软土地基超长桩静载试验反力装置研究

软土地基超长桩静载试验反力装置研究

刘秀军，姜晓光，张加粮

（深圳冶建院建筑技术有限公司检测部，广东深圳 518054）

摘 要：为系统化总结软土地基超长桩静载试验反力装置设置经验，结合深圳某软土地基超长桩项目，根据现场实际情况提出了针对三种不同桩型超长桩的静载试验反力装置设置技术方案，该方案分别从地基处理设计、复合地基承载力计算、复合地基变形计算、锚桩设计、反力架系统及压重平台设计等方面进行分析验算，通过该项目三种桩型中的某三根桩的静载试验曲线可以看出，该技术方案切实可行。

关键词：软土地基；超长桩；静载试验；反力装置

0 引言

桩基是一种应用十分广泛的基础形式，如何正确评价桩的承载力，选择合理的设计参数是一个关系到桩基是否安全与经济的重要问题。桩的静载试验是获得桩轴向抗压、抗拔以及横向承载力的最基本、最可靠的方法［1］。

对于超长桩而言，一方面长径比过大更容易出现质量问题，另一方面桩长过长其单桩承载力特征值也就越大，因此其静载试验吨位也就越大。软土地基由于其地基承载力特征值较小，在其上进行大吨位静载试验的重点和难点便是试验反力装置的设置问题。若试验反力装置设置不当，不仅会出现试验桩偏心受力、桩头破裂、千斤顶压死或压力加不上等问题，从而导致测试数据失真，严重的还会出现钢梁变形、承台塌陷、反力装置倾塌等问题，威胁着试验人员的生命安全。本文借鉴深圳某软土地基超长桩静载试验的成功经验，以期能为软土地基超长桩静载试验提供参考。

1 工程概况

深圳某拟建项目位于深圳市南山区后海填海区，场地原始地貌为滨海滩涂地貌，后经人工填海造陆堆填形成现状地貌。拟建约230 m高的多栋甲级写字楼，总建筑面积约100 000 m2，五层地下室。建筑基础设计采用大直径钻孔灌注桩，主要有BH1、ZH1和ZH2三种桩型。

BH1型桩桩径为1 000 mm，桩长为63.20～63.80 m，混凝土强度为C40，单桩竖向抗压承载力特征值为5 000 kN，单桩竖向抗拔承载力特征值为2 800 kN，桩底岩土层为强风化粗粒花岗岩。

ZH1型桩桩径为1 000 mm，桩长为66.20～68.00 m，混凝土强度为C40，单桩竖向抗压承载力特征值为6 000 kN，桩底岩土层为强风化粗粒花岗岩。

ZH2型桩桩径为1 400 mm，桩长为96.42～118.62 m，混凝土强度为C40，单桩竖向抗压承载力特征值为18 800 kN，桩底岩土层为强风化粗粒花岗岩。

1.1 地层岩性

根据钻探揭露，场地内分布的地层有人工填土层、第四系海积层及残积层，基岩为燕山期粗粒花岗岩，各岩土层的岩性特征参见表1。

表1 场地工程地质概况

土 层岩土状态层厚／m层顶高程／m 9.8人工填石松散～稍密0.50～9.30——淤泥流塑0.60～11.50-4.82～5.630.9砾质粘性土可塑～硬塑8.70～38.80-6.64～-4.0819.7粗粒花岗岩全风化层坚硬土状6.30～36.00-43.68～-13.5440.5粗粒花岗岩强风化上层坚硬土夹角砾状10.10～35.00-72.14～-29.4259.2粗粒花岗岩强风化中层坚硬土夹碎块状11.60～38.30-92.38～-44.0177.0粗粒花岗岩强风化下层碎块状0.70～38.30-125.51～-70.40101.4粗粒花岗岩中风化层块状、少量短柱状0.80～34.50-150.51～-80.40—粗粒花岗岩微风化层长短柱状、少量块状1.60～8.90-159.47～-87.88标贯击数素填土松散～稍密0.70～8.00——

