晁飞龙
中铁七局第五工程有限公司 郑州市
摘要：目前桩筏基础是高层建筑常用的基础形式，在条件允许的情况下一般在基坑开挖到基底后，进行桩基施工和静载试验，但是城区施工往往因施工场地狭小等不利因素，不具备先开挖后打桩的施工条件，因此试桩施工及检测只能在自然地面进行。文将重点探讨在自然地面采取双套筒试桩的措施去除非有效段桩侧摩阻力，采集在实际工作标高上的单桩承载力数据、特性。并与工程桩的设计结果进行对照分析，表明非有效段桩侧摩阻力在桩基承载力设计阶段不可忽略，需要在实际工程设计的应用中考虑上覆土层对检测结果的影响。
关键词：超长套筒；桩基；试桩检测；应用；创新
引言：房建工程深20m及以上大面积深基坑陆续涌现，因基坑较深，在地面先打试桩检测桩承载力，再根据经验及地质资料扣除非有效段桩侧摩阻力。但是如何准确扣除尚无定论，超长双套筒工艺实质就是在消除非有效段桩体侧摩阻力的情况下对试验桩进行检测，从而确定单桩承载特性的目的。
1 工程概况
由中铁七局集团第五工程有限公司施工的郑州地铁2号线一期工程黄河路站安置项目。主体为框架剪力墙结构，7度抗震设防，工程等级为一级，建筑高度99.95m，总建筑面积约75485.26㎡。地下四层，地上一至三层为商业裙楼，裙楼上部分为1#和2#住宅楼，1#楼共33层，2#楼共28层。主楼试验桩直径为800mm，有效桩长22m，混凝土强度C35，单桩竖向抗压承载力特征为3900 kN，共309根，地下车库试验桩直径为600mm，有效桩长17m，混凝土强度C30，单桩竖向抗压承载力特征为1450 kN，抗拔承载力特征为800 kN，共293根。
2 双套筒工艺在试桩设计理念实践
2.1工艺原理
2.1.1 基底以上为双层钢套管和钻孔桩组合，利用外层套管与内层套管的分离，消除桩体非有效段摩阻力，从而保证试桩检测数据的准确。
2.1.2该试桩施工的核心技术是双套管的制作与分离。
2.1.3制作过程中，通过在内套管上焊接定位钢筋及在双套管间隙内填充油脂的方法把双套管间的摩阻力降到最低。
2.1.4当试桩混凝土强度达到设计强度的100%以后，切除临时固定在双套管上端口的“U”型钢板，使双套管完全分离。从而确保内套管及桩体在竖直方向上独立受力，从而保证试桩检测数据的准确性。
2.2双套管及钢筋笼加工
2.2.1双套管加工制作
1）内外套管加工（以Φ800mm试桩为例）：外套管长20.6m，外径880mm，内套管长21.6m，外径820mm；内外套管钢管壁厚均为10mm。内外套管采用成品螺旋管对焊制作。钢管材料进场及加工制作验收满足《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001要求。内、外套管弧形钢板面持平，保证双套管组合后设计间隙20mm。祥见图2.2-1
图2.2-1 双套管横剖与纵剖示意图
2）内套管外侧定位筋安装：环、纵向定位筋用于将内外套管隔离，并减小摩擦力。祥见图2.2-2
图2.2-2 内套管外侧定位筋示意图
3）内外套管组合：将两节双套管运至现场后，在可旋转操作平台上进行焊接。首先焊接内套管，然后焊接外套管，形成双套管。
4）内套管外侧两端安装止水带：止水带采用背贴式橡胶止水带，宽度300mm，厚度10mm，齿厚30mm，环向贴于内套管外侧两端，距离端部20mm，环形定位钢筋3根，1根位于上部止水带下侧，1根位于下部止水带上侧，均焊于内套管外壁，另外1根位于下部止水带下侧，焊于外套管内侧；采用Φ16mmHRB400钢筋，环形定位筋主要用于固定止水带。详见图2.2-3
图2.2-3 止水带及环向定位筋示意图
5）双套管上部焊接“U”型钢板：双套管顶部使用5块20mm厚钢板制作“U”型卡，中空处40mm，三边宽30mm，分别与内套管内侧和外套管外侧焊接，使两套管形成整体。详见图2.2-4
图2.2-4 “U”型卡详图
6）外套管吊耳吊环焊接：每组双套管焊接4个吊耳，吊耳使用15mm厚钢板制作，根据吊点位置计算，距顶部0.8m焊接对称的两个吊耳，第二点设在第一点的垂直面上距离第一点9.49m，第二点到第三点为7.6m，满焊于外套管管身。在套管顶部外侧对称设置吊环，用于悬吊双套管。详见图2.2-5
图2.2-5 吊耳吊环大样图
7）双套管两端采用泡沫胶封堵：双套管顶端“U”型钢板焊接完成后，使用泡沫胶对双套管两端止水带空隙进行填充，确保缝隙填充密实，用以封堵油脂并防止钻孔中泥浆或浇筑时混凝土进入双套管间隙处。详见图2.2-6 试桩详图
8）泵送油脂：每组双套管间隙理论注入量为1.05m³油脂，采用泵送的方式注入，油脂选用2#黄油；首先打开一对注脂孔及出气孔螺栓，使用气动黄油机将黄油注入双套管间空隙，直至黄油从出气孔溢出，并封堵注脂孔和出气孔；由上到下依次注入完毕后，通过注油脂数量和锤敲击方式进行验算和检查，确定黄油充满双套管间隙。详见图2.2-6
2.2.2钢筋笼加工制作
钢筋笼加工：试桩钢筋笼设计长42.5m，由于钢筋笼长度比较长，现场采用两节加工制作，吊装时进行搭接焊连接。详见图2.2-6
