某超限高层试桩设计与施工关键问题分析
1 工程概况
该项目位于湖北省武汉市东西湖区,由一栋超高层塔楼和一栋6层裙楼组成,塔楼由办公与酒店构成,地上建筑面积约9.1万m2,地上46层,标准层层高酒店楼层4.0m,办公楼层4.5m;地下3层,层高由下往上分别为3.65,5.00,5.90m;建筑物总高度199.70m,为B级高度高层建筑,图1为该建筑的建筑效果图和结构模型。塔楼结构形式为框架-核心筒,裙房为框架结构。
根据上部结构荷载大小和地勘报告揭示的地质情况特征,塔楼基础形式拟采用桩筏基础,桩型采用直径1 000mm的钻孔灌注桩,并采用桩端复式后压浆工艺。工程桩桩顶相对标高为-16.900m,工程桩单桩竖向抗压承载力特征值为9 000kN,试桩桩顶的标高为自然地面,单桩竖向抗压承载力特征值为10 500kN。
2 地质情况特征
根据项目地勘报告揭示,项目工程重要性等级为一级,场地复杂程度等级为二级,地基复杂程度等级为二级,工程勘察等级综合定为甲级。拟建场地内未发现断裂、岩溶等影响场地稳定性的不良地质现象,拟建场区基本稳定,场地土类型为中软场地土,属可进行建设的一般场地,可不考虑地震液化问题。场地地下水类型可分为四种类型:上层滞水、层间水、承压水和基岩裂隙水,地下水和场地土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均具微腐蚀性。场地土层地质情况见表1,钻孔灌注桩设计参数见表2。
场地土层地质情况 表1
土层 层号 |
土层名称 |
层面 埋深/m |
压缩性 |
fak /kPa |
Es1-2 /MPa |
① |
杂填土 | 0.0 | 高 | — | — |
②-1 |
黏土 | 0.5~1.4 | 中 | 130 | 7.0 |
②-2 |
黏土 | 0.5~3.0 | 中偏低 | 220 | 9.5 |
③-1 |
粉质黏土 | 3.8~8.0 | 中 | 140 | 7.0 |
③-2 |
粉质黏土 | 6.1~10.0 | 中偏高 | 80 | 4.0 |
④-1 |
黏土 | 7.7~11.3 | 中 | 140 | 6.5 |
④-2 |
黏土 | 12.1~21.6 | 中偏低 | 270 | 12.0 |
⑤ |
粉质黏土夹粉土 | 18.5~23.7 | 中 | 140 | 8.0 |
⑥ |
粘质细砂夹砾 | 22.9~27.0 | 低 | 190 | 7.0 |
⑦-1a |
强风化粉砂质泥岩 | 31.0~35.5 | 低 | 600 | 48.0 |
⑦-1b |
强风化粉砂质泥岩 | 34.3~62.0 | 低 | 800 | 54.0 |
⑦-2 |
中风化粉砂质泥岩 | 42.1~75.0 | — | 1800 | — |
注:fak为地基承载力特征值;Es1-2为压力在100~200kPa之间土的压缩模量。
3 试桩设计
根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)
4 试桩检测方法
试桩检测方法主要参考文献
钻孔灌注桩设计参数 表2
土层层号 |
土层名称 | qsia/kPa | βsi | qpa/kPa | βp |
① |
杂填土 | — | — | ||
②-1 |
黏土 | 35 | 1.4 | 130 | 7.0 |
②-2 |
黏土 | 42 | 1.4 | 220 | 9.5 |
③-1 |
粉质黏土 | 31 | 1.4 | 140 | 7.0 |
③-2 |
粉质黏土 | 26 | 1.3 | 80 | 4.0 |
④-1 |
黏土 | 30 | 1.4 | 140 | 6.5 |
④-2 |
黏土 | 43 | 1.4 | 270 | 12.0 |
⑤ |
粉质黏土夹粉土 | 27 | 1.5 | 140 | 8.0 |
⑥ |
粘质细砂夹砾 | 40 | 1.6 | 190 | 7.0 |
⑦-1a |
强风化粉砂质泥岩 | 80 | 1.5 | 750 | 1.8 |
⑦-1b |
强中风化粉砂质泥岩 | 100 | 1.4 | 1 200 | 1.8 |