1.2 水文地质

场地内陆下水根据其赋存介质和埋藏条件不同可分为两种类型：①存在于人工填土层中的上层滞水，随季节变化较大，整体为弱含水、弱透水地层。②存在于基岩强、中风化层中的裂隙水，其含水量及透水性主要受地层裂隙发育程度控制，总体上为弱含水、弱透水层，埋藏较深。场地内其余各地层属弱含水、弱透水性地层或相对隔水层。

场地内陆下水主要接受大气降水渗入补给。综合稳定水位埋深0.10～3.50 m，标高0.98～4.66 m。场地地下水水位受大气降水及地形控制，整体由西向东排泄。地下水位随季节性变化较大，年变化幅度约1～2 m。

1.3 天然地基及桩基设计参数

场区内天然地基岩土层物理力学参数见表2。

场区内桩基设计参数见表3。

表2 土层物理力学参数

土 层承载力特征值fak／kPa压缩模量Es／MPa重度γ／（kN·m-3）803.018.0人工填石110—19.0淤泥501.916.0砾质粘性土2107.518.0全风化粗粒花岗岩33013.020.0强风化粗粒花岗岩上层50016.0—强风化粗粒花岗岩中层70019.0—强风化粗粒花岗岩下层900——中风化粗粒花岗岩2 200——微风化粗粒花岗岩3 500素填土——

表3 桩基设计参数

*L为桩入土深度

土 层灌注桩桩侧摩阻力特征值qsa／kPa灌注桩端阻力特征qpa／kPa L*＜1515 m≤L≤30 mL＞30 m抗拔摩阻力折减系数λ 1302 4002 4002 4000.8 0.5淤泥2——0.1砾质粘性土274505507500.6粗粒花岗岩全风化层558001 0001 1000.7粗粒花岗岩强风化上层851 1001 3001 5000.7粗粒花岗岩强风化中层1001 8001 8001 8000.8粗粒花岗岩强风化下层素填土（石）7——

2 技术难点分析

根据甲方及设计文件要求，该项目需对BH1型桩进行单桩抗拔静载试验，对ZH1型桩和ZH2型桩进行单桩抗压静载试验。该项目静载试验存在的技术难点主要在于反力装置的设置，具体体现在：

（1）上覆淤泥层过厚（厚度最大达11.50 m）且试验荷载过大，静载试验前必须对天然地基进行处理，传统的换填加固处理方式已不适用此场地；

（2）若静载试验采用锚桩法提供反力，甲方要求锚桩桩位要避开拟施工工程桩桩位，而锚桩间距不仅受国家行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］的要求，还受主、次梁长度以及施工的可操作性等因素影响，这对锚桩桩位设计提出了较高的要求。

3 反力装置设置技术方案

3.1 BH1型桩抗拔静载试验

BH1型桩抗拔静载试验最大试验荷载为5 600 kN，因此按《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］要求，反力架所提供的反力应不少于1.2×5 600＝6 720 kN。结合场地实际情况，BH1型桩单桩抗拔静载试验采用在主梁两侧预制钢筋混凝土承台提供反力，并对承台下一定范围内天然地基进行加固处理。

3.1.1 地基处理设计

根据地勘报告中试桩邻近勘察孔可知，BH1型试桩天然地基上层为约1.8 m厚的素填土，下卧约10.3 m厚的淤泥，地下水位深度为3.6 m，素填土地基承载力特征值为80 kPa，淤泥地基承载力特征值为50kPa。承台厚度定为1 m，承台底地基承载力经深度修正（宽度修正系数为0）后为89 kPa，淤泥层顶地基承载力经深度修正（宽度修正系数为0）后为73.4 kPa。《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］中要求施加于地基的压应力不宜超过地基承载力特征值的1.5倍，因此若从经济合理的角度考虑，承台底的压应力应接近于89×1.5＝133.5 kPa，此时进行软弱下卧层验算，肯定不满足要求。由于淤泥层厚度较大，清淤换填不现实，仅上部换填加固其效果也不理想，因此采用搅拌桩进行加固，国家行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）［3］中要求加固深度要穿透淤泥层以下不少于2 m。

