高層建筑工程中大直徑灌注樁承載力試驗研究

摘要：本文以某高層建筑工程為例，開展大直徑灌注樁承載力試驗研究，以確保高層建筑具有較好的穩(wěn)定性。本研究依靠堆載反力系統(tǒng)，通過千斤頂逐步施加靜荷載至樁體破壞，在每段加載完成后，分別在5 min，10 min和15 min測量一次樁體的計算變形，記錄并分析結(jié)果。通過試驗得出，五根試驗樁的極限承載力各不相同，最大荷載值高達(dá)15 000 kN，而最小荷載值為750 kN。大直徑灌注樁承載力由樁側(cè)阻力與樁端阻力共同承擔(dān)，在試驗中選取的灌注樁承載力均可滿足相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：高層建筑；大直徑灌注樁；承載力試驗；荷載沉降

中圖分類號：TU473.14" """"文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" """"文章編號：2096-2118（2024）05-0070-04

Experimental Study on Bearing Capacity of Large-Diameter Cast-in-Place

Piles in High-Rise Building Projects

SUN Xuelong

（Jiangxi Zhongchang Testing Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi" 330000，China）

Abstract：In this paper，taking a high-rise building project as an example，the bearing capacity test of large-diameter cast-in-place pile is carried out to ensure that the high-rise building has better stability.This study relies on the overload reaction system to gradually apply static load to pile failure through jacks，after each stage of loading is completed，the calculated deformation of pile is measured at 5 min，10 min and 15 min respectively，and the results are recorded and analyzed.The results show that the ultimate bearing capacity of the five piles is different，the maximum load value is up to 15 000 kN，while the minimum load value is 750 kN.The bearing capacity of large-diameter cast-in-situ piles is borne by both side resistance and end resistance，and the bearing capacity of cast-in-situ piles selected in the test can meet the relevant requirements.

Keywords：high-rise building；large diameter cast-in-place pile；bearing capacity test；load settlement

0" 引言

隨著現(xiàn)代建筑工程的不斷發(fā)展，高層建筑已成為城市景觀的一部分。為確保高層建筑的穩(wěn)定性，其基礎(chǔ)工程顯得至關(guān)重要，其中，大直徑灌注樁承載力試驗是其中一項關(guān)鍵技術(shù)，它對于保證建筑物的安全性和穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。目前，大直徑灌注樁承載力試驗的研究已在國內(nèi)外取得了一定的進(jìn)展。學(xué)者們通過大量的試驗研究和理論分析，提出了一系列計算方法和設(shè)計規(guī)范。然而，考慮到大直徑灌注樁的施工條件、地質(zhì)環(huán)境，以及承載力受多種因素影響，仍然存在一些未解決的問題[1]。目前，大直徑灌注樁承載力試驗的研究主要集中在以下幾個方面。

靜載試驗：在靜載試驗中，選擇適當(dāng)?shù)募虞d設(shè)備和裝置至關(guān)重要，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。一些學(xué)者采用彈性力學(xué)方法對樁基進(jìn)行建模和分析，計算樁基的應(yīng)力分布和位移情況[2]。一些學(xué)者還提出了基于經(jīng)驗公式的靜載試驗方法，通過可靠度指標(biāo)分析大量試驗數(shù)據(jù)，得出樁基承載力和沉降量的預(yù)測公式[3]。這些方法和公式為樁基工程的設(shè)計和施工提供了重要的參考依據(jù)。

動載試驗：動載試驗是通過振動或其他動力荷載來測試樁基的性能。國內(nèi)外學(xué)者通過研究樁基的動力響應(yīng)，提出了多種動載試驗方法和計算公式。

數(shù)值模擬方法：數(shù)值模擬方法通過計算機模擬樁基的實際受力情況，以預(yù)測其性能和承載力。國內(nèi)外學(xué)者通過開發(fā)數(shù)值模擬軟件，對樁基的性能進(jìn)行了深入研究[4]。

以上研究方法和成果為大直徑灌注樁承載力試驗提供了重要的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)[5]。然而，由于不同地區(qū)、不同工程條件的差異，大直徑灌注樁的承載力和性能仍存在一些尚待解決的問題[6]。因此，本文以某高層建筑工程為例，開展大直徑灌注樁承載力試驗研究，探討其承載力和性能的影響因素和規(guī)律，以期為高層建筑工程的設(shè)計和施工提供參考和指導(dǎo)。

