上海某工程擴(kuò)底鉆孔灌注樁抗拔樁身軸力測試淺析

湯永軍

(上海中測行工程檢測咨詢有限公司，上海市 200438）

0 前言

上海地基土廣泛分布深度達(dá)120m的第四紀(jì)沉積土，主要由粘性土、砂性、粉性土組成，對于深基礎(chǔ)，基礎(chǔ)抗浮主要利用抗拔樁錨固。抗拔樁過去主要靠增加樁長、樁徑以提高抗拔承載力，近年來，擴(kuò)底鉆孔灌注樁由于其抗拔承載力大且樁長可縮短，樁數(shù)可減少而廣泛運(yùn)用。目前，抗拔樁身軸力測試相對抗壓樁身軸力測試做得較少，本文通過上海某工程的抗拔樁身軸力測試，分析了抗拔軸力測試方法不同于抗壓軸力測試的特點(diǎn)，為抗拔樁身軸力測試積累方法經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，淺析了上海軟土地區(qū)擴(kuò)底鉆孔灌注樁的承載性狀。

1 工程概況

上海某工程擴(kuò)底鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)直徑為850mm，擴(kuò)底直徑1 500 mm，擴(kuò)底部分高2 m，試樁樁長46 m，樁端進(jìn)入⑧1層5 m左右，主筋為38Ф32，樁身混凝土強(qiáng)度等級水下C35。該工程擴(kuò)底鉆孔灌注樁選取3根試樁進(jìn)行抗拔靜載荷試驗(yàn)及樁身軸力測試，根據(jù)地質(zhì)情況，最大加載量為6 110 kN。地層分布見表1所列。

表1 地質(zhì)情況匯總表

2 抗拔靜載荷試驗(yàn)及軸力測試

2.1 試樁抗拔靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

該項(xiàng)試驗(yàn)的3根試樁均達(dá)到最大加載量且樁頂上拔量達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，終止加荷。試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2.2 抗拔試驗(yàn)軸力測試

2.2.1 與抗壓軸力測試計(jì)算理論的異同

對于抗壓試驗(yàn)的樁身軸力測試，一般會(huì)在樁頂下不小于1倍樁徑處設(shè)標(biāo)定斷面，在基礎(chǔ)底標(biāo)高、土層變化界面等焊接振弦式應(yīng)力（應(yīng)變）計(jì)（每個(gè)斷面不少于3個(gè)）。樁頂荷載作用在混凝土上，通過混凝土與鋼筋的變形協(xié)調(diào)，量測斷面應(yīng)力（應(yīng)變），再根據(jù)標(biāo)定斷面的截面彈性模量，計(jì)算斷面軸力[1]。軟土地區(qū)正常施工鉆孔灌注樁樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般遠(yuǎn)大于土的支撐力，所以在以土支撐力為控制荷載的情況下，混凝土不會(huì)壓裂，混凝土與鋼筋保持良好的變形協(xié)調(diào)。

對于抗拔試驗(yàn)的軸力測試，樁頂拉拔力作用在鋼筋上，鋼筋將拉力通過混凝土傳遞到樁側(cè)土。混凝土的抗拉性能遠(yuǎn)比抗壓性能差，非線性變形特征明顯。在小變形以下（本次試驗(yàn)100με左右），EC變化相對較小，近似認(rèn)為混凝土應(yīng)力與應(yīng)變是線彈性的，此時(shí)混凝土與鋼筋之間為協(xié)調(diào)變形；當(dāng)荷載增大，拉應(yīng)變隨之增大，拉應(yīng)變超過峰值應(yīng)變后，混凝土開裂，實(shí)測的應(yīng)變值發(fā)生突變，混凝土與鋼筋非協(xié)調(diào)變形。開裂后的狀態(tài)比較復(fù)雜，不能用以上方法簡單計(jì)算軸力，實(shí)際測試中，由于混凝土開裂是隨荷載增大沿樁身自上而下延伸的，可用樁頂荷載與未開裂斷面軸力差，計(jì)算未開裂面以上段平均摩阻力。

上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范估算擴(kuò)底抗拔樁承載力設(shè)計(jì)值時(shí)假設(shè)剪切破壞面為兩個(gè)剪切直徑的圓柱面，即樁底擴(kuò)大頭頂端以上8D（D為擴(kuò)底直徑）；剪切面直徑為D，此范圍以上剪切面直徑為d（未擴(kuò)樁徑）[2]?；诖耍擁?xiàng)試驗(yàn)計(jì)算分段平均摩阻力時(shí)，32m以上取實(shí)測樁徑，32～44m取直徑1 500mm。

