关于上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究的讨论

1、第34卷第6期岩土工程学报Vol.34 No.6 2012年 .6月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering June 2012 关于“上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究”的讨论刘滔1,刘明振2(1. 长安大学公路学院,陕西西安 710064;2. 西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055中图分类号:TU473.1 文献标示码:A 文章编号:10004548(201206116602作者简介:刘滔(1977,男,河南襄城人,工学博士,从事隧道工程、地下工程防灾减灾研究工作。E-mail: liutaocv。Discussion

2、on “Field loading tests on large-diameter and super-long bored pilesof Shanghai Center Tower”LIU Tao1, LIU Ming-zhen2(1. School of Highway, Changan University, Xi'an 710064, China; 2. School of Civil Engineering, Xi'an University of Architecture andTechnology, Xi'an 710055, China笔者认真拜读了王

3、卫东等在岩土工程学报第33卷第12期上发表的上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究一文(以下简称“原文”,丰富的测试数据、详尽的理论分析使笔者受益匪浅。笔者在处理工程问题的过程中多次遇到与“原文”类似的现象:由于基坑太深,如果试桩前就将基坑开挖到设计深度,不仅使基坑长期暴露,产生大量工程问题,增加降水时间和费用,而且也常常会导致意想不到的环境问题。为避免这些问题的发生,常采取下述两种办法:与“原文”的方法相同,试桩过程在开挖前进行,在天然地面上成桩,并在天然地面上进行载荷试验,采取隔离措施,以消除设计承台底面以上桩体与土体间的侧摩阻力(以下称“情况1”;先施工试桩,再开挖基坑到设计标高后进行

4、载荷试验(以下称“情况2”。还有一种做法是:开挖到设计标高后,在基坑内成桩并进行载荷试验(以下称“情况3”。如果说“情况3”更接近工程桩的实际受力状态的话,那么我们不得不看到,前两种做法所存在的问题:其测试结果都与“情况3”有一定的出入。下面予以讨论:“情况1”,即“原文”试桩SYZA02、SYZB01和SYZC01的做法,尽管这种做法隔离了上部(约25 m桩段的侧摩阻力,但这段土体的重量仍然存在,它的存在使土中自重应力与开挖后不同,这种差异必然造成桩侧摩阻力和端阻力的不同,因为桩侧摩阻力和端阻力的大小、分布以及发挥程度不仅与土层的工程性质有关,而且还与土层中的应力状态,或者说所处的深度有关。

5、这一点不仅从理论分析中得到解释,也可以从实际测试结果得到验证1。另外“原文”的测试数据也可以说明这一点:在“原文”的图5(a和(b中,各找到一条曲线,它们在桩顶下25 m处轴力相近,对比发现着两条曲线的斜率在埋深为25 m至52 m这一段的明显不同,其中图(a是试桩SYZA01的,该试桩隔离钢套管失效,其曲线斜率大,图(b是试桩SYZA02的,该桩套管发挥了隔离作用,曲线斜率比较小,也就是说,在这一桩段,前者的侧摩阻力远大于后者。同样的方法对比桩端阻力,也会得到类似的结果。这种差异是如何产生的?笔者认为是因为试桩SYZA01在025 m桩段的桩侧阻力传递到下部土层中,引起土层中应力增加所致。鉴

6、于以上分析对比,笔者认为“原文”的结论“(2采用双层钢套管隔离基坑开挖段桩土接触以模拟工程桩实际受荷状态,能够较真实地反映有效桩长范围内桩侧摩阻力发挥与分布形状,为研究工程桩承载特性提供条件。”的提法不够合理,上覆压力的存在增大了桩的极限承载力,改变了侧摩阻力和端阻力的大小及桩侧摩阻力的分布,对工程来说是偏于不安全的,25m厚的上覆土层压力不是一个可以忽略的数字。因此笔者才提出这一问题同“原文”作者进行探讨。由于“原文”所涉及的超长桩承载力特别高,这一问题也许不至于影响到本工程的安全,但对那些基坑开挖深度相对较大、桩长较短的桩基来说,就不能不考虑这种影响了,它造成的后果可能是致命的。笔者在处理

7、某工程事故中已经遇到了类似问题。某工程天然地面以下31 m 处有一砂层,桩端进入该砂层1.8 m,基坑开挖深度15 m,采用与“原文”类似的方法用套管隔离上面15 m土层与试桩间的接触,进行3根试桩的静载荷试验结果是单桩极限承载力都不低于2100 kN,工程桩是在开挖到14.5 m的基坑中施工的,工程桩静载荷试验结果表明,大部分的单桩极限承载力分布在17002000 kN之间,说明承载力偏低的问题不是个案。分析认为出现问题的主要原因之一是与试桩和工程桩所在土层的讨论稿收稿日期:20120202答复稿收稿日期:20120328第6期讨论1167应力状态不同有关。对于“情况2”,原文并未涉及,在这