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］要求试桩中心与支墩边之间的距离应大于或等于4D（D为试桩桩径）且大于2 m，BH1型桩桩径为1 000 mm，因此试桩中心与支墩边间距应大于等于4 m，采用长度为13 m左右的主梁，试验采用主梁中部放置千斤顶的方法，可在主梁两端以试桩为中心对称制作两个底面为4 m×6 m，高1 m的钢筋混凝土锥形承台（埋入地下1 m）作为反力承台，承台下用桩径550 mm、横向间距1.0 m纵向间距0.5 m、桩长14.1 m的搅拌桩进行处理，见图1。

图1 BH1型桩抗拔静载试验场地处理

1.承台采用C40混凝土，保护层厚度30 mm；2.搅拌桩水泥浆水灰比为0.5～0.6，水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥，水泥掺入比不低于15%，可掺入与水泥等量的粉煤灰或水泥重量2%的石膏；淤泥层搅拌桩采用四喷四搅，其他地层采用两喷四搅

3.1.2 复合地基承载力计算

将该复合地基的各项参数代入《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）［3］中的式7.1.5 -2、式7.1.5-3及式7.1.6-1中，经计算该复合地基承载力特征值为116.15 kPa，经深度修正后为125.15 kPa。主梁两端承台分别应提供至少6 720／2＝3 360 kN，则反力通过钢筋混凝土承台作用于地下的压应力为（3 360+4×6 ×1×25+50）／（4×6）＝167.08 kPa＜125.15× 1.5＝187.73 kPa，满足《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］要求。钢筋混凝土承台重度取25 kN／m3，两个承台上各放1个混凝土试块做支墩，每个混凝土试块尺寸为2 m×1 m ×1 m，重约50 kN。

3.1.3 复合地基变形计算

复合地基变形计算应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［4］中有关规定，地基变形计算深度应大于复合土层的深度。

将该复合地基的各项参数代入《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［4］中的式5.3.5、式5.3.6、式5.3.7及式5.3.8中，经计算承台中点处的最终沉降量为35.6 mm，与实测值34.8 mm接近。

3.1.4 反力架系统设计

BH1型桩抗拔静载试验采用1台800 t千斤顶和1根主梁（13 m×1.2 m×0.55 m，可受力1 200 t），主梁架在两侧承台上，试桩部分纵筋伸出主梁以上一定长度与焊盘焊接，千斤顶上顶焊盘下顶主梁，从而使试桩向上拔起，见图2。

图2 BH1型桩抗拔静载试验立面

BH1型桩桩径1 000 mm，保护层厚度70 mm，则钢筋笼外径为860 mm，主梁宽度为550 mm，压在钢筋笼中心处，则主梁宽度范围内的10根钢筋需截断（见图3），BH1型桩纵筋采用22根HRB400级直径32的钢筋，还剩12根钢筋，抗拔静载试验至少需要6 720× 103／（32×32×π／4×360）≈24根直径32钢筋（HRB400级钢筋抗拉强度设计值为360 N／mm2），因此需在桩顶以下5D（D为试桩桩径）范围内加密纵筋（见图3），所有纵筋（包括原纵筋和加密纵筋）伸出桩顶不少于3.5 m。

图3 BH1型桩纵筋加密示意

3.2 ZH1型桩抗压静载试验

ZH1型桩抗压静载试验最大试验荷载为12 000 kN，压重应不少于1.2×12 000＝14 400 kN。结合场地实际情况，ZH1型桩单桩抗压静载试验采用堆载法，配重堆载在主梁两侧预制钢筋混凝土底板上，并对混凝土底板下一定范围内天然地基进行加固处理。