1" 工程概況

本文以江蘇省南京市某高層建筑施工項目為例開展研究。該項目用地面積為23 735.24 m2，計劃建設(shè)2棟超高層塔樓、4層裙樓和4層地下室，總建筑面積約為18萬m2。項目基坑面積為21 563 m2，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的方式來進(jìn)行基坑支護。根據(jù)本項目的巖土工程詳細(xì)勘察報告，該工程涉及的巖土層可以劃分為人工填土層、海相沉積層、海陸交互相沉積層、花崗巖殘積層和燕山三期花崗巖。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)顯示，在本場地的鉆孔深度范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的全新世活動斷裂構(gòu)造痕跡，也沒有出現(xiàn)土洞、塌陷、滑坡、泥石流或采空區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象。各土（巖）層在場地內(nèi)分布穩(wěn)定，場地開闊，地形相對平坦。根據(jù)項目巖土工程詳細(xì)勘察報告建議，結(jié)合工程荷載特點，該項目的樁基工程選用灌注樁。以此為基礎(chǔ)，開展試驗研究。

2" 裝置與方法

2.1" 試驗裝置設(shè)備

在該工程中，測試大直徑灌注樁的承載能力，使其能精確控制施加載荷[7]。本次選用多個壓力傳感器與1臺靜力載荷測試儀配合使用，以實現(xiàn)對加荷量的精確控制。在豎向靜載試驗中，負(fù)載控制是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。豎向靜載試驗加荷等級見表1。

根據(jù)表1中詳細(xì)列出的每個階段所需的載荷值，可以據(jù)此逐步施加載荷，從而對樁的承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確評估。試驗裝置和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大直徑灌注樁承載力的精確測試。通過逐步施加載荷并監(jiān)測樁的反應(yīng)，可以獲得樁在各種情況下的性能數(shù)據(jù)。

本次采用了4個容柵式數(shù)顯位移傳感器，精確測量樁的頂部位置，并在豎向靜載試驗中自動記錄負(fù)載情況。此外，還使用了振動線型應(yīng)力測量方法對1#和2#測試樁進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變測試。根據(jù)鉆探施工期間獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)，在中試過程中，將多個應(yīng)力計以對稱正交的方式安裝在每個代表性的剖面上，并放置于鋼籠內(nèi)。通過測量應(yīng)力計來監(jiān)測導(dǎo)線應(yīng)力，從而評估導(dǎo)線的軸向力和側(cè)向摩擦阻力[8]。

為了保持施力點與樁頂、地面平行，本次在水平反力裝置中使用了水平千斤頂施加水平推力。為了確保對負(fù)載量精確控制，選擇輪輻式負(fù)載傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時，使用位移傳感器測量水平位移，并通過靜載荷測試儀自動記錄數(shù)據(jù)。在水平靜載荷試驗中，載荷水平見表2。

2.2" 試樁方法

選取本項目中五根灌注樁作為試驗樁，從1#～5#對其進(jìn)行編號，其直徑為D=1 500 m。對其中1#，2#，3#樁進(jìn)行垂直荷載試驗，而4#和5#樁則進(jìn)行了水平荷載試驗[9]。這些試驗中涉及的施工參數(shù)主要見表3。

由表3可知，這些參數(shù)的精確控制對于試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。在本次試驗中，采取嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)采集和監(jiān)控措施，密切關(guān)注每根樁在試驗過程中的數(shù)據(jù)變化，包括但不限于樁身的位移、應(yīng)變、壓力等關(guān)鍵指標(biāo)。這些實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測可以更好地理解和分析樁基的性能和承載力。

該樁主體使用的是C25混凝土，這種混凝土具有高強度和良好的耐久性。主筋采用了HRB335鋼筋，這種鋼筋具有較高的強度和良好的韌性，能夠有效地提高樁的承載能力。錨固采用了HPB235鋼筋，這種鋼筋具有較好的延性和抗剪強度，能夠提供可靠的固定作用?；炷帘Ｗo層厚度為50 mm，能夠有效地保護鋼筋不受外界環(huán)境的影響，延長樁的使用壽命[10]。樁徑誤差為±20 mm，垂直允許誤差lt;1%，這些要求保證了樁的制造精度和安裝時的穩(wěn)定性。管底層厚度規(guī)格要求為50 mm，主錨采用20根Φ22 mm鋼筋，這些措施能夠提供穩(wěn)固的支撐和錨定。上部結(jié)構(gòu)采用了Hoops F10@250 mm的鋼筋布置方式，這種布置方式能夠提供足夠的抗拉和抗壓強度。預(yù)估單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為15 000 kN，預(yù)估單樁水平極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 200 kN，這些數(shù)值是基于對該場地地質(zhì)條件的詳細(xì)分析和模擬計算得出的，能夠為設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

