嵌巖擴底抗拔樁承載特性現場試驗研究

張文濤，馬建林，王濱，楊柏

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031；2.國家電網四川省電力公司，成都 610041)

隨著中國電力事業的不斷發展，在西南地區，輸電線路越來越多的在山區中走線。就擴底抗拔樁而言，針對西南地區“上土下巖”(即上部土層、下部巖石)地質條件作用下的研究偏少。為此，本文依托于國家電網路平―富樂500 kV雙回線路工程中極限載荷試驗，針對項目中的擴底抗拔樁，對嵌巖擴底抗拔樁拔的極限承載力、樁身軸力等進行了分析，以此研究嵌巖擴底抗拔樁的承載特性。

1 試樁試驗概況

1.1 工程概況及地質條件

圖1 試樁地質剖面圖

巖土層名稱重度/(kN·m-3)孔隙比e黏聚力/kPa內摩擦角/(°)壓縮模量/MPa巖石飽和單軸抗壓強度/MPa塑性指數液性指數粉質黏土19.50.79832.312.55.4516.60.31強風化砂巖23.81 000.032.02.105.4中風化砂巖25.01 500.040.62.7022.4

1.2 試樁概況

該工程抗拔樁極限載荷試驗共測試樁徑0.8 m，擴底抗拔樁4根，對其中8#、10#以及11#擴底抗拔樁進行研究。為與等截面樁比較分析，將試驗樁徑0.8 m的等截面4#樁引入。擴底抗拔樁干鉆施工，上部采用旋挖鉆孔的成孔施工工藝，下部擴大頭采用人工挖孔施工工藝，擴底高度為1倍樁直徑，擴底直徑為D+2×200 mm(D為樁直徑)。試樁尺寸見表2。

表2 抗拔樁尺寸表Table 2 Parameters of piles

試驗采用《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106-2014)[16]推薦的慢速維持荷載加載法加荷，為確定各樁的抗拔極限承載力，試驗加載至破壞或出現不可再加載的情況為止?，F場采用兩根同徑工程樁作為反力支座，為試驗樁提供反力，在每個支座上安放1個6 000 kN千斤頂。

為削弱加載時出現偏心荷載的影響，在樁頂設置1.5 m×1.5 m×1.5 m樁帽，抗拔樁的主筋伸入樁頂上部設置的鋼筋混凝土樁帽，通過樁帽把上拔力傳遞給試樁?，F場單樁極限載荷試驗裝置見圖2。

圖2 極限載荷試驗裝置現場圖片Fig.2 Site image of ultimate load

試樁試驗中，進行了樁頂位移測試。為測試樁身軸力，每根試樁根據樁長不同布置不等量鋼筋應變計，應變計從樁頂開始布置，每隔0.5 m布置一個直至樁底。為測試方便，各樁樁頂標高均設置為0.0 m。

2 試驗結果分析

2.1 荷載位移曲線

圖3 樁頂荷載位移關系曲線Fig.3 Load-displacement curve of pile

試樁編號極限荷載/kN極限荷載對應樁頂位移/mm4#82313.98#1 7964.610#6 32820.611#8 39622.4

由圖3可見，4#樁與8#樁所處巖土層相同，樁長接近，樁頂作用相同荷載時，8#擴底樁樁頂位移要明顯小于4#等截面樁樁頂位移。由表3可知，4#樁極限荷載、對應的樁頂位移分別為823 kN、13.9 mm。8#樁極限荷載、對應的樁頂位移分別為1 796 kN、4.6 mm。可見，對巖土層相同，樁長接近的抗拔樁，嵌巖擴底抗拔樁較嵌巖等截面樁不但能夠顯著提高抗拔極限荷載，而且能夠有效降低樁頂位移。

10#樁與11#樁相比，相對來說，增加樁長會顯著提高極限抗拔力，但樁頂位移也會有一定幅度的增大。

2.2 樁身軸力曲線與樁側摩阻力曲線

圖4 各級荷載下樁身軸力深度曲線Fig.4 Distribution of shaft forces of pile

(1)