2.2.2 軸力測試斷面的確定

該項(xiàng)試驗(yàn)軸力測試斷面設(shè)置為樁頂下深度：0.5 m（標(biāo)定斷面）、16.3 m（基礎(chǔ)底標(biāo)高處）、23.8 m、32 m、36.5 m、41 m、44.1 m（擴(kuò)大頭頂部位置，可了解擴(kuò)大頭端阻力）。通過該項(xiàng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)標(biāo)定斷面設(shè)在樁頂下存在以下問題：

（1）淺部拉力大，在配筋率較小、混凝土淺部不密實(shí)的情況下，混凝土容易較早開裂，起不到標(biāo)定的作用。該工程配筋率較高，對于引長至地面的超灌部分嚴(yán)格控制混凝土質(zhì)量，在2 350 kN～3 760 kN荷載下，標(biāo)定斷面開裂。

（2）施工時(shí)淺部鋼筋籠不一定保證豎直向上，以及測試時(shí)鋼筋的斜拉都會(huì)導(dǎo)致鋼筋偏心受拉，混凝土易開裂，同時(shí)標(biāo)定斷面所測應(yīng)力（應(yīng)變）不均衡，建議標(biāo)定斷面至少要4個(gè)以上應(yīng)力（應(yīng)變）計(jì)，且保證完好，減少誤差。

基于以上，建議標(biāo)定斷面在可能的情況下盡量深埋，對于深基礎(chǔ)可取基礎(chǔ)底標(biāo)高處，底標(biāo)高以上樁身用內(nèi)外鋼護(hù)筒包裹與樁側(cè)土隔離。

2.2.3 樁身軸力測試結(jié)果

3根試樁測試結(jié)果基本類似，基于篇幅，取其中的1號(hào)樁其結(jié)果見表3～表5所列及圖1所示。

表3 1號(hào)樁各級荷載下截面應(yīng)變值一覽表

表4 1號(hào)樁各級荷載作用下各截面軸力一覽表

表5 1號(hào)樁各級荷載下樁側(cè)摩阻力一覽表

圖1 1號(hào)樁各級荷載下樁身軸力圖

3 承載性狀分析

從以上試驗(yàn)，得出以下分析結(jié)果：

（1）隨著樁頂荷載的增大，樁側(cè)摩阻力總體表現(xiàn)由上而下逐漸發(fā)揮作用，樁身軸力沿樁身逐漸減少。但是，在軟土地區(qū)中高壓縮性互層的情況下，摩阻力的發(fā)揮需較大的樁土相對位移，上層軟土在小樁土相對位移下所作用于樁身的摩阻力較小，軸力傳至下層土，導(dǎo)致下層土在上層軟土摩阻力未達(dá)到極限之前就已開始作用；當(dāng)樁頂荷載增大，相對位移增大，上層土摩阻力得以逐漸發(fā)揮，此時(shí)，下層土摩阻力增加緩慢。軟土地區(qū)這種摩阻力作用、軸力傳遞方式，引起了樁端阻力較早開始作用，但前期增加緩慢，直到加載后期中上部土層摩阻力充分作用后才迅速提高。樁底擴(kuò)頸部分提高了樁端阻力，起到了“嵌固”的作用，保證了樁身中上部樁側(cè)阻力的持續(xù)，穩(wěn)定發(fā)揮。

（2）對比表5樁側(cè)摩阻力實(shí)測值，32 m以上土層摩阻力明顯偏高，對其分析解釋如下：軟土地區(qū)等截面抗拔樁破環(huán)形態(tài)為沿樁土界面形成的圓柱型剪切破環(huán)面，而對于擴(kuò)底樁，剪切破壞面形狀復(fù)雜。經(jīng)研究，上海軟土地區(qū)擴(kuò)大頭擴(kuò)展角較小，隨著樁頂位移的增大，擴(kuò)大頭牽動(dòng)的土體運(yùn)動(dòng)的范圍約為擴(kuò)底直徑的3倍，塑性區(qū)由擴(kuò)大頭頂端逐步向四周擴(kuò)展，最后形成半個(gè)橢圓型[3]。樁身中上部土體由于擴(kuò)大頭及牽動(dòng)土體的擠壓，相對于等截面樁更有效地?cái)D壓上層土，在被動(dòng)土壓力作用下，上層土剪切強(qiáng)度提高[4]，剪切破壞面不會(huì)是沿樁土界面，剪切面直徑應(yīng)比樁徑大得多。該項(xiàng)試驗(yàn)按規(guī)范32 m以上取實(shí)測樁徑計(jì)算側(cè)表面積偏小，導(dǎo)致摩阻力明顯偏大。規(guī)范未考慮8D以上的擴(kuò)徑影響，具有一定的安全儲(chǔ)備。