8、里列出来是因为它与情况1属于同类问题,笔者想借此机会把这种情况与大家交流。由于成桩后进行基坑开挖,卸荷使桩周土回弹,桩土之间的相对位移使桩体受拉,侧摩阻力在上段为正,下段为负,甚至影响到桩端与桩底土的接触,这种初始受力状态与”情况3”的差别必然会影响到桩的承载力及其侧摩阻力和端阻力的分布及发挥。笔者还曾遇到某工程预制桩接头被拔断,上段桩体浮起的现象。对于“情况1”笔者采用的方法是视土层、埋深、桩长等情况,根据经验在总承载力内扣掉一部分,这肯定具有一定的局限性、随意性和盲目性。对于“情况2”,还没有很好的解决办法,因此拿出来和大家讨论。参考文献:1 赵春风, 鲁嘉, 孙其超, 等. 大直径深长钻

9、孔灌注桩分层荷载传递特性试验研究J. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(5: 10201026. (ZHAO Chun-feng, LU Jia, SUN Qi-chao, et al. Experimental study of load transmissaion propersity of large-diameter bored cast-in-situ deep and long pile in different soil layersJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 28(5: 10201026. (

10、in Chinese对“上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究”讨论的答复王卫东1,2,李永辉1,吴江斌2(1. 同济大学地下建筑与工程系,上海 200092;2. 华东建筑设计研究院地基基础与地下工程设计研究所,上海 200002中图分类号:TU473.1 文献标识码:A 文章编号:10004548(201206116702作者简介:王卫东(1969,男,辽宁辽阳人,工学博士,教授级高级工程师,博士生导师,从事地下工程、深基坑工程、高层建筑地基基础的设计与分析。E-mail: weidong _wang 。Reply to discussion on “Field loading test

11、s on large-diameter and super-long boredpiles of Shanghai Center Tower”WANG Wei-dong1,2, LI Yong-hui1, WU Jiang-bin2(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Underground structure &Geotechnical Engineering, East China Architectural De

12、sign & Research Institute, Shanghai 200002, China非常感谢刘韬、刘明振两位学者对“上海中心大厦大直径超长灌注桩现场试验研究”的关注和讨论(以下简称“讨论文”。现就讨论的问题进行答复与进一步探讨。在软土地区,基坑支护设计通常采用围护墙结合内支撑系统,加之工程场地土质较为软弱,在基坑开挖之后,在坑内进行试桩和工程桩施工且进行载荷试验是难以实施的。当桩基现场试验在自然地面完成时,试桩与工程桩在承载性状方面存在差异,笔者认为这种差异主要受以下因素影响:基坑开挖段桩侧摩阻力。与工程桩相比,试桩不仅增加了该段侧摩阻力发挥量,而且该段侧摩阻力的发挥影响

13、基坑底面以下一定深度土层侧摩阻力发挥性状。基坑开挖段土体自重应力。该段土体自重应力影响基坑底面以下桩侧法向应力及桩端处土层竖向应力水平,导致试桩与工程桩桩侧摩阻力及桩端阻力发挥水平存在差异。基坑开挖后,基坑底面以下土体回弹效应。工程桩在坑底土体回弹效应影响下,产生负摩阻力,且导致桩侧法向应力发生变化,使得桩侧摩阻力发挥性状与试桩有所不同。应用于超高层建筑的大直径超长灌注桩通常伴随着较大的基坑挖深,以上因素对试桩与工程桩承载性状差异的影响更为突出。对于抗拔灌注桩,应更加重视上述因素的影响,笔者也在工程设计中较早考虑了这方面问题,并结合上海世博500 kV 地下变电站工程进行了相关的研究1-2。上

14、海世博500 kV地下变电站抗拔桩桩端埋深82.3 m,基坑开挖深度34 m,且开挖面积大,开挖土方量达450000 m3,如此大的基坑开挖深度,当试桩载荷试验在自然地面进行时,必将使得试桩与工程桩在承载性状上存在较大的差异。该工程抗拔桩载荷试验采用双层钢套管隔离技术,笔者也结合该工程,对深开挖条件下抗拔桩开挖段侧摩阻力的扣除、开挖卸荷桩周土体围压减小引起的抗拔桩承载力损失及开挖卸荷基底土体回弹对桩产生预拉力等问题进行了分析,并提出了深开挖条件下抗拔桩设计方法3。讨论文中所述3种桩基工程现场试验情况,笔者均有相应1168 岩土工程学报2012年的工程实践。“情况1”为在天然地面上成桩并进行载荷

