張文濤 馬建林 王濱 楊柏
摘 要:
依托國網(wǎng)路平―富樂500 kV雙回線路工程中嵌巖抗拔樁極限載荷試驗,針對其中3根嵌巖擴底抗拔樁,對其樁頂荷載位移關(guān)系曲線、樁身軸力及樁身側(cè)摩阻力等特性進行分析。結(jié)果表明,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。擴大頭所處巖層性質(zhì)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位于強風化巖層中的擴大頭所提供的抗拔力。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。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(cè)摩阻力可在規(guī)范建議標準值的基礎(chǔ)上,根據(jù)工程實際適當提高。
關(guān)鍵詞:抗拔樁;承載特性;極限載荷;樁身軸力;樁側(cè)摩阻力
中圖分類號:TU473.1
文獻標志碼:A 文章編號:16744764(2018)05010207
收稿日期:20180110
基金項目:
國家重點研發(fā)計劃(2016YFC08022031)
作者簡介:
張文濤(1991),男,主要從事樁基礎(chǔ)、邊坡治理研究,Email:zwtswjtu@163.com。
Received:20180110
Foundation item:
Nation Key R & D Program of China (No.2016YFC08022031)
Author brief:
Zhang Wentao (1991), main research interests: pile foundation and slope control,Email:zwtswjtu@163.com.
Field test study on bearing capacity of rockembedded
underreamed uplift piles
Zhang Wentao1,MA Jianlin1,Wang Bin2,Yang Bai1
(1.Department of Geotechnical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,P.R.China;
2.Sichuan Electric Power Design & Consulting Co.,Ltd,Chengdu 610016,P.R.China)
Abstract:
Based on the ultimate load test of the national power grid of 500kV transmission line project from Luping to Fule, this paper carried out the ultimate load test of 3 rocksocketed piles with enlarged base. The loaddisplacement curves, distribution of axial force of pile shaft and shaft resistance were investigated. Results show that, when the piles located in the same layer of rocksoil and the length are reached, the enlarge base pile can not only increase the ultimate uplift bearing capacity, but also reduce the displacement of pile top than the pile of uniform section. The properties of the rock mass of the enlarged head have great influence on the uplift force. For the rock socketed uplift pile with enlarged bottom, the uplift force of the enlarged head is higher than that of the ultimate uplift load of the pile, and the expansion action of the enlarged head is more significant. The uplift pile of a clay layer with a certain thickness and a strong weathered layer in a medium weathered layer with enlarged head and a uniform section at the upper end of the enlarged head, the limit side friction of the section with the clay layer and the strong weathered rock layer can be improved appropriately according to the actual situation of the project on the basis of the recommended by the building codes.
Keywords:
uplift piles; bearing capacity; ultimate load;shaft forces of pile;resistance of pile
輸電線塔作為架設(shè)電力線路的基本結(jié)構(gòu),一般要承受較大的豎向上拔荷載,故需在電塔基礎(chǔ)設(shè)置抗拔樁,而擴底抗拔樁由于成本低,能顯著提高極限抗拔荷載,故在電力建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用。