3.2.1 地基处理设计

根据地勘报告中试桩邻近勘察孔可知，ZH1型试桩天然地基上层为约7.5 m厚的素填土，下卧约1.9 m厚的淤泥，地下水位深度为2.8 m。底板厚度定为0.5 m，底板底地基承载力经深度修正（宽度修正系数为0）后仍为80 kPa，淤泥层顶地基承载力经深度修正（宽度修正系数为0）后为176 kPa。《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］要求施加于地基的压应力不宜超过地基承载力特征值的1.5倍，因此若从经济合理的角度考虑，承台底的压应力应接近于80×1.5＝120 kPa，此时进行软弱下卧层验算，传递到淤泥顶面的压力为120+7×18＝246 kPa＞176 kPa，不满足要求。由于淤泥层埋深较深，清淤换填不现实，底板底换填加固其效果也不理想，因此采用搅拌桩进行加固，规范《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）［3］要求加固深度要穿透淤泥层以下不少于2 m。

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］要求试桩中心与支墩边之间的距离应大于或等于4D（D为试桩桩径）且大于2 m，ZH1型桩桩径为1 000 mm，因此试桩中心与支墩边间距应大于等于4 m。堆载法一般以混凝土试块为压重支墩，每个试块最大侧面为1 m×2 m，约5 t，可在次梁两端各放置6个混凝土试块作为压重支墩，支墩下设3 m×15 m厚0.5 m的混凝土底板，底板下用桩径800 mm、横向间距和纵向间距均为1 m、桩长11.4 m的搅拌桩进行处理，见图4。

3.2.2 复合地基承载力计算

将该复合地基的各项参数代入《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）［3］中的表7.1.5 -2、表7.1.5-3及表7.1.6-1中，经计算搅拌桩处理后的复合地基承载力特征值为141 kPa，经深度修正后仍为141 kPa。主梁两端底板分别应提供至少14 400／2＝7 200 kN，则配重通过钢筋混凝土底板作用于地下的压应力为（7 200+3×15×0.5×25+6×50）／（3×15）＝179.17 kPa＜141×1.5＝211.5 kPa，满足《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［2］要求。

3.2.3 复合地基变形计算

将该复合地基的各项参数代入《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［4］中的式5.3.5、式5.3.6、式5.3.7及式5.3.8中，经计算底板中点处的最终沉降量为41.2 mm，与实测值38.5 mm接近。

3.2.4 压重平台系统设计

ZH1型桩抗压静载试验采用2台800 t千斤顶并联、两根主梁（13 m×1.2 m×0.55 m，可受力1 200 t）和14根次梁（12 m×0.85 m×0.4 m，可受力400 t）。受双套筒施工影响，试桩桩头无法做桩帽，桩头平整后垫一块1 m ×1 m，厚度不小于20 mm的Q235钢板，钢板上放置2台千斤顶，千斤顶上顶2根主梁，次梁两端架在两侧混凝土试块支墩上，次梁上再堆放配重，见图5。安装过程中千斤顶与主梁、主梁与次梁应留有足够的空隙。

图4 ZH1型桩抗压静载试验场地处理

1.底板采用C40混凝土，保护层厚度30 mm；2.搅拌桩水泥浆水灰比为0.5～0.6，水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥，水泥掺入比不低于15%，可掺入与水泥等量的粉煤灰或水泥重量2%的石膏；淤泥层搅拌桩采用四喷四搅，其他地层采用两喷四搅

图5 ZH1型桩抗压静载试验立面

3.3 ZH2型桩抗压静载试验

ZH2型桩单桩抗压承载力特征值为18 800 kN，最大试验荷载为37 600 kN，因此反力装置提供的反力不应小于1.2×37 600＝45 120 kN。若采用传统堆载法进行静载试验，一方面即使场地经过处理后其地质条件也达不到要求，另一方面所需配重量巨大，不经济。因此，ZH2型桩单桩抗压静载试验采用锚桩联合压重平台提供反力。