2.3传感装置安装
将已标定好的钢筋计先与钢筋笼的主筋焊接，引出导线至地面，在进行桩杆抗拔试验时，检测在不同荷载作用下各钢筋计频率，通过事频率和压力的关系分析计算，获得桩体应力资料。
2.3.1应力计安装与施工同步，试桩施工时进行应力计安装，以便及时埋设传感器。
2.3.2内力测试采用钢弦式传感器。
第一层安装位置为桩头下1.0m，作为标定断面，传感器数量3个；第二层安装位置为设计标高处，传感器数量3个；每根桩传感器共6个。
图2.2-6 试桩详图
3 双套管安装及试桩灌注施工
3.1双套管安装
3.1.1双套管安装采用2台50t汽车吊进行抬吊，吊起后在空中竖直旋转，使其竖直进入钻孔，下放过程中同步割掉吊耳。
3.1.2钢套管安装到位后利用穿杠悬吊固定套管，防止下沉，同时不得影响钢筋笼下放。
3.2试桩灌注施工
钢筋笼安装——安装导管——二次清孔——浇筑混凝土
3.3后注浆
3.3.1钻孔灌注成孔7-8小时内，采用清水进行开塞，开塞压力控制在2-4Mpa，压水量控制在0.6m³左右。
3.3.2根据设计要求，本工程Ф800mm钻孔灌注桩工程桩在成桩2d后进行桩底和桩侧后注浆，注浆水泥采用PO42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5，注浆压力控制在2-4MPa，单桩注浆量以水泥质量计不少于2t。
3.3.3注浆采用注浆量与注浆压力双控的原则，以注浆量控制为主，注浆压力控制为辅；当注浆量达到要求时，可终止注浆，当注浆压力＞4MPa并持荷3分钟，且注浆量达到要求量的80%时，也可终止注浆。
3.4双套筒分离
桩体混凝土强度达到设计强度的100%以后，将双套管上部五个“U”型钢板固结件切除，使双套管完全分离，使其具备试桩检测条件。
4 双套管试桩检测及结果分析
根据JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》要求，在桩身混凝土强度达到设计要求的条件下，承载力检验应在桩底注浆完成28天后进行。主要检测项目分别为低应变，检测试桩桩身完整性；单桩抗压、抗拔检测，检测试桩承载力。
4.1 试验过程
4.1.1 试验方法：采用慢速维持荷载法。
4.1.2试验日期：2016年07月12日～2016年07月22日。
4.1.3加载装置：采用支撑在地基上的钢梁及配重体系提供反力装置。试验布置见图4.1-1。
图4.1-1 单桩竖向抗拔静载试验布置示意图
4.1.4加荷系统与测量装置：试验加载和测量仪器设备详见表4.1-4
4.1-4 检测仪器设备一览表
4.1.5加卸载与上拔观测：
1）试验加载方式：采用慢速维持荷载法，堆载法加载，逐级等量加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到满足终止条件。
2）加载分级：以设计预估单桩竖向抗拔承载力极限值（2倍单桩竖向抗拔承载力特征值）为基准分十级加载，超载部分按5%逐级加载直至20%（工程桩兼做试验桩）。具体分级见表4.1-5。
表4.1-5单桩竖向拔压静载试验分级表
分 级1、2345678910备注
荷载（kN）35052570087510501225140015751750ZH2-B
3）上拔观测：每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读桩顶上拔量，以后每隔30min测读一次。每次测读值由仪器自动记录。
4）上拔相对稳定标准：每一小时内的桩顶上拔量不超过0.1mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的上拔观测值计算），当桩顶上拔速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。
5）卸载与上拔观测：卸载分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。卸载时，每级荷载维持1h，按第15、30、60min测读桩顶上拔量后，即卸下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余上拔量，维持时间为3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。
注：加、卸载时荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过分级荷载的±10%。
4.1.6终止加载条件：当出现下列情况之一时，终止加载
1）某级荷载作用下，桩顶上拔量大于前一级荷载作用下上拔量的5倍；
2）按桩顶上拔量控制，当累计桩顶上拔量超过40mm时；
3）按钢筋抗拉强度控制，桩顶上拔荷载达到钢筋强度标准值的0.9倍；
4）对于验收抽样检测的工程桩，达到设计要求的最大上拔荷载值。
4.1.7加、卸载时荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过分级荷载的±10%。