⑦-2 |
中风化粉砂质泥岩 | 160 | — | 3 000 | 1.8 |
注:qsia为桩侧第i层土摩阻力特征值;βsi为桩侧第i层土摩阻力增强系数;qpa为桩端阻力特征值;βp为桩端阻力增强系数。
试桩的沉降变形通过对称布置于桩头的四块位移传感器进行测量,其分辨力优于或等于0.01mm。所有位移传感器均用磁性表座固定于基准梁上,基准梁具有一定刚度。为保证基准梁及基准桩的稳定性,试桩、压重平台支座和基准桩之间的中心距离应符合《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)
现场试验加载方式采用慢速维持荷载法,采用油泵逐级加载,每级荷载达到相对稳定后再加下一级荷载,直到达到最大试验荷载或破坏。
5 试桩检测结果
试桩施工完成一个月后进行第一批试桩静载检测试验,3根试桩检测结果如表3所示。试桩承载力评判标准根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)
第一批试桩静载检测试验结果 表3
承压试桩 编号 |
小应变 检测 |
设计承载力 特征值/kN |
计算承载力 特征值/kN |
试验检测承载力 特征值/kN |
1 |
完整 | 10 500 | 10 873 | 8 400 |
2 |
完整 | 10 500 | 10 995 | 7 350 |
3 |
未检测 | 10 500 | 10 931 | 未检测 |
由图3可知,承压试桩1和承压试桩2极限承载力取值均取沉降超40mm且沉降量超过上一级的5倍的加载值上一级荷载,具体数据如表3所示,均达不到设计要求,3号试桩未进行检测。由于超限高层塔楼采用桩筏基础,桩间距较密,不适宜根据检测结果采取降低桩承载力特征值、增加桩数的方法,考虑到有可能是地质情况原因,采取增加桩长以提高桩承载力的方法,使试桩承载力达到设计要求。因为工期的原因,甲方希望塔楼试桩下一次需达标,因此每根试桩增加10m,重新布置3根试桩,每根试桩桩长约68m,其余参数不变,试桩平面布置如图4所示。
第二批3根试桩施工完成一个月后进行试桩静载检测试验,检测结果如表4所示。当桩顶总沉降超过80mm,终止加载试验。承压试桩6因为沉降超标终止试验,承压试桩4加载至4 100kN,桩头碎裂,沉降超标终止静载试验。
由图5承压试桩4和承压试桩6的位移-荷载曲线可知,承压试桩6极限承载力取值取沉降超40mm且沉降量超过上一级的5倍的加载值上一级荷载,具体数据如表4所示,达不到设计要求,承压试桩4号桩头破坏了,第二级沉降超标,承压试桩5号未检测,主要原因是该批试桩已有两根不满足,最后一根试桩是否成功,都需要增加试桩,从节约工期角度,增加试桩长度重新做三根,确保下一批成功,该试桩重新检测还需要增加费用。由表4可知,该组试桩承载力特征值未达到设计要求,对比第一批和第二批试桩静载数据,虽然桩长增加了10m,但试桩静载承载力未得到提高,需对试桩施工工艺进行分析,再重新设计试桩。
第二批试桩静载检测结果 表4
承压试 桩编号 |
小应变 检测 |
设计承载力 特征值/kN |
计算承载力 特征值/kN |
试验检测承载力 特征值/kN |
4 |
完整 | 10 500 | 12 697 | 2 050 |
5 |
未检测 | 10 500 | 13 102 | 未检测 |
6 |
完整 | 10 500 | 12 893 | 7 350 |
6 试桩关键问题分析
对于两批试桩静载检测结果达不到设计要求,需要对其进行分析,并找出原因和解决方案,针对静载检测结果需补充相关检测数据,具体如下:1)对试桩桩头和桩身进行抽芯检测,检测混凝土强度是否满足设计要求,同时检测桩底沉渣厚度;2)从自然地面往下挖2m左右,检查灌注桩直径是否达到设计要求;3)在承压试桩6附近进行补孔勘测,检查是否存在地质情况异常,与地勘报告不一致的情况。