豎向抗壓靜載荷試驗是在灌注樁完成后28 d進(jìn)行的，以確保樁身混凝土充分固化并達(dá)到設(shè)計強度。試驗載荷裝置采用堆重反應(yīng)裝置，該裝置能夠模擬樁在實際工作中的受力情況。在樁頂部安裝承壓樁體和6個FQS500（500 t）鉗口，以確保試驗過程中的穩(wěn)定性和安全性。為組裝反應(yīng)架，采用了4個主梁和4個輔助梁，這些梁具有足夠的強度和剛度，以承受試驗過程中的反力。

參考梁是試驗裝置中的重要組成部分，其具有一定強度，一端固定在參考樁體上，另一端則簡單地支撐在基準(zhǔn)樁上。通過立式響應(yīng)系統(tǒng)，可以對樁體的破壞進(jìn)行靜態(tài)加載。在這一過程中，依靠堆載反力通過千斤頂逐步施加靜荷載。每級荷載施加后，需等待樁頂沉降量達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后再施加下級荷載。這一系列操作確保了試驗的準(zhǔn)確性和可靠性，試驗加載過程如圖1所示。

在每段加載完成后，應(yīng)分別在5 min，10 min和15 min測量一次樁體的計算變形。判斷樁體的穩(wěn)定性有明確的標(biāo)準(zhǔn)：在沉降樁位置處的位移lt;0.1 mm。此外，每次載荷水平增加時，都取沉降樁垂直端載荷的1/10作為標(biāo)準(zhǔn)。為確保測試的準(zhǔn)確性，以及在給定P荷載作用下的鋼弦自振頻率F1，鋼筋的荷載值計算公式如下：

P=K×（F1-F0）+B（1）

式（1）中：P為鋼筋的荷載值，kN；F1為鋼弦在某種特定條件下的自振頻率，Hz；F0為鋼弦在未受外力或初始狀態(tài)下的自振頻率，Hz；K和B分別為在鋼線頻率測量設(shè)備中測量的值，Hz。由（1）計算出鋼筋的荷載值，以還原基巖的最終差異和最終橫向摩擦阻力。在單樁水平荷載試驗之前，進(jìn)行低應(yīng)變樁完整性試驗，以確保樁身的完整性和無損傷。只有當(dāng)完整性試驗合格后，才可進(jìn)行水平荷載試驗。在水平荷載試驗中，使用估算水平最終荷載的1/12作為每個荷載水平的荷載增量。測量剩余的水平移動，從而完成一個循環(huán)。在完成第一級負(fù)載測試后，會觀察五個循環(huán)。如果樁身出現(xiàn)折斷或水平位移超過30 mm，應(yīng)立即停止試驗。

3" 試驗結(jié)果與分析

五根試驗樁的極限承載力各不相同，最大荷載值高達(dá)15 000 kN，而最小荷載值為750 kN。在試驗過程中，上樁體的沉降范圍為48 mm～65 mm。除了5#試驗樁之外，其他試驗中的荷載曲線并未進(jìn)行實質(zhì)性的修改，完全按照建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范進(jìn)行操作。當(dāng)樁頂上部沉降荷載達(dá)到60 mm～80 mm時，應(yīng)暫停加載?？紤]到樁頂沉降量過大，本次試驗選擇容許沉降量作為確定極限承載力的控制指標(biāo)，即將沉降量為60 mm時的荷載定義為極限承載力。

3.1" 豎向承載性狀

1# ，2# ，3# 試樁的荷載-沉降曲線平均值如圖 2 所示。

由圖2可知，當(dāng)三根試驗樁承受的載荷達(dá)到15 000 kN時，曲線并未出現(xiàn)陡降，這表明在這種情況下，測試樁仍有能力繼續(xù)承載。然而，雖然此時的接收能力已經(jīng)滿足建設(shè)要求，但為保護設(shè)備，決定不再繼續(xù)增加載荷，此時進(jìn)行卸載觀測。三根測試樁最終的載荷為15 000 kN。

3.2" 水平承載性狀

在加載過程中，4#樁體在達(dá)到1 200 kN的載荷后，加載中止。而5#樁在加載至1 200 kN后，由于水平位移超過30 mm，也中止了加載。這些措施均旨在確保樁體和設(shè)備完好無損，為后續(xù)的試驗提供保障。單樁水平載荷試驗沉降樁的結(jié)果見表4。

在表4中，4#和5#試驗沉降樁在水平荷載接近臨界荷載時表現(xiàn)出良好的工作狀態(tài)。在最大水平移動量為10 mm的條件下，這些樁體仍然能夠承受載荷，并且沒有出現(xiàn)任何異常。因此，最終將水平載荷取為極限載荷的1/2，即750 kN。對于4#和5#試樁，當(dāng)水平位移達(dá)到10 mm時，對應(yīng)的最低水平荷載為900 kN。