Nazir等[1]通過室內(nèi)試驗得出,樁徑比對擴底抗拔樁抗拔荷載影響顯著,最大抗拔力隨樁徑比的增加而增大,而密砂中模型抗拔力較在松砂中提高了約60%。Lin等[2]研究發(fā)現(xiàn),砂土內(nèi)摩擦角對擴底抗拔樁抗拔力有明顯影響。密砂中(內(nèi)摩擦角35°~42°)抗拔樁抗拔力較松砂中(內(nèi)摩擦角30°~35°)有提高。Hong等[3]通過分析法研究了抗拔樁嵌入長度、樁表面粗糙程度以及土體抗剪強度對抗拔力的影響,并設(shè)置短樁與長樁來研究臨界埋置深度的影響。分析法得出的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。Harris等[4]分別就松、密砂采用6種不同嵌入形狀的樁體進行了試驗分析,得出在使擴底抗拔樁下部突出后,抗拔樁承載力有一定幅度上升,其土體影響范圍也有一定程度增加。Xiong等[5]得出在上拔力作用下,樁身應(yīng)力主要作用于軸線,隨著半徑和深度的增加而減小,樁側(cè)摩阻力從上到下逐漸減小。Shelke等[6]在試驗中考慮了長徑比、內(nèi)摩擦角、土樁摩擦角、土的密度和群結(jié)構(gòu)的影響,并提出一種考慮拱效應(yīng)的理論方法來預測嵌巖樁的極限抗拔力。群樁的抗拔承載力隨著間距的增大呈線性增加,在長細比從10增至40后,承載力降低了84%。王衛(wèi)東、吳江斌等[710]對擴底抗拔樁在東部沿海軟土地區(qū)的應(yīng)用作了深入研究,對擴底抗拔樁的承載特性、擴大頭承載機理等通過試驗、數(shù)值模擬等手段得出,擴大頭在埋深不同的條件下,由擴大頭提供的抗拔承載力相差不大,且擴大頭周邊土體法向力是擴大頭抗力的主要成分。袁文忠等[11]通過室內(nèi)試驗,研究了巖基強度對嵌巖抗拔樁承載力的影響,發(fā)現(xiàn)樁在受拉拔過程中,巖基強度越高,應(yīng)力影響范圍和破壞面的夾角越大。徐壯濤等[12]通過現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),擴底抗拔樁樁身變形量占樁頂變形比例達80%。周治國等[13]通過現(xiàn)場試驗,對嵌巖擴底抗拔樁的具體應(yīng)用給出了一些建議,提出當上部結(jié)構(gòu)對抗拔樁樁頂變形比較敏感時,宜采取措施控制樁身變形,而不是單一提高樁的極限抗拔承載力。楊旺興[14]通過慢速維持荷載試驗法和反演分析方法開展了試驗研究,試驗、反演結(jié)果表明,直徑抗拔短樁的抗拔性能較好,其荷載傳遞函數(shù)簡單,破壞模式為倒圓錐體破壞。劉波等[15]通過現(xiàn)場試驗及數(shù)值分析得出,在極限狀態(tài)下,擴大頭處提供的荷載占總上拔荷載的50%左右。
隨著中國電力事業(yè)的不斷發(fā)展,在西南地區(qū),輸電線路越來越多的在山區(qū)中走線。就擴底抗拔樁而言,針對西南地區(qū)“上土下巖”(即上部土層、下部巖石)地質(zhì)條件作用下的研究偏少。為此,本文依托于國家電網(wǎng)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(zhì)條件
如前所述,該工程依托國網(wǎng)路平富樂雙回路嵌巖擴底抗拔樁極限載荷試驗,試驗場地位于廣元市利州區(qū)寶輪鎮(zhèn)紅星村七組。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告,主要地層如下:粉質(zhì)黏土,厚約0.3~3 m,呈可硬可塑狀;強風化砂巖,厚約1~3 m,屬極軟巖;中風化砂巖,持力層,未揭穿。抗拔樁地質(zhì)剖面圖見圖1,巖土層物理力學性能指標見表1。
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。
試驗采用《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)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(xiàn)不可再加載的情況為止。現(xiàn)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(xiàn)偏心荷載的影響,在樁頂設(shè)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(shè)置的鋼筋混凝土樁帽,通過樁帽把上拔力傳遞給試樁。現(xiàn)場單樁極限載荷試驗裝置見圖2。
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(jù)樁長不同布置不等量鋼筋應(yīng)變計,應(yīng)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(shè)置為00 m。
2 試驗結(jié)果分析
2.1 荷載位移曲線
試驗得到4根試樁的樁頂荷載位移關(guān)系曲線如圖3,試樁試驗結(jié)果見表3。
以10#樁為例,試樁在最后一級荷載作用下對應(yīng)樁頂上拔位移17.7 mm,超過前一級荷載作用下的5倍(3.36 mm),可見,試樁達到破壞狀態(tài)。由圖3可知,3根嵌巖擴底抗拔樁樁頂荷載位移曲線表現(xiàn)特征與等截面樁相同,均呈陡變型,這與文獻[8]中所得出的擴底抗拔樁位于軟土地區(qū)的樁頂荷載位移曲線表現(xiàn)特征一致。
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(yīng)的樁頂位移分別為823 kN、13.9 mm。8#樁極限荷載、對應(yīng)的樁頂位移分別為1 796 kN、46 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(cè)摩阻力曲線
依據(jù)各量測截面處的鋼筋計應(yīng)力,按式(1)求得各級荷載下樁身軸力,按式(2)求得各級荷載下樁身側(cè)摩阻力。3根擴底抗拔樁在各級荷載下樁身軸力深度曲線見圖4,側(cè)摩阻力深度曲線見圖5。
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(wěn)定,同時,巖層中樁身軸力曲線斜率不斷增大。