3.3.1 锚桩设计

由于甲方要求锚桩桩位要避开工程桩桩位，在考虑不同配重加载量的三种情况下，分别设计8锚桩、6锚桩和4锚桩三种方案，在三种方案下再分别考虑桩径1 000 mm，1 200 mm和1 400 mm三种情况，共计计算了27种情况，从而设计出最经济、最安全的锚桩参数（具体设计详见表4～表6）。计算桩长时未考虑桩身自重，桩长设计偏于保守；桩长计算参照深圳市标准《地基基础勘察设计规范》（SJG 01—2010）［5］的要求进行；假定所有锚桩受力相同，且不考虑偏心受拉。

表4 不考虑配重的情况锚桩设计参数

根锚桩单桩抗拔承载力特征值设计参数8根锚桩6根锚桩4／kN5 6407 52011 280设计桩径／mm1 0001 2001 4001 0001 2001 4001 0001 2001 400设计桩长／m62.657.654.072.266.061.287.279.774.4混凝土灌注量／m3393521664340447565274361458

表5 考虑5 000 kN配重的情况锚桩设计参数

根锚桩单桩抗拔承载力特征值设计参数8根锚桩6根锚桩4／kN5 0156 68710 030设计桩径／mm1 0001 2001 4001 0001 2001 4001 0001 2001 400设计桩长／m59.354.851.668.262.358.082.275.670.8混凝土灌注量／m3372496636321422.4536258342436

表6 考虑10 000 kN配重的情况锚桩设计参数

根锚桩单桩抗拔承载力特征值设计参数8根锚桩6根锚桩4／kN4 3905 8548 780设计桩径／mm1 0001 2001 4001 0001 2001 4001 0001 2001 400设计桩长／m55.952.047.863.858.554.877.271.466.0混凝土灌注量／m3351471589.1300397506243323406

根据表4～表6，考虑到试桩周边锚桩施工范围有限、主次梁长度受限、便于施工（锚桩桩径若采用1 000 mm，则桩长过长，混凝土导管不易下放）、经济节约及场地地质软弱不适合加载大吨位配重等情况，经综合对比决定：考虑10 000 kN配重，试桩周边设置4根锚桩，锚桩桩径1 200 mm，单桩抗拔承载力特征值不小于8 780 kN。由于表4中土层取值为平均值，因此锚桩桩长设计值也为平均值，且未考虑桩体自重，过于保守。针对试桩邻近的地质钻孔情况，考虑桩体自重及浮力经过详细验算，最终确定锚桩桩长设计为72 m，锚桩桩身配筋根据单桩抗拔承载力特征值验算。

其中，ZH2-7＃桩后经设计要求最大试验荷载加载至41 360 kN，因此反力装置应提供的反力不小于1.2×41 360＝49 632 kN，此时由于锚桩已施工完毕，其单桩承载力也已确定，因此上部配重增加至15 000 kN。由于次梁上部要施加15 000 kN配重，因此锚桩之间间距不宜过小，应大致均匀分布于试桩四周，以保证给配重预留足够的承重空间。

3.3.2 反力架系统及压重平台设计

ZH2型桩抗压静载试验采用6台800 t千斤顶并联、4根主梁（13 m×1.2 m×0.55 m，可受力1 200 t）、2根短次梁（8 m×1 m× 0.55 m，可受力2 000 t）和7根长次梁（12 m ×0.85 m×0.4 m，可受力400 t）。受双套筒施工影响，试桩桩头无法做桩帽，桩头平整后垫一块1.8 m×1.8 m，厚度不小于50 mm的Q235钢板，钢板上按“梅花型”放置6台千斤顶，千斤顶上再放置一块2.2 m×2.2 m，厚度不小于50 mm的Q235钢板，其上顶4根主梁，两根短次梁分别架在4根锚桩上，锚桩部分纵筋伸出短次梁以上一定长度，并与焊盘焊接。短次梁在主梁上方，长次梁放置在短次梁上方，长次梁上方再堆放配重，见图6。安装过程中千斤顶与主梁、主梁与次梁间应留有足够的空隙。ZH2型桩抗压静载试验设计示意图和现场图分别见图6和图7。