4.1.8 单桩竖向抗拔极限承载力U按下列方法综合分析确定：
1）根据上拔量随荷载变化的特征确定：对于陡降型U-δ曲线，取陡升起始点对应的荷载值。
2）根据上拔量时间变化的特征确定：取δ-lgt曲线斜率明显变陡或曲线尾部明显弯曲的前一级荷载值。
3）当某级荷载作用下，抗拔钢筋断裂时，取其前一级荷载值。
4）当作为验收抽样检测的受检桩在最大上拔荷载作用下，未出现上述三种情况时，按设计要求判定。
5）参加统计的试桩结果，当满足其极差不超过平均值的30%时，取其平均值为单桩竖向抗拔极限承载力；当极差超过平均值的30%时，分析极差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时增加试桩数量；对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根时，取低值。
4.2 设计标高以上部分桩身拉伸量（桩身内力测试）
4.2.1检测目的
确定ZH2型抗拔桩设计标高以上部分（空桩部分）的桩身拉伸量。
4.2.2测试原理
将事先标定的钢筋计先与试桩的主筋焊接，通过导线与读数仪相连，在进行桩杆抗拔试验时，检测在不同荷载作用下各钢筋计频率，然后通过事先标定的频率和压力的关系分析计算，获得桩杆杆体应力资料。
4.2.3 试桩应力传感器的安装
1）应力计安装与施工同步，试桩施工时，进行应力计安装，以便及时埋设传感器。
2）应力计直径与桩主筋匹配
3）现场安装注意事项
①钢筋应力计对称焊接在钢筋笼上，焊接时湿毛巾散热，焊接保证温度不高于1200C，焊接完成冷却后，下笼浇筑砼之前测量记录各个钢筋计频率，如果钢筋计损坏，应在下钢筋笼之前换掉钢筋计。
②出露电缆在桩头用PVC管保护，浇注完成后将PVC管平放伸出桩头
4.2.4应力数据测试
弦式钢筋计通过与之匹配的频率仪进行测量，频率仪的分辨率应优于或等于1Hz。
每级荷载稳定后，下级加载前读取钢筋计频率数，记录在应力检测记录表中，直至试验结束。对异常数据做好标记。
4.2.5试桩应力数据分析
1）弦式传感器测量，将钢筋计实测频率通过率定系数换算成力，再计算成与钢筋计断面处的混凝土应变相等的钢筋应变量。第i断面处的钢筋应变可按下式计算：
式中 Fsi——第i断面处的钢筋力（kN）；
Es——钢筋弹性模量（kPa）；
εsi ——第i断面处的钢筋应变。
As——钢筋计截面面积（m2）。
2）在数据整理过程中，应将零、偏大、变化无规律的测点删除，求出同一断面有效测点的应变平均值，并按下式计算该断面处桩身弹性模量
式中——第i断面处应变平均值；
Ei ——第i断面处桩材料弹性模量（kPa），当桩断面、配筋一致时，按标定断面处的应力与应变的比值确定；
Ai ——第i断面处桩截面面积（m2）。
3）桩身压缩（拉伸）量按下式计算：
式中 Li ——空桩部分的桩长（m）
经低应变检测，9根试桩桩身完整性均达到Ⅰ类桩标准。具体见表4.2.1
表4.2.1 试桩桩身完整性汇总表
ZH2型抗拔桩，3根桩单桩极限承载力的极差为0kN，不超过平均值的30%，取平均值作为本工程单桩极限承载力的统计值，本工程单桩竖向抗拔承载力特征值为875kN，满足设计要求。具体见表4.2.2和表4.2.3
4.2.2单桩竖向抗拔静载试验结果表
4.2.3单桩竖向抗压静载试验结果表
ZH1型桩3根单桩极限承载力的极差为780kN，占其平均值的10.3%，建议取低值7020kN为本工程单桩极限承载力的统计值，取其一半3770kN为ZH1型桩单桩承载力特征值。ZH2型桩3根单桩极限承载力的极差为580kN，占其平均值的21.3%，取其平均值一半1353kN为ZH2型桩单桩承载力特征值。
经检测，完成的9根试验桩桩身完整性较好，3根抗拔桩能够满足设计要求，但抗压桩ZH-1型桩和ZH-2型桩均出现了1根沉降较大，承载力不满足设计要求的情况，为保证承载力满足要求，经检测单位和设计单位计算，将ZH-1型桩加长4m，ZH-2型桩加长3m。
5 结 语
通过埋设于钢筋笼的应力计检测数据，验证了双套管对于桩基检测的影响效果，双套管能够近似消除非有效桩部分的桩侧摩阻力，获取了可靠数据，对于加强桩基检测精度，为工程桩的设计提供了依据，大大节约了工期，解决了工程实际问题。
当上覆土层较厚时，实际测试表明，在相同荷载作用下的桩顶变形是偏小的。即使采取措施有效去除非有效段桩侧摩阻力，实际工程设计参照试验结果时应当考虑一定风险因素
参考文献
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论文作者:晁飞龙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/7
标签：套管论文; 荷载论文; 钢筋论文; 承载力论文; 应力论文; 断面论文; 注浆论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;