根據(jù)受力平衡原理,樁身軸力曲線在一定程度上可以反映樁側(cè)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(qū)間內(nèi)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(qū)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。
極限荷載作用下,4#等截面樁嵌巖段(長度09 m)提供的抗拔力為426 kN。與此對應(yīng),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(jù)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(zhì)是主要影響因素。根據(jù)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(765%)卻明顯高于10#(54.9%)、11#樁(347%)。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(cè)側(cè)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(cè)摩阻力也可以達到600 kPa,而根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)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(cè)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(cè)側(cè)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(cè)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(cè)摩阻力平均值見表5。
由于鋼筋應(yīng)變計的埋設(shè)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(shè),導致8#樁強風化巖層中等截面段側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)摩阻力的發(fā)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(cè)摩阻力要明顯小于后兩者。這也從側(cè)面印證了擴底抗拔樁的樁長對上覆土層側(cè)摩阻力的發(fā)揮具有一定的影響。
3 擴底抗拔樁等截面段樁側(cè)摩阻力試
驗值與規(guī)范標準值對比
根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)所提供的樁的極限側(cè)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(cè)摩阻力為50 kPa,要小于規(guī)范提供的最小值。考慮到規(guī)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(yīng)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(cè)摩阻力與標準值相比較,可以看出試驗上覆土層側(cè)摩阻力(151 kPa)與強風化巖層的側(cè)摩阻力(344 kPa)均要顯著大于規(guī)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(guī)范中提供的抗拔極限側(cè)阻力標準值具有很強的保守性。
4 結(jié)論與建議
依據(jù)3根嵌巖擴底抗拔樁的極限載荷試驗,對其樁頂荷載位移,樁身軸力及樁身側(cè)摩阻力等進行了分析,得出結(jié)論與建議如下:
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(lián)系,擴大頭所處巖層性質(zhì)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(cè)摩阻力可在規(guī)范建議標準值的基礎(chǔ)上根據(jù)工程實際情況適當提高。
限于場地及經(jīng)費,未設(shè)置常規(guī)等截面抗拔樁與10#、11#擴底型抗拔樁相比較,故無法在現(xiàn)場試驗中實現(xiàn)擴底型抗拔樁與等截面抗拔樁的定量比較。在后續(xù)分析中,可利用室內(nèi)實驗及有限元軟件對該部分進行進一步研究。
參考文獻:
[1] NAZIR R, MOAYEDI H, PRATIKSO A, et al. The uplift load capacity of an enlarged base pier embedded in dry sand [J]. Arabian Journal of Geosciences, 2015, 8(9):112.
[2] LIN J G, HSU S Y, LIN S S. The new method to evaluate the uplift capacity of belled piles in sandy soil [J]. Journal of Marine Science & Technology, 2015, 23(4):523533.
[3] HONG W P, CHIM N. Prediction of uplift capacity of a micropile embedded in soil [J]. Ksce Journal of Civil Engineering, 2015, 19(1):116126.
[4] HARRIS D E, MADABHUSHI G S P. Uplift capacity of an underreamed pile foundation [J]. Geotechnical Engineering, 2015, 168(6):526538.