图6 ZH2型桩抗压静载试验立面

图7 ZH2型桩抗压静载试验现场

锚桩桩径1 200 mm，保护层厚度50 mm，则钢筋笼外径为1 100 mm，次梁宽度为550 mm，压在钢筋笼中心处，则主梁宽度范围内的10根钢筋需截断（见图8），锚桩纵筋采用30根HRB400级直径32钢筋，截掉10根还剩20根。考虑到经济合理及锚桩在静载试验中受力均匀，可加密HRB400级直径25钢筋，至少需（8 780×103-（32×32×（π／4）×360×20））／（25×25×（π／4）×360）≈17根（对称性考虑，按18根计）。因此需在桩顶以下5D（D为锚桩桩径）范围内加密纵筋（见图8），所有纵筋（包括原纵筋和加密纵筋）伸出锚桩桩顶不少于1.5 m。

图8 锚桩纵筋加密

4 试验结果

图9（a）～图9（c）分别为BH1-4＃桩抗拔静载试验、ZH1-1＃桩抗压静载试验和ZH2-7＃桩抗压静载试验的曲线，根据深圳市技术规范《深圳市建筑基桩检测规程》（SJG 09—2015）［6］中对单桩承载力检测值的判定条件可知：BH1-4＃桩单桩抗拔承载力检测值为5 600 kN，ZH1-1＃桩单桩抗压承载力检测值为12 000 kN，ZH2-7＃桩单桩抗压承载力检测值为39 334 kN。

图9 项目静载试验成果曲线

3根桩的试验曲线无异常，真实反映了3根桩的承载力情况，说明地基处理及反力装置安装非常成功。

5 结 语

本文介绍了深圳某软土地基超长桩项目，分析了该项目静载试验的技术难点，结合现场实际情况分别提出了针对三种不同桩型的静载试验反力装置设置技术方案，并总结如下：

（1）方案中承台（或底板）尺寸的确定虽然表述为先假定再验算的过程，但实际上是根据搅拌桩处理后的复合地基承载力特征值反算得出。

（2）该方案对BH1型桩和ZH1型桩分别从地基处理设计、复合地基承载力计算、复合地基变形计算以及反力架系统（或压重平台系统）设计等方面进行分析验算，对ZH2型桩分别从锚桩设计、反力架系统及压重平台设计两方面阐述了其合理性。

（3）通过该项目三种桩型中的某三根桩的静载试验曲线可以看出，该技术方案切实可行。

参考文献：

［1］罗骐先，王五平.桩基工程检测手册［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］JGJ 106—2014，建筑基桩检测技术规范［S］.

［3］JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［4］GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［5］SJG 01—2010，地基基础勘察设计规范［S］.

［6］SJG 09—2015，深圳市建筑基桩检测规程［S］.

Study on the counterforce device for static load test of super-long pile in soft soil foundation

Liu Xiujun，Jiang Xiaoguang，Zhang Jialiang
（Testing Department，Shenzhen YJY Building Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518054，Guangdong）

Abstract：In order to systematically summarize the counterforce device setup experience for static load test of super-long pile in soft soil foundation，in combination with of a Shenzhen project of the super long pile in soft soil foundation，the counterforce setup technology schemes for static load test of three different type of super-long piles were put forward according to the actual site conditions.The scheme was analzyed and checked in terms of foundation treatment design，calculation of composite foundation bearing capacity，calculation of composite foundation deformation，anchor pile design，reaction frame system and ballast platform design etc.Through the static load test curves of the three different type of super-long piles in the project，it can be seen that this scheme is feasible.

Key words：soft soil foundation；super long pile；static load test；counterforce device

中图分类号：TU 473.1+1

文献标志码：B

文章编号：1673-8993（2016）02-0041-08

doi：10.13402／j.gcjs.2016.02.010

收稿日期：2016-02-05

作者简介：刘秀军（1983-），男，工程师。