通过上述对试桩补充检测结果发现,6根试桩桩身混凝土强度抽芯检测结果评判为C40,第一批试桩浇筑混凝土距抽芯检测时间已将近3个月,同时桩底沉渣厚度有3根超过100mm,超过规范限值50mm;从自然地面往下挖2m检测桩直径,基本都满足设计要求,但承压试桩4和承压试桩6的桩身存在夹渣,破除夹渣部分后,桩身钢筋均外露,成桩质量较差;承压试桩6附近的补孔勘测结果和地勘报告基本吻合,可以排除地质异常原因。
从补充检测结果可以发现,造成试桩检测单桩竖向抗压承载力特征值达不到设计要求,主要表现为桩身混凝土强度和桩底沉渣达不到设计要求,桩身质量有瑕疵。为了保证下一批试桩单桩竖向抗压承载力达到设计要求,并参考文献
塔楼第三批承压试桩静载检测结果如表5所示,位移-荷载曲线如图7所示。从表5和图7可以看出,在承载力极限值21 000kN作用下,三根试桩的位移分别为23.85,29.75,14.21mm,满足规范要求。对第三批试桩进行抽芯检测,桩身混凝土强度分别评定为C56,C58,C55,满足设计要求的C50。抽芯检测显示桩底沉渣厚度分别为22,15,26mm,均小于50mm。
由上述检测内容可知,第三批承压试桩桩底沉渣厚度、静载承载力、桩竖向位移、桩身完整性和混凝土强度均可达到设计要求,该批试桩合格,桩设计参数和施工工艺可以供工程桩施工参考。
试桩静载检测结果 表5
承压试桩 编号 |
小应变 检测 |
设计承载力 特征值/kN |
计算承载力 特征值/kN |
试验检测承载力 特征值/kN |
7 |
完整 | 10 500 | 10 873 | 12 600 |
8 |
完整 | 10 500 | 10 995 | 12 600 |
9 |
完整 | 10 500 | 10 931 | 12 600 |
7 结论
超限高层由于楼层高,单位面积荷载大,进行桩基础设计时,其承载力特征值要求较高,试桩设计和施工比较重要,试桩是否能成功,对后面工程桩施工工期影响较大,为了提高试桩施工和检测的成功率,同时为了节约工期和试桩成本,进行了试桩试验,结论如下:
(1)由于单桩竖向抗压承载力特征值较高,对桩身混凝土强度要求高,浇筑混凝土时应严格把控混凝土强度,保证强度不低于设计值,保证桩头及其上半部分不容易提前压碎,这也是试桩静载是否成功的关键。
(2)超限高层的工程桩一般较长,应采用合理的施工机械和施工工艺,严格控制沉桩质量和桩底沉渣厚度。
(3)从试桩和工程桩设计角度分析,超限高层的桩一般以摩擦桩为主,因此可以通过提高桩侧阻力以大幅度提高单桩竖向抗压承载力,故采用桩侧后注浆工艺可以有效减小桩长。桩长小时对施工机械和成桩工艺要求也不太高,另桩端后注浆工艺能有效控制桩底沉渣厚度,因此建议试桩和工程桩设计时同时采用桩侧和桩端后注浆工艺。
[2] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.
[3] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[4] 建筑桩基技术规范:JGJ 94—2008 [S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[5] 建筑地基基础技术规范:DB 42/242—2014 [S].武汉:湖北省建筑科学研究设计院,2014.
[6] 徐文希,张敏,朱怡,等.钻孔灌注桩抗压承载力试验方法的对比分析[J].建筑结构,2013,43(20):96-99.
[7] 盛春陵,王守超,李仁民,等.大直径嵌岩后注浆钻孔灌注桩试桩分析[J].岩土工程学报,2012,34(S1):423-426.
[8] 建筑基桩检测技术规范:JGJ 106—2014 [S].北京:中国建筑工业出版社,2014.
[9] 程晔,龚维明,张喜刚,等.超长大直径钻孔灌注桩桩端后压浆试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S2):3885-3892.
[10] 吴鹏,龚维明,任伟新,等.钻孔灌注桩护壁泥浆对桩基承载性能的影响[J].岩土工程学报,2008,30(9):1327-1332.
[11] 冯晓平,段敏,吴春秋,等.后压浆提高钻孔灌注桩承载力的试验研究[J].建筑科学,2006,22(4):39-42,38.