鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁的極限抗拔破壞試驗(yàn)研究

楊 眉，陳久照，李超華，孫志賢

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

實(shí)際工程中，一些建、構(gòu)筑物會(huì)由于風(fēng)力或者水的浮力等而受到上拔荷載，設(shè)置抗拔樁是常采用的一種解決基礎(chǔ)抗拔或者抗浮的方法，基礎(chǔ)抗拔問(wèn)題如果處理不好將會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。因此，確定其單樁抗拔極限承載力的大小是樁基礎(chǔ)工程中研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

SHANKER K 等人［1］依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果提出了一個(gè)在砂類(lèi)土中預(yù)測(cè)抗拔樁極限承載能力的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。酈建俊等人［2］利用極限平衡法，在假設(shè)滑移面為冪函數(shù)形式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了分層地基中極限承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。馬杰等人［3］通過(guò)抗拔樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了樁側(cè)阻力軟化特性。周俊鵬等人［4］實(shí)施了黃土地基上的抗拔與抗壓試驗(yàn)，分別研究樁的受力性能。羅耀武［5］研究了開(kāi)挖對(duì)抗拔樁極限承載力的影響。孫洋波［6］根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了適用于軟土地區(qū)擴(kuò)底抗拔樁單樁承載力計(jì)算公式。已有的基樁研究，針對(duì)某種特定樁型做一系列的單樁抗拔極限承載力破壞試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)較少，而鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁在實(shí)際工程中應(yīng)用又非常廣泛，因此，本研究針對(duì)鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)極限抗拔試驗(yàn)，研究其極限抗拔承載力與承載力特征值的比值大小規(guī)律和影響因素，對(duì)指導(dǎo)其設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1 等截面抗拔樁的破壞形態(tài)及極限承載力理論取值

影響樁的破壞形態(tài)有多種因素，破壞形態(tài)主要有以下3種［7-9］。

1.1 沿樁土接觸面發(fā)生圓柱型剪切破壞

如圖1?所示，這是經(jīng)常出現(xiàn)的一種破壞形態(tài)。抗拔樁主要由側(cè)摩阻力抵抗樁頂荷載，當(dāng)側(cè)摩阻力達(dá)到極限值時(shí)，樁土之間的相對(duì)位移會(huì)逐漸增大，然后達(dá)到臨界值，樁從土中被拔出而破壞。該破壞形態(tài)下的極限抗拔承載力可按式⑴計(jì)算［8-10］：

式中：Pu為等截面抗拔樁的極限抗拔承載力（kN）；W為樁的自重（地下水以下取有效自重，kN）；d為樁的樁徑（m）；L為樁的樁長(zhǎng)（m）；K為側(cè)壓力系數(shù)；γ為土的有效重度平均值（kN/m3）；φ為樁周土的平均有效內(nèi)摩擦角（°）。

1.2 與樁長(zhǎng)等高的倒圓錐臺(tái)形剪切破壞

這種破壞形式不常見(jiàn)，其樁身與樁周土的粘結(jié)效果很好，樁在上拔時(shí)，樁土之間的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于樁周土體自身的粘結(jié)力，所以在樁上拔過(guò)程中，產(chǎn)生倒圓錐臺(tái)形剪切破壞，如圖1?所示，一般發(fā)生在軟巖層中和樁長(zhǎng)小但樁徑大的抗拔中。這種抗拔樁的極限承載力近似等于樁體自重加上倒錐臺(tái)形的土體重量，計(jì)算公式如式⑵所示：

Pu=W+Wc⑵

式中：Wc為倒錐臺(tái)形土體有效重量（kN）。

1.3 復(fù)合剪切面剪切破壞

復(fù)合剪切面剪切破壞如圖2 所示，這種破壞形式經(jīng)常是土體由一個(gè)破壞面開(kāi)始發(fā)展為多個(gè)破壞面，主要發(fā)生在樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)和硬黏土土層中。由于樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，從上到下穿過(guò)不同的土層，各土層性質(zhì)復(fù)雜，所以各層土與樁之間的粘結(jié)力也不一樣，因此樁上拔過(guò)程中，樁周土體會(huì)產(chǎn)生多個(gè)截面的剪切破壞。

