支盘桩抗拔性能原位检测试验设计

随着城市高层建筑的兴起和发展，桩基工程应用越来越广泛。一般桩基工程中，桩基承受上部压荷载的作用，相关的理论及试验研究已有不少文献述及。而对于一些特殊的建筑物，如高耸的电视塔、烟囱以及承受浮托力作用的地下建筑等，基础常采用抗拔桩。目前对于挤扩支盘抗拔桩承载特性试验研究比较少[1]，且原位试验更是少之又少。

1 场地水文地质条件

1.1 工程概况

本工程是北京地铁奥运支线第三座车站，车站基坑分地下两层，地下一层采用放坡开挖，地下二层基坑采用钻孔灌注桩围护，内支撑采用钢支撑系统。由于车站站址处地下水位较高，车站结构自重及顶板上覆土不能满足抗浮要求，在结构底板下设置抗拔桩，抗拔桩采用挤扩支盘灌注桩。桩顶位于结构底板以下，标高为 27.80m。本试验将模拟工程桩在基坑中标高为 35.50m 的地下一层打 3 根试验桩（位置见图 1），对试验桩单桩竖向抗拔性能进行原位试验检测。

1.2 地质概述

本工程场地位于永定河冲积扇的北部边缘。地层自上而下分布如下：

人工堆积层：人工填土层总厚为 0.70 m～4.00m，层底标高为 40.34m～43.59m。

第四纪冲洪积层：本大层总厚度为 7.40m～13.00m，层底标高为 30.51m～33.93m。

粉质黏土层：本大层总厚度为 3.80m～11.90m，层底标高为 22.56m～26.60m。

卵石层。

1.3 水文条件

据北京市勘察设计院提供的数据，地下水分三层，分别为潜水、层间水和承压水、层间水和承压水以侧向径流和越流方式补给为主，以侧向径流和人工开采方式排泄。

第一层地下水为潜水，水位标高为 36.28m～39.39m（水位埋深为 5.00m～8.20m）。

第二层地下水为层间水，水位标高为 25.46m～34.74m（水位埋深为 9.30m～18.70m）。

第三层地下水为承压水，水位标高 11.06m～19.69m（水位埋深为 25.00m～33.10m），水头高度为2m～5m。

2 桩基设计及施工方法

2.1试验桩设计简述

本试验设计 3 根试验桩，4 根锚桩。设计桩长为24.50m，桩径 850mm，桩身混凝土强度 C30，设计要求单桩竖向抗拔承载力特征值 4040kN。桩径、桩身混凝土强度、主配筋规格与工程桩相同。试验桩在基坑开挖的地下一层打桩，地下一层标高比工程桩桩顶标高高出 7.70m，故试验桩施工时混凝土只需灌注到桩长 24.50m 处，上部的 7.70m 的部分不必灌注。

2.2 挤扩支盘灌注桩的施工（参见中国工程建设标准送审稿《挤扩支盘灌注桩技术规程》）

1）测量定位及护筒埋设；

2）成孔设备就位及钻具检验；

3）成孔、成盘及支盘检验；

4）钢筋笼制作、吊放并吊放导浆管和清孔；

5）灌注水下混凝土并做成桩质量检测。

为了研究挤扩支盘抗拔桩的受荷特征和与桩身侧摩阻力传递规律，在支盘上下和两支盘间的桩身内预埋了钢弦式钢筋应力计，埋设位置见图 2。

3 测试方案

3.1 承载力测试

3.1.1 方法原理与设备

根据现场实际情况，本试验采用锚桩法。锚桩法试验是利用锚桩给试验桩提供反力的试验方法。本试验在每根试验桩的两侧各打 1 根反力桩作为锚桩。试验桩上部的 7.70m 只配主筋不灌注混凝土，主筋露出地面 1m。将试验桩主筋锚固在加载钢梁上，钢梁两端支撑于反力桩桩顶。确定试验桩与反力桩中心距离不小于 3.4m[2]。试验桩与反力桩之间的相对位置如图 3 所示，中间两根反力桩重复使用一次。每根反力桩需要提供不低于 5000kN 的抗压承载力，根据勘察报告经计算表明，反力桩桩端需进入卵石层 800mm，桩长约 25.50m，桩顶位于标高 35.50m，桩径、桩身混凝土强度与试验桩相同。配筋在桩顶附近适当加强，以防试验压力过大，桩头破碎。

