大直徑嵌巖抗拔樁承載性能及反演分析

楊旺興

(中國鐵建十六局集團公司,北京 101100)

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大直徑嵌巖抗拔樁承載性能及反演分析

楊旺興

(中國鐵建十六局集團公司,北京 101100)

摘要：為了研究大直徑嵌巖抗拔樁的承載性能，采用慢速維持荷載試驗法和反演分析的方法對其展開試驗、研究，試驗、反演結果表明：含礫砂巖中樁長8.0 m、樁徑1.2 m的嵌巖挖孔樁，其豎向抗拔承載力標準值可達3 750 kN，樁頂最大位移僅為8.53 mm；抗拔樁的荷載傳遞函數為S=0.026f/(1-8.0f)；倒圓錐體破壞模式下圓錐面切線與豎直方向夾角θ僅與樁長L和樁徑d有關?？梢姶笾睆娇拱味虡兜目拱涡阅茌^好，其荷載傳遞函數簡單，破壞模式為倒圓錐體破壞。

關鍵詞：大直徑樁；嵌巖抗拔樁；承載性能；反演分析

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通惠州客運北站位于惠州市火車站及城北汽車客運站處，沿惠州大道路中設置，車站結構為地下二層，采用明挖法施工，車站長度為307.5 m，寬47.8～49.1 m，深約21.0～22.0 m。抗浮設計水位按100 a一遇洪水位設計，車站面積較大，采用底板下設置抗拔樁的方式進行抗浮?？拱螛稘M堂布設，間排距為4.17 m、11.20 m，共236根。樁長8.0 m，樁徑1.2 m，置于強風化～中風化含礫砂巖中。

抗拔樁施工在車站基坑開挖至設計標高后進行，基坑大深度、大面積開挖引起了基坑坑底巖體卸荷回彈；同時抗拔樁采用人工挖孔成樁，孔壁側向出現了一定程度的松弛。上述不利因素降低了巖體的強度，影響了抗拔樁承載性能的發揮。因而有必要對大直徑抗拔樁性能進行試驗、反演分析，以合理設計該類型的抗拔樁，為生產實踐服務。

2 試樁方案

2.1 試驗加載

采用慢速維持荷載法，每級試驗加載量為最大試驗荷載的十分之一，最大試驗荷載為3 750 kN(設計承載力標準值3 681.7 kN)，3 000 kN內每級試驗加載量為375 kN，第1級荷載為試驗加載量2倍，即750 kN，3 000～3 750 kN內每級試驗加載量為100 kN。

每級荷載試驗的穩定標準為在荷載持續作用下，每60 min內樁的上拔位移量連續兩次均小于0.1 mm。

測讀試驗數據的間隔時間為：第1次讀數為加載后5 min，之后是每隔15 min測讀一次，累計60 min后每隔30 min讀一次。

2.2 試驗卸載

加載試驗達到預定值后，進行卸載試驗，測試卸載過程中樁的回彈情況，卸載按五級進行，每級卸載量為加載量的2倍，即750 kN，每級荷載維持60 min，分別在卸載后的第5 min、15 min、30 min、60 min測讀數據；當卸載至零荷載后，維持試驗180 min并繼續測讀數據，測讀時間分別為第5 min、15 min、30 min，之后則每隔30 min測讀一次。

2.3 終止加載條件

試驗出現下列任一情況時，終止增加荷載： ①在荷載持續作用下，樁頂位移量達到了上級荷載的5倍。②樁頂累計位移量超過100 mm。③樁頂試驗荷載達到了鋼筋強度標準值的0.9倍。④試驗荷載達到設計要求的最大值。

3 試驗結果分析

本次試驗對2根樁進行了抗拔試驗，試驗結果(見表1)如下：

1號試樁樁頂最大位移量為7.42 mm，最大回彈量為2.90 mm，回彈率為39.1%；不可恢復位移為4.52 mm，占總位移量的60.9%。

2號試樁樁頂最大位移量為8.53 mm，最大回彈量為3.09 mm，回彈率為36.2%；不可恢復位移為5.44 mm，占總位移量的63.8%。

表1 試樁抗拔靜載試驗成果表

抗拔樁荷載—位移(U—δ)曲線總體呈拋物線狀(圖1、圖2)，與抗壓摩擦樁相似。同時由表1和圖1、圖2可見，前3級荷載作用下，抗拔樁的(U—δ)曲線近似呈線性，抗拔樁處于彈性變形階段；第4級荷載開始，抗拔樁的(U—δ)曲線曲率明顯加大，且增大速率亦在加大，說明抗拔樁處于以塑性變形為主的階段?？梢姌兜呢Q向抗拔承載力標準值為3 750 kN。但兩根樁的卸荷回彈曲線均十分接近于線性，可以認為卸荷階段的變形主要是樁身混凝土本身的彈性變形。

圖1　1號試樁抗拔力與樁頂位移曲線圖

4 反演分析

4.1 荷載傳遞函數反演分析

圖2 2號試樁抗拔力與樁頂位移曲線圖

抗拔樁載荷試驗曲線為非線性變形曲線，包括彈性變形階段和非彈性變形階段，彈性階段一般很短(本次試驗的前3級荷載下)，是樁土之間并沒有發生相對滑動的階段；非彈性變形階段是樁頂位移大于土體的屈服位移，土體出現了塑性區域。