對(duì)于圖2?中的剪切破壞，抗拔極限承載力近似等于下半部分發(fā)生圓柱形剪切破壞的樁體樁側(cè)阻力與樁身自重以及樁體上半部分倒錐臺(tái)形的土體重量之和，計(jì)算公式如式⑶所示：

2 單樁豎向抗拔破壞試驗(yàn)

2.1 工程概況

本次抗拔樁極限承載力試驗(yàn)樁共10根，采用預(yù)應(yīng)力管樁和鋼管樁兩種樁型，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樁參數(shù)Tab.1 Test Pile Parameters

2.2 工程地質(zhì)

本場(chǎng)地的地質(zhì)情況，以鉆孔1為例，地層由上至下依次為：

⑴雜填土：黃褐，中密，很濕，可塑，雜色，稍密，主要由混凝土和鉆渣組成，欠固結(jié)，土質(zhì)不均。分層厚度2.6 m。

⑵淤泥質(zhì)土：黃褐，稍密，很濕，可塑，灰黑色，飽和，流塑，含腐殖味，有臭味，下部有較多的砂。分層厚度1.8 m。

⑶細(xì)中砂：黃，中密，飽和，不均勻，灰黑色，分選性較好，松散，粘粒成分較高，石英質(zhì)，顆粒較均勻。分層厚度1.4 m。

⑷粉質(zhì)粘土：雜色，中密，飽和，不均勻，圓，黃褐色，可塑，粘性一般，干強(qiáng)度中等，無(wú)搖震反應(yīng)。分層厚度1.2 m。

⑸淤泥質(zhì)土：黃褐，稍密，很濕，可塑，灰黑色，飽和，流塑，含腐殖味，有臭味，下部有較多的砂。分層厚度2.8 m。

⑹粗砂：黃褐色，灰白色，分選性較好，飽和，中密，局部礫砂含量較多，粒徑不均。分層厚度5.1 m。

⑺礫砂：黃褐色，灰白色，分選性較好，飽和，中密，石英質(zhì)，粒徑不均。分層厚度2.0 m。

⑻強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r：灰黑色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯破碎，呈半巖半土狀，局部為碎塊狀。分層厚度1.9 m。

⑼微風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r：灰黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯較完整，巖芯呈短柱狀，長(zhǎng)柱狀，局部為機(jī)械攪碎呈塊狀，錘擊聲脆，RQD=81%。分層厚度1.4 m。

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，得到抗拔樁在上拔過(guò)程中的荷載-位移曲線(xiàn)，位移-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(xiàn)，從而確定單樁豎向抗拔極限承載力。試驗(yàn)加載方法采用慢速維持荷載法，當(dāng)樁頂上拔量速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再施加下一級(jí)荷載。加載采用逐級(jí)等量加載，每級(jí)加載量取分級(jí)荷載；如加載至靜載試驗(yàn)最大荷載值仍未發(fā)生破壞，則繼續(xù)按照分級(jí)荷載逐級(jí)加載，直至破壞。卸載按照《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范：廣東省規(guī)范DBJ/T 15-60—2019》執(zhí)行。

2.3.1 受力主筋設(shè)計(jì)受力主筋設(shè)計(jì)如式⑸所示：

式中：Nt為鋼筋的極限抗拉承載力（N）；d為鋼筋直徑（mm）；fsk為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）。

本輪試驗(yàn)采用鋼筋HRB400，直徑d為25 mm，極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為540 N/mm2，計(jì)算出單根鋼筋的極限抗拉承載力為264.93 kN。