（3）該項(xiàng)試驗(yàn)1號(hào)樁加載至6 110k N時(shí)，樁頂上拔量17.85 mm，回彈率68.18%，樁頂位移以樁身彈性位移為主，下層土的摩阻力剛進(jìn)入顯著提高階段，擴(kuò)大頭端阻力分擔(dān)比例為3.16%，試樁還有一定的承載空間。隨著荷載繼續(xù)增大，上拔位移增加，下部土層摩阻力得以充分發(fā)揮，承載能力向樁端擴(kuò)大頭端阻力轉(zhuǎn)移，荷載增量由端阻力承擔(dān)，端阻力達(dá)到極限時(shí)，擴(kuò)底樁達(dá)到極限狀態(tài)。上海地區(qū)擴(kuò)大頭端阻力在承載力極限狀態(tài)時(shí)分擔(dān)比例能達(dá)到20%[5]，但需要很大的上拔位移，因此，對于細(xì)長擴(kuò)底灌注樁抗拔極限承載力應(yīng)以樁頂位移控制，同時(shí)考慮樁身抗裂要求。

4 結(jié)論

（1）混凝土的抗拉性能遠(yuǎn)比抗壓性能差，拉應(yīng)變超過峰值應(yīng)變時(shí)開裂，此時(shí)不能用鋼筋與混凝土的變形協(xié)調(diào)計(jì)算軸力，可用樁頂荷載與未開裂斷面軸力差，計(jì)算未開裂面以上段平均摩阻力。

（2）擴(kuò)底抗拔樁剪切破壞面不同于等截面樁，計(jì)算平均摩阻力時(shí)的剪切直徑可參照規(guī)范的假定，具有可比性。該項(xiàng)測試按上海地基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定樁底擴(kuò)大頭頂端以上8D（D為擴(kuò)底直徑），以下范圍剪切面直徑為D，此范圍以上剪切面直徑為實(shí)測樁徑。

（3）抗拔測試標(biāo)定斷面設(shè)在樁頂下，由于淺部拉力大，以及施工、測試的原因，淺部標(biāo)定面易過早開裂，建議標(biāo)定斷面在可能的情況下盡量深埋，標(biāo)定面以上樁身用內(nèi)外鋼護(hù)筒包裹與樁側(cè)土隔離，且至少要4個(gè)以上應(yīng)力（應(yīng)變）計(jì)，保證完好，減少誤差。

（4）樁側(cè)摩阻力總體表現(xiàn)由上而下逐漸發(fā)揮作用，上層軟土在小樁土相對位移時(shí)摩阻力小，軸力傳至下層土，導(dǎo)致下層土在上層軟土摩阻力未達(dá)到極限之前就已開始作用。這種傳遞方式，引起了樁端阻力較早開始作用，樁底擴(kuò)頸部分提高了樁端阻力，起到了“嵌固”的作用，保證了樁側(cè)阻力的持續(xù)，穩(wěn)定發(fā)揮。

（5）樁身中上部土體由于擴(kuò)大頭及牽動(dòng)土體的擠壓，剪切面直徑應(yīng)比樁徑大得多。按上海地基基礎(chǔ)規(guī)范，8D以上范圍取實(shí)測樁徑計(jì)算得到的平均摩阻力明顯偏高。規(guī)范未考慮8D以上的擴(kuò)徑影響，具有一定的安全儲(chǔ)備。

（6）擴(kuò)底鉆孔灌注樁側(cè)摩阻力得以充分發(fā)揮后，承載能力向樁端擴(kuò)大頭端阻力轉(zhuǎn)移，還有一定的承載空間，但端阻力充分作用需要很大的上拔位移，因此，對于細(xì)長擴(kuò)底灌注樁抗拔極限承載力應(yīng)以樁頂位移控制，同時(shí)考慮樁身抗裂要求。

[1]JGJ106-2003，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].

[2]DGJ08-11-2010，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]吳江斌，王衛(wèi)東，黃紹銘.等截面樁與擴(kuò)底樁抗拔承載特性數(shù)值分析研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（9）：2583-2588.

[4]張棟梁，楊龍才，王炳龍.擴(kuò)底抗拔樁試驗(yàn)分析與抗拔承載力計(jì)算方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2（5）：775-780.

[5]張棟梁，張書葵，臧延偉.擴(kuò)底抗拔樁抗拔機(jī)理研究[J].鐵道建筑，2006（6）：53-55.