(2)

式(1)中：Nij為第i量測斷面在第j荷載作用下的樁身軸力；σij為第i量測斷面鋼筋應力計在第j荷載作用下的應力；Ai為第i量測斷面鋼筋總面積；Eh為樁身混凝土彈性模量；Es為鋼筋彈性模量；Aci為第i量測斷面混凝土面積。

式(2)中：fij為第i～i+1量測斷面之間在第j級荷載下的樁身側摩阻力；Ai為第i～i+1量測斷面之間的樁側面積；N(i-1)j為第i-1量測斷面處在第j級荷載下的軸力。

從圖4中可以看出，各級樁頂荷載作用下樁身軸力沿深度逐漸減小，并且，在不同巖土層中減小速率各異。隨著荷載的增加，上覆土層中軸力曲線斜率開始趨于穩定，同時，巖層中樁身軸力曲線斜率不斷增大。

根據受力平衡原理，樁身軸力曲線在一定程度上可以反映樁側土體提供的抗拔力。以10#樁為例，樁頂作用超過2 248 kN的荷載后，巖層提供的抗拔力超過巖土層整體提供的80%，該比例隨樁頂荷載的增加有小幅增大，極限荷載作用下該比例達到85%，說明對上覆土嵌巖擴底抗拔樁，樁頂荷載超過某一量值后，在提供抗拔力的作用中，巖層開始起主要作用。

由于試樁并未在擴大頭與等截面分界處安放鋼筋計，為方便分析，將上一段量測區間內軸力曲線斜率延伸至等截面段與擴底段分界面處，作為擴大頭與上一量測區間的軸力變化曲線，以此來計算擴大頭提供的抗拔力。3根擴底樁在極限荷載作用下，擴大頭提供的抗拔力見表4。

表4 極限荷載作用下擴大頭提供的抗拔力Table 4 Bearing capacities of enlarged base

極限荷載作用下，4#等截面樁嵌巖段(長度0.9 m)提供的抗拔力為426 kN。與此對應，8#樁高度為0.8 m的擴大頭提供的抗拔力為1 417 kN，是4#樁嵌巖段的3.3倍。

分析表4，11#樁與10#樁相比，樁長增加1.0 m，且擴大頭均位于中風化砂巖中，但就擴大頭提供的抗拔力而言，11#樁(2 918 kN)卻小于10#樁(3 472 kN)，說明樁長的增加對擴大頭所能提供的抗拔力無增益作用。

反觀8#樁，3根擴底抗拔樁擴大頭尺寸相同，但8#樁擴大頭提供的抗拔力(1 417 kN)要明顯小于10#與11#樁，根據前文所述，樁身長度對其無較大影響，分析認為，擴大頭所處巖層性質是主要影響因素。根據圖1，8#樁擴大頭位于強風化砂巖中，10#與11#樁擴大頭均位于中風化砂巖中，故而造成8#樁擴大頭提供的抗拔力要小于10#、11#樁。

由表4可知，對同為擴底型的抗拔樁，8#樁擴大頭雖提供的抗拔力明顯小于10#、11#樁，但擴大頭提供的抗拔力占樁體極限抗拔荷載的比例(76.5%)卻明顯高于10#(54.9%)、11#樁(34.7%)。這說明對同為擴底型的抗拔樁，樁身整體較短時，擴大頭的擴底作用更顯著。

由圖5可知，在中風化巖層中，11#樁簡化下的擴大頭處的樁側側摩阻力可以達到1 000 kPa，對10#樁，其值可以超過1 800 kPa。對處于強風化巖層中的擴大頭，從圖5(b)可以看出，側摩阻力也可以達到600 kPa，而根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[17]所提供抗拔極限承載力標準值，強風化巖層中側摩阻力最大僅可取到220 kPa，這說明由于嵌巖抗拔樁擴大頭抗拔作用的復雜性，將擴大頭的抗拔特性簡化成僅依靠樁側側摩阻力的作用，有一定的不合理性。