以鋼管樁受力主筋設(shè)計(jì)為例，根據(jù)靜載試驗(yàn)荷載值，考慮到鋼筋需要搭接并可能會(huì)彎折一定角度，將最大試驗(yàn)荷載乘以安全系數(shù)1.2，計(jì)算所需鋼筋數(shù)量如表2所示。

表2 受力主筋設(shè)計(jì)Tab.2 Design of Stressed Main Reinforcement

2.3.2 鋼筋焊接搭接計(jì)算長(zhǎng)度

鋼筋接頭焊縫的抗剪承載力設(shè)計(jì)值按式⑹計(jì)算：

式中：Rf為鋼筋接頭焊縫的抗剪承載力設(shè)計(jì)值（N）；h為焊縫厚度（mm），約按0.3 取用；l為鋼筋搭接焊縫長(zhǎng)度（mm）；ft為焊縫抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2），對(duì)HRB400級(jí)鋼筋取用200 N/mm2。

為保證焊縫具有足夠的抗力，應(yīng)使Rf＞Nt，則有：

單面焊接長(zhǎng)度為7.1d，雙面焊為4d，d為25 mm。由于搭接到樁體上，并考慮實(shí)際的一些操作因素，比如焊接不滿(mǎn)焊，操作不熟練，焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，為改善鋼筋搭接根部熱影響而局部減薄焊縫等，鋼筋焊接長(zhǎng)度還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況乘以安全系數(shù)2.0～2.5，因此焊縫長(zhǎng)度建議為8d（200 mm）及以上，焊接長(zhǎng)度還可根據(jù)實(shí)際需要再適當(dāng)增長(zhǎng)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)樁抗拔結(jié)果如表3所示。

從表3 可以得到，6 根鋼管樁的試驗(yàn)極限值與承載力特征值的比值平均值為3.05，介于2.1 倍～3.8 倍，但都高于2 倍，而4 根預(yù)應(yīng)力管樁相應(yīng)的比值為2.3，介于1.8倍～2.6倍。由此可以知道，鋼管樁的設(shè)計(jì)安全系數(shù)實(shí)際高于預(yù)應(yīng)力管樁，具有2 倍承載力特征值左右的安全空間，而預(yù)應(yīng)力管樁受力設(shè)計(jì)也具有1.3 倍承載力特征值左右的安全空間。

表3 試樁抗拔結(jié)果Tab.3 Uplift Results of Test Piles

觀(guān)察鋼管樁的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著樁的承載力特征值增大或者入土樁長(zhǎng)的增加，試驗(yàn)極限值與承載力特征值的比值反而越小的趨勢(shì)；預(yù)應(yīng)力管樁的數(shù)據(jù)表明，隨著樁的承載力特征值增大，該比值并無(wú)明顯增大或減小的趨勢(shì)。

在本試驗(yàn)中，鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)生抗拔破壞時(shí)，最大上拔位移均基本處于30～40 mm，具有統(tǒng)一性，可為設(shè)計(jì)提供參考。

3 結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展對(duì)6 根鋼管樁和4 根預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔破壞試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：

⑴對(duì)于鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁，按照經(jīng)驗(yàn)，極限抗拔力取承載力特征值的2 倍是合理的，鋼管樁取2 倍值偏保守，承載力特征值較小的鋼管樁相對(duì)特征值較大的鋼管樁具有更大的安全系數(shù)。

⑵ 鋼管樁的抗拔極限值與承載力特征值的比值，隨著承載力特征值的增大呈現(xiàn)出越小的趨勢(shì)，而預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔極限值與承載力特征值的比值并無(wú)明顯增大或減小的趨勢(shì)。

⑶入土樁長(zhǎng)對(duì)于鋼管樁試驗(yàn)極限值與承載力特征值的比值影響較明顯；本試驗(yàn)場(chǎng)地，鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)生抗拔破壞時(shí)，最大上拔位移均基本處于30～40 mm，具有統(tǒng)一性。