试验设备包括：反力系统、自动化荷载加载装置及荷载、桩顶上拔、反力桩沉降观测系统。反力系统为 1 根反力主梁，长 8m，两端为中点供力能力大于 10 000kN，观测系统由 4 支电子位移计、2 支数显百分表、压力传感器和静载荷试验仪组成。布置示意图如图 4 所示。

3.1.2 试验加载、卸载方式

试验桩设计单桩竖向抗拔承载力特征值为 4040kN，试验最大加载值不小于单桩竖向抗拔承载力特征值的 2 倍，即不小于 8080kN，加载采用慢速维荷法，分 10 级进行。

本试验选用 2 台千斤顶分别置于反力桩上。通过安置在千斤顶上的测力传感器测读压力，两仪器的压力读数之和即为试桩桩顶荷载。在试桩桩顶安装 4 支电子位移计测读各级荷载作用下的桩顶上拔量，并用数显百分表测量反力桩沉降量。

3.1.3 位移量观测

1）基准梁的安装

每桩试验桩设 2 个 I 32a 工字钢作为基准梁，基准梁架在基准桩上，一端固定，一端自由支撑。2根基准桩间距至少大于 6.8m。基准桩可用钢管桩或灌注桩，埋入地下 2m。位移计通过磁性表座固定在基准梁上。

2）桩顶上拔量观测方式[3]

a. 每级荷载施加后按第 5min、15min、30min、45min、60min 测读桩顶上拔量，以后每隔 30min 测读一次。

b.试验桩上拔稳定标准：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 上拔观测值计算）。

c.当桩顶上拔速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。

d. 卸载时，每级荷载维持 1h，按第 15min、30min、60min 测读桩顶上拔量后，即可卸下一级荷载。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 min、30min，以后每隔30min 测读一次。

3.2 支盘探测

3.2.1 地层勘探

在试验桩旁布置地质钻孔 1 个，孔深 34.00m。SH30 型钻机冲击钻进、套管护壁。要求查明地面以下 34.00m 深度内的地层，准确分层。

3.2.2 支盘位置、大小、厚度探查

在每根桩上布置 3 个钻芯孔，孔外径 100mm，孔均匀对称分布在距桩中心 850mm 处，孔深以钻穿支盘为准。记录支盘深度，厚度。支盘混凝土芯样全部保存。

4 试验中应注意的问题

4.1 钢筋计安装

支盘桩的实际成盘位置与设计成盘位置会有偏差，应根据场地实际土质条件确定成盘位置后方可安装钢筋计。

4.2 钢筋计安装方式

可以采用绑条焊接和套管对接两种方式。采用绑焊式时，应注意对钢筋计降温，避免焊接温度过高对钢筋计造成损害，导致数据不准确；套管对接连接，钢筋计套丝时应将其可靠固定，避免松动而导致损坏。

4.3 钢筋计数据线的保护

钢筋计数据线引出时，应把数据线出头处放置于桩体钢筋笼的环状面上，以防混凝土灌注设备碰坏。此外，还应该做好施工前的钢筋计保护工作。

4.4 数据线标识

本次试验测点较多，桩体较长且是分段施工，因此应提前贴好标签。建议每隔 0.5m 贴一个防水标签，导线最好能伸出地面 3m～5m。

4.5 数据线注意保护

钢筋计导线比较脆弱，为防止导线受损，采用给导线套管的方式来解决这一问题。推荐采用防火金属套管，该套管本身具有一定强度，导线在该套管内可自由滑动，而且该管还具有防高温效果，很好解决挤压拉扯和高温问题。

4.6 分段施工注意防水

由于桩体较长，分段施工时导线必须断开，接头处的防水至关重要。推荐采用连接套管，导线内的铜丝连接好后用塑封管封好，然后用套管套好，涂抹防水胶，拧死套管两头，此时导线被扣在套管内，避免被拉断。

5 结语

本试验是国内首次支盘桩的原位静载抗拔试验，通过对试验中各环节的阐述以及试验过程中注意事项的分析，可以为同类基桩的试验提供参考。