對于嵌巖擴底抗拔樁擴大頭上部等截面段的側摩阻力，從圖5可以看出，整體上隨樁頂荷載的增加而增大。極限荷載作用下，等截面段上覆土層及強風化巖層段側摩阻力平均值見表5。

表5 極限荷載作用下等截面段側摩阻力平均值Table 5 Measured value of side resistance

由于鋼筋應變計的埋設是從樁頂開始布置，并且每隔0.5 m布置一個,直至樁底鋼筋計的埋設，導致8#樁強風化巖層中等截面段側摩阻力無法準確測出，故未在表5中列出。

從表5可以看出，極限荷載作用下，11#樁與10#樁相比，中部強風化巖層厚度增加1 m，等截面段上覆土層與強風化巖層的側摩阻力均有不同幅度的提高，這說明對擴大頭位于中風化巖層、上覆一定厚度土層的擴底抗拔樁，中部夾強風化巖層厚度的增大，會對上覆土層、中部強風化巖層的側摩阻力具有一定程度的提升。換種角度來看，相對來講，擴底抗拔樁樁長的增加對上部等截面段上覆土層、強風化巖層側摩阻力的發揮有積極作用。

8#樁與10#樁、11#樁相比，樁長較短，且擴大頭位于強風化巖層中，這導致8#樁上覆土層側摩阻力要明顯小于后兩者。這也從側面印證了擴底抗拔樁的樁長對上覆土層側摩阻力的發揮具有一定的影響。

3 擴底抗拔樁等截面段樁側摩阻力試驗值與規范標準值對比

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)所提供的樁的極限側摩阻力標準值,試驗的黏土層為66～82 kPa，強風化巖層為140～220 kPa。

由于8#樁施工時未能做好擴大頭上部等截面段樁體與土層之間的接觸，極限荷載作用下8#樁上覆土層側摩阻力為50 kPa，要小于規范提供的最小值?？紤]到規范的保守性，可見抗拔樁施工時樁與土層摩擦特性將直接影響抗拔樁的承載力，施工時應注意控制兩者之間的接觸。

表5中，將10#樁與11#樁極限荷載作用下擴大頭上部等截面段巖土層側摩阻力與標準值相比較，可以看出試驗上覆土層側摩阻力(151 kPa)與強風化巖層的側摩阻力(344 kPa)均要顯著大于規范提供標準值的最大取值(分別為82、220 kPa)。這說明對于擴大頭位于中風化巖層且上部具有一定厚度的黏土層與強風化巖層的擴底抗拔樁，對其等截面段的黏土層與強風化巖層，規范中提供的抗拔極限側阻力標準值具有很強的保守性。

4 結論與建議

1)對所處巖土層相同，樁長接近的抗拔樁，嵌巖擴底抗拔樁較等截面樁不但能夠顯著提高極限抗拔荷載，而且能夠有效降低樁頂位移。對樁端位于強風化巖層的抗拔樁，由擴大頭提供的抗拔力是長度接近的等截面樁嵌巖段的3.3倍。

2)擴大頭提供的抗拔力與抗拔樁樁長無緊密聯系，擴大頭所處巖層性質對其所能提供的抗拔力影響較大，處于中風化巖層中的擴大頭所提供的抗拔力要顯著大于擴大頭位于強風化巖層時提供的抗拔力。

3)對同為擴底型的嵌巖抗拔樁，樁長較短時，擴大頭提供的抗拔力占樁體極限抗拔荷載的比例更高，擴大頭的擴底作用更顯著。

4)對于擴大頭位于中風化巖層且擴大頭上部等截面段具有一定厚度的黏土層與強風化巖層的抗拔樁，其等截面段與黏土層、強風化巖層接觸部分極限側摩阻力可在規范建議標準值的基礎上根據工程實際情況適當提高。

限于場地及經費，未設置常規等截面抗拔樁與10#、11#擴底型抗拔樁相比較，故無法在現場試驗中實現擴底型抗拔樁與等截面抗拔樁的定量比較。在后續分析中，可利用室內實驗及有限元軟件對該部分進行進一步研究。