4" 試驗結(jié)果討論

在高層建筑工程中大直徑灌注樁的承載力試驗結(jié)果中，當(dāng)載荷作用于樁的末端并實現(xiàn)樁側(cè)穩(wěn)定性時，載荷與樁側(cè)阻力和樁的最終承載力之間發(fā)生了共同作用。然而，這一過程表現(xiàn)出摩擦樁的特征。

在豎向荷載作用下，樁側(cè)阻力從上至下逐步發(fā)揮，并達(dá)到相應(yīng)的極限狀態(tài)。這個過程是逐步的，具有明顯的層次性。這種層次性發(fā)揮的樁側(cè)阻力，使得樁體能夠更好地適應(yīng)豎向荷載的變化，從而在整體上提高了樁的承載能力。

此外，試驗還表明樁側(cè)阻力的發(fā)揮與樁頂荷載大小密切相關(guān)。隨著樁頂荷載的增加，樁側(cè)阻力也在逐漸增強。這種增強是連續(xù)的，呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。這種關(guān)系在高層建筑工程中大直徑灌注樁的承載力試驗中得到了充分驗證。

在每級荷載的作用下，隨著荷載的增加，樁端阻力在整體承載力中所占的比重逐漸增大。隨著荷載的進(jìn)一步增加，樁身軸力在深度方向上的分布呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢，即上部軸力較小而下部軸力較大。

樁端軸力所占樁頂荷載的比例隨著荷載的增加而逐漸增大。這一現(xiàn)象表明，隨著荷載的增加，樁端阻力在整體承載力中所占的比重逐漸增大。這也意味著在高層建筑等大荷載工程中，大直徑灌注樁的端阻力對其整體承載力的貢獻(xiàn)是不可忽視的。

5" 結(jié)語

通過對高層建筑工程中大直徑灌注樁承載力的深入試驗研究，更全面地了解其獨特的性能特點，為高層建筑工程中大直徑灌注樁的設(shè)計、施工和驗收提供了寶貴的參考和指導(dǎo)。未來可以進(jìn)一步深入研究大直徑灌注樁的施工工藝、質(zhì)量控制和技術(shù)創(chuàng)新，以期不斷提高其施工質(zhì)量和性能水平。此外，可通過更多的試驗和工程實踐，進(jìn)一步驗證和完善大直徑灌注樁的設(shè)計和施工方法，從而為高層建筑工程的安全性和穩(wěn)定性提供更加堅實可靠的保障。

參" 考" 文" 獻(xiàn)

[1]李帥，普瓊香，王開洋.云南省高速公路大孔徑挖空灌注樁樁基承載力機理試驗研究[J].中國水運（下半月），2023，23（8）：132-134，143.

[2]周浙紅，楊曉東，王慧榮，等.基于CEL法的鉆孔灌注樁后注漿加固數(shù)值模擬及承載力分析[J].地基處理，2023，5（4）：305-311.

[3]宋春霞，任芳，張學(xué)峰，等.超長鉆孔灌注樁豎向承載力當(dāng)量正態(tài)化法可靠度研究[J].公路交通科技，2023，40（7）：136-141.

[4]寧皓，朱金泰，王春雨，等.大直徑擴底灌注樁單樁豎向承載力優(yōu)化設(shè)計[J].混凝土世界，2023（4）： 70-74.

[5]趙舒心，吳立杰.關(guān)于公路橋涵基礎(chǔ)中兩個埋置深度的討論——修正后地基承載力與鉆（挖）孔灌注樁單樁軸向受壓承載力特征值[J].四川建材，2023，49（1）：138-140.

[6]陳祉陽，龔維明，靳朋劉，等.基于分布式后壓漿的灌注樁承載力試驗研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2022，18（S2）：：689-695.

[7]馬天忠，孫晨東，高玉廣，等.濕陷性黃土場地雙向螺旋擠土灌注樁成孔擠密效應(yīng)與極限承載力試驗研究[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2022，39（5）：241-250.

[8]馮燕，劉漢章，王天佐.不同地質(zhì)條件下擠擴支盤樁與鉆孔灌注樁軸向受壓承載力對比分析[J].貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2022，40（3）：113-118.

[9]單正猷，陳詩萌，方慶法，等.雙套筒對非摩擦段鉆孔灌注樁承載力影響試驗研究[J].建筑施工，2021，43（4）：704-706.

[10]翟聰，羅志聰，柳磊，等.組合后壓漿對灌注樁承載力的增強作用研究[J].中國水運（下半月），2022，22（1）：139-141.

編輯：楊" 洋

DOI：10.3969/j.issn.2096-2118.2024.05.015

收稿日期：2023-12-08

作者簡介：孫學(xué)龍（1988～），男， 江西省九江市人，工程師，研究方向：工程檢測技術(shù)管理。