[5] XIONG H, LIU R, XU Y. Characteristic and 3D Numerical simulation analysis of uplift pile bearing capacity in urbans [J]. Journal of Engineering Geology, 2013,21(3):400407.
[6] SHELKE A, PATRA N R. Effect of arching on uplift capacity of pile groups in sand [J]. International Journal of Geomechanics, 2008, 8(6):347354.
[7] 王衛(wèi)東,吳江斌,王向軍. 基于極限載荷試驗的擴底抗拔樁承載變形特性的分析[J]. 巖土工程學報, 2016(7):13301338.
WANG W D,WU J B ,WANG X J. Ultimate load tests on bearing and deformation behavior of uplift piles with enlarged base [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2016(7):13301338. (in Chinese)
[8] 王衛(wèi)東,吳江斌. 深開挖條件下抗拔樁分析與設(shè)計方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學報,2010(5):202208.
WANG W D,WU J B. Design and analysis of uplift pile under deep excavation [J]. Journal of Building Structures,2010(5):202208. (in Chinese)
[9] 吳江斌,王衛(wèi)東,王向軍. 軟土地區(qū)多種樁型抗拔樁側(cè)摩阻力特性研究[J]. 巖土工程學報,2010(Sup2):9398.
WU J B ,WANG W D,WANG X J.Side resistance properties of multiple uplift piles in soft soil area [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010(Sup2):9398. (in Chinese)
[10] 常林越,王衛(wèi)東,吳江斌. 基于極限承載力試驗的擴底抗拔樁承載特性數(shù)值模擬分析[J]. 巖土力學,2015(Sup1):657663.
CHANG L Y, WANG W D, WU J B. Numerical simulation analysis of uplift behavior of enlarged base piles based on uplift ultimate bearing capacity tests [J]. Rock and Soil Mechanics,2015(Sup1):657663. (in Chinese)
[11] 袁文忠,于志強,謝濤. 巖基強度對嵌巖抗拔樁承載力影響的試驗研究[J]. 西南交通大學學報,2003(2):178182.
YUAN W Z, YU Z Q, XIE T. Vertical bearing capacity of rocksocketed piles influenced by batholith strength [J]. Journal of Southwest Jiaotong University,2003(2):178182. (in Chinese)
[12] 徐壯濤,張靜. 旋挖擴底抗拔樁受力機理及擴底段作用機制研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu),2016(8):6569.
XU Z T, ZHANG J. Study on stress mechanism of enlargedbase uplift pile and enlargedbase interaction mechanism [J]. Building Structure,2016(8):6569.(in Chinese)
[13] 周治國,唐孟雄,董曉斌,等. 嵌巖旋挖擴底抗拔樁工程應(yīng)用研究[J]. 巖石力學與工程學報,2009(Sup2):38383843.
ZHOU Z G, TANG M X, DONG X B, et al. Application to bearing capacity of rockemeeffed underreamed uplift piles [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009(Sup2):38383843. (in Chinese)
[14] 楊旺興. 大直徑嵌巖抗拔樁承載性能及反演分析[J]. 國防交通工程與技術(shù), 2016, 14(3):3941.
YANG W X. On the bearing performance of a largediameter antiup lifting rocksocketed pile and the inversion analysis of it [J].Traffic Engineering & Technology for National Defence, 2016, 14(3):3941. (in Chinese)
[15] 姚梅紅. 嵌巖抗拔樁承載力評估及其抗浮的優(yōu)化設(shè)計[J]. 福建工程學院學報, 2016, 14(3):218222.
YAO H M. The evaluation of bearing capacity and the optimization design of antifloating capacity for forrocksocketed antiuplift piles [J]. Journal of Fujian University of Technology, 2016, 14(3):218222. (in Chinese)
[16] 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范: JGJ 106-2014 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2014.
Techical code for testing of building foundation pile: JGJ 1062014[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2014. (in Chinese)
[17] 建筑樁基技術(shù)規(guī)范: JGJ 94-2008[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2008.
Techical code for build ing pile foundations: JGJ 942008 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2008. (in Chinese)
(編輯 王秀玲)