦力及端阻力相平衡——自平衡來維持加載。根據(jù)向上向下Q-S曲線、S-lgT曲線、S-lgQ曲線以及等效轉(zhuǎn)換曲線確定基樁承載力和相應(yīng)沉降,如圖3所示。
圖3 自平衡法靜載試驗(yàn)示意
對(duì)于上下同步逆作法工程,基坑底以上部分為鋼管與填充材料之間的摩擦力,區(qū)別于常規(guī)項(xiàng)目中混凝土樁與土之間的摩擦力。由于前者摩擦力相對(duì)較小,在計(jì)算試驗(yàn)樁極限承載力時(shí)可以忽略不計(jì)。但后者必須考慮此段摩擦力,由于其計(jì)算值和實(shí)際值存在誤差,因此較難精確計(jì)算試驗(yàn)樁極限承載力值。另外在計(jì)算時(shí)要考慮由于混凝土泛漿部分的影響。
2.2.1 加載設(shè)備
1)檢測(cè)樁采用1 只環(huán)形荷載箱,其加載值的率定曲線由計(jì)量部門標(biāo)定。
2)使用高壓油泵和0.4級(jí)精密壓力表進(jìn)行加壓,壓力表最大加壓值為60 MPa,其壓力表亦由計(jì)量部門標(biāo)定。
2.2.2 位移量測(cè)
檢測(cè)時(shí)每根樁采用4 只電子位移測(cè)量檢測(cè)樁位移量的變位,通過位移滑塊固定在基準(zhǔn)梁上,2 只用于量測(cè)荷載箱頂板的向上位移,2 只用于量測(cè)荷載箱底板的向下位移。
2.2.3 加載檢測(cè)
檢測(cè)按照《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》(JT/T 738—2009)進(jìn)行,加載采用慢速維持荷載法,每級(jí)加載值為預(yù)估極限承載力的1/10,按10 級(jí)9 次加載,第1次按2 倍荷載分級(jí)加載,卸載分5 級(jí)進(jìn)行。每級(jí)加(卸)載后第1 h內(nèi)應(yīng)在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min測(cè)讀位移,以后每隔30 min測(cè)讀一次,達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后方可加(卸)下一級(jí)荷載。卸載到零后應(yīng)至少觀測(cè)2 h,測(cè)讀時(shí)間間隔同加載。整個(gè)試驗(yàn)過程順利,未出現(xiàn)異常情況,試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。
2.3.1 極限承載力
極限承載力的確定是靜載試驗(yàn)的首要目的,根據(jù)各試樁的加載極限值,可按下式確定試樁i的極限承載力:
式中:Pui——試樁i的單樁極限承載力,kN;
Quui——試樁i上段樁的加載極限值,kN;
Qlui——試樁i下段樁的加載極限值,kN;
Wi——試樁i荷載箱上部樁自重,kN,若荷載箱處于透水層,取浮自重;
γi——試樁i的抗托系數(shù),根據(jù)荷載箱上部土的類型確定:黏性土、粉土γi=0.8;砂土γi=0.7;巖石γi=1,若上部有不同類型的土層,γi取加權(quán)平均值(本工程取γi=0.8)。
依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制了自平衡法靜載試驗(yàn)曲線,如圖4所示。上段樁的加載極限值Quu=13 500 kN,下段樁的加載極限值Qlu=13 500 kN,荷載箱上部樁自重W=2 000 kN,根據(jù)公式(1)得出該檢測(cè)樁的抗壓極限承載力Pu=27 875 kN,滿足設(shè)計(jì)承載力特征值27 000 kN的要求。
2.3.2 等效轉(zhuǎn)換
為了更準(zhǔn)確地分析單樁的極限承載力,可以將自平衡法試驗(yàn)結(jié)果等效轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)Q-S曲線,利用傳統(tǒng)靜載的單樁極限承載力確定方法進(jìn)行輔析,同時(shí),也可以很好地驗(yàn)證自平衡法的有效性。
圖4 自平衡法靜載試驗(yàn)曲線
自平衡法測(cè)試結(jié)果向傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)的樁頂荷載位移曲線轉(zhuǎn)換方法根據(jù)向上、向下位移同步的原則擬合,即通過位移進(jìn)行疊加荷載的方法。根據(jù)2 種測(cè)試方法的受力分析,可以得出以下公式:
式中:P——轉(zhuǎn)換后樁頂荷載,kN;
S——轉(zhuǎn)換后樁頂位移,mm;
Q+——荷載箱向上加載值,kN;
Q-——荷載箱向下加載值,kN;
ΔS——樁身壓縮量,mm;
S-——向下位移,mm;
K——轉(zhuǎn)換系數(shù),
樁上段的樁身壓縮量ΔS為荷載箱下段荷載及上段荷載引起的上段樁的彈性壓縮變形之和,即:
式中:ΔS1——受壓樁上段在荷載箱下段力作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量,mm;
ΔS2——受壓樁上段在荷載箱上段力作用下產(chǎn)生的彈性壓縮變形量,mm。
式中:Q-——荷載箱向下荷載,kN;
Q+——對(duì)應(yīng)于自平衡法Q+-S+曲線中上段樁位移絕對(duì)值等于S-時(shí)的上段樁荷載,kN;
L——上段樁長(zhǎng)度,m;
E
P
AP——樁身截面面積,m2;
W——試樁i荷載箱上部樁自重,kN。Pu的取值對(duì)于自平衡法而言,每一加載等級(jí)由荷載箱產(chǎn)生的向上、向下的力是相等的,但所產(chǎn)生的位移量是不相等的。因此,Q+應(yīng)該是對(duì)應(yīng)于自平衡法Q+-S+曲線中上段樁位移絕對(duì)值等于S-時(shí)的上段樁荷載。加載曲線如圖5所示。
圖5 SPC1樁等效樁頂加載曲線
2.3.3 檢測(cè)結(jié)果
SPC1樁抗壓極限承載力為27 875 kN,根據(jù)等效轉(zhuǎn)換樁頂加載曲線,其對(duì)應(yīng)沉降量為58.70 mm,承載力特征值為13 938 kN,滿足設(shè)計(jì)承載力特征值13 500 kN的要求。對(duì)應(yīng)沉降量為17.48 mm,滿足規(guī)范差異沉降不宜大于1/400柱距,且不宜大于20 mm的要求。
自平衡法樁基檢測(cè)技術(shù)具有不占用施工場(chǎng)地、不影響施工進(jìn)度、工地安全易保障、檢測(cè)單樁承載力大、檢測(cè)成本易控制等優(yōu)點(diǎn),而上下同步逆作法工程的樁基抗壓極限承載力一般較大,使用其他形式加載的靜載試驗(yàn)存在諸多弊端。本工程的成功實(shí)踐,說明自平衡法樁基檢測(cè)技術(shù)在上下同步逆作法工程中具有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值,但自平衡法在理論計(jì)算上尚有一定缺陷,荷載箱位置計(jì)算仍容易產(chǎn)生誤差。測(cè)得的樁承載力往往較實(shí)際值小,偏于保守安全,因此自平衡法仍值得進(jìn)一步地研究及深化[1-5]。