15、试验,采取措施隔离基坑开挖段桩侧摩阻力;“情况2”为先施工试桩,再开挖基坑在坑内进行载荷试验;“情况3”为基坑开挖后,在基坑内成桩并进行载荷试验。桩基现场载荷试验采用何种情表1 采用双层钢套管技术的部分工程试桩概况Table 1 General situation of some projects test piles used double steel sleeves technique工程名称地区建筑高度/m层数桩端埋深/m桩径/mm基底埋深/m桩端持力层桩型极限承载力实测值/kN上海中心大厦上海632 124 88 1000 31 粉砂夹中粗砂层桩端后注浆桩>26000天津117大

16、厦天津600 117 100 1000 26 粉砂层桩端桩侧联合后注浆桩>39000武汉绿地中心大厦武汉606 119 60 1200 30 微风化泥岩、砂岩桩端后注浆嵌岩桩>45000世博地下变电站上海4(地下82 800 34 中砂层桩侧后注浆抗拔桩>8000上海白玉兰广场5上海320 66 65 700 22 粉砂、粉质黏土互层桩侧后注浆抗拔桩>4800况,笔者认为主要取决于工程场地地质条件及基坑开挖支护形式。虽然“情况3”与工程桩实际受力状态最为接近,但通常导致基坑暴露时间延长,风险性增大,因此,仅在硬土和地下水位较低的地区有实施的可能。笔者参与设计的北京CCT

17、V新主楼桩基础,该工程场地土性较好,基坑开挖采用桩锚支护形式,其现场试桩是在开挖基坑后钻孔成桩并进行载荷试验的。北京CCTV新主楼桩基直径为1200 mm,桩端埋深52 m,有效桩长33.4 m,采用桩端桩侧联合后注浆工艺,试桩结果表明其单桩承载力不小于33000 kN,满足桩基承载力设计要求4。对于具有基坑底面加载条件的试桩,可采用“情况2”方式进行现场试验,该方式虽不能克服基坑开挖后土体回弹对桩基承载力的影响,但较好地解决了基坑开挖段桩侧摩阻力和土体自重应力的影响问题。笔者设计的杭州波浪文化城桩基工程位于高地下水位的软土地区,其基坑开挖支护无内支撑,该工程试桩在自然地面钻孔成桩,部分试桩在

18、坑内完成静载荷试验,试验结果表明坑内试桩与自然地面试桩两者承载力均大于设计承载力要求。对于处于深厚软土地区且基坑开挖较深的桩基工程,在基坑内成桩并开展载荷试验的难度极大,为尽量减小基坑开挖段对试桩结果的影响,采用双层钢套管隔离基坑开挖段桩土接触成为可行的措施(“情况1”。此种试桩情况,笔者在一些工程实践中进行了应用(如表1所示,其试桩结果为工程桩设计提供了指导,同时也积累了丰富的工程经验,对同类桩基工程设计也具有参考价值。大直径超长灌注桩的工程应用与实践经验较其它桩基础少,现场载荷试验也只能尽可能反映工程桩主要受荷状态。“情况1”虽不能克服基坑开挖段土体自重应力和基坑开挖后坑底土体回弹的影响,

19、但比起未采取隔离措施的自然地面试桩方式,其已经在一定程度上接近工程桩的受荷状态,这也就表明双层钢套管的应用为研究工程桩的承载性状提供了条件。当然“情况3”试桩结果最为理想,但在工程实施过程中受多种因素影响而难以实现,“情况1”实施起来相对容易,解决了实际工程问题,从工程设计角度讲,该方式对指导工程桩设计具有可行性,但从学术角度,仍需要在此基础上进一步研究开挖段土体自重应力及开挖后坑底土体回弹对桩基承载性状的影响,笔者也将结合工程实践,进一步开展这方面研究工作。同时也呼吁感兴趣的学者结合工程实际,通过开展相关理论研究使得这一问题得到较好的解决。参考文献:1 王卫东, 翁其平, 吴江斌. 上海世博

20、500 kV地下变电站超深抗拔桩的设计与分析J. 建筑结构, 2007, 37(5: 107110. (WANG Wei-dong, WENG Qi-ping, WU Jiang-bin.Design and analysis of the deep substructures uplift piles in the project of Shanghai World Exposition 500 kV Underground Electric SubstationJ. Building Structure, 2007, 37(5: 107110. (in Chinese 2 王卫东, 黄茂松, 王建华, 等. 深层开挖条件下抗拔桩的工作性状和计算方法研究报告R. 上海: 华东建筑设计研究院有限公司, 2008. (WANG Wei-dong, HUANG Mao-song, WANG Jian-hua, et al. Working properties and calculation methods of pile under deep excavationR.Shanghai: East China Architecture Design & Research Institute Co. Ltd, 2008. (in Chinese 3 王卫东, 吴江斌. 深开挖条