彈性變形條件下，樁的抗拔承載力為：

(1)

式中：d為樁徑；L為樁長。

由試樁結果可得彈性階段樁周剪切摩阻力為：τ=Pu/πdL=49.8 kPa。

第3級荷載作用下，樁頂位移應變平均值為1.07，則此時樁土間剪切模量為：G=τ/δ=49.8 kPa/1.07=46.5 kPa。

在抗拔樁沒有破壞的情況下，根據Gardner理論，荷載傳遞函數可表述為[1]：

(2)

式中：a、b為雙曲線參數；f為樁側摩阻力；S為樁土相對位移。

對公式(2)的不同變化形式取極限則有[1]：

式中：fmax為抗拔樁側極限摩阻力，單位為N/mm2。對于本次試驗，fmax=Umax/πdL=0.124 4 N/mm2，故b=8.0。Kst為樁土間初始剪切剛度，據Randolph等人的研究[2，3]，有：

(3)

式中：dm為樁抗拔試驗時樁體對周邊地層的影響范圍平均值；d為抗拔樁直徑。

樁土間變形處于彈性階段時，dm≈2.7d,此時：Kst=G/d=46.5 kPa/1.2 m=38.8 kN/m3，故a=0.026。由此可得抗拔樁的荷載傳遞函數為：

(4)

4.2 破裂角反演分析

當樁短粗時，樁軸向伸長量很小，樁身上部、下部的樁土間相對位移相差很小，樁側的摩阻力可同時調動起來。在較小的樁頂位移下，樁就達到了其極限承載力[2]。本次試驗的樁長僅8.0 m，而樁徑為1.2 m，為典型的短粗樁，其荷載傳遞規律與上述情況完全一致。

一般而言，樁身某處樁土相對位移達到6～10 mm時，側摩阻力就達到了其極限值[3]。

對抗拔樁而言，其破壞形態大致有三類[1,4]：①樁土接觸界面的剪破；②與樁長等高倒圓錐體剪破；③復合剪切面剪破。一般情況下，樁周巖體為軟巖的短粗灌注樁會發生倒錐體破壞。本次試驗的情況完全符合上述條件，因而其破壞形態為倒錐體破壞。

倒圓錐體破壞模型假設滑移破壞面為一倒錐圓臺，且圓錐面切線與豎直方向夾角θ，倒圓錐臺破壞模型下樁的極限承載力有以下2種表達形式[3,5]：

(5)

(6)

式中：

整理得：

(7)

式中：L為樁長；γ為巖體重度；d為樁徑。

將公式(5)代入公式(6)消去相關項后可得：

(8)

將公式(7)代入公式(8)，最終可得到θ與L、d的函數關系。說明了倒圓錐體破壞模式下，圓錐面切線與豎直方向夾角受樁長與樁徑共同控制。

5 結論

(1)含礫砂巖中樁長8.0 m、樁徑1.2 m的嵌巖挖孔樁，其豎向抗拔承載力標準值可達3 750 kN；試樁的最大位移為8.53 mm，最大回彈量為3.09 mm，最大回彈率為39.1%。

(2)反演分析得抗拔樁的荷載傳遞函數為S=0.026f/(1-8.0f)。

(3)反演分析發現，倒圓錐體破壞模式下，圓錐面切線與豎直方向夾角θ僅與樁長L和樁徑d有關。

參考文獻

[1]羅 寧.等截面抗拔樁承載力和變形性狀研究[D].廣州：華南理工大學，2013

[2]李海霞.嵌巖抗拔樁承載力特性研究[D].合肥：合肥工業大學，2012

[3]何泓男，戴國亮，龔維明.等截面抗拔樁的極限承載力計算綜述[J].公路交通科技，2014，31(6)：63-68

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[5]朱碧堂，楊 敏.抗拔樁的變形與極限承載力計算[J].建筑結構學報，2006，27(3)：120-129

On the Bearing Performance of a Large-Diameter Anti-Uplifting Rock-Socketed Pile and the Inversion Analysis of It

Yang Wangxing

(The 16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 101100,China )

Abstract:To study the bearing capacity of a large-diameter anti-uplifting rock-socketed pile,the slowly-sustaining load test method and the inversion analysis are applied to the tests and studies.Results of the test and inversion analyses show that the standard value of the vertical anti-uplifting bearing capacity of a 8.0 m-long,1.2 m-diameter rock-socketed pile in the sand-and-gravel stratum is up to 3750 kN,with the maximum pile-top displacement being only 8.53 mm.The load-transferring function of the anti-uplifting pile is S=0.026f/(1-8.0f). In the inverted cone destruction mode,the angle (θ) between the conical surface tangent and the vertical direction is only related to the pile length and the pile diameter,from which it can be concluded that the anti-uplifting performance of the large-diameter anti-uplifting pile is fairly good, the load-transferring function of which is simple. Its destruction form is of an inverted cone failure mode.

Key words:large-diameter pile;anti-uplifting rock-socketed pile;bearing performance;inversion analysis

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：楊旺興(1982—)，男，工程師，主要從事土木工程施工管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.010

中圖分類號：TU473.11

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3953(2016)03-0039-03