削擴支盤樁承載力的抗拔測試研究

李 千，李命成，李庶林*，牛帥星

(1.廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361005；2.中國建材檢驗認證集團廈門宏業有限公司，福建 廈門 361009)

建筑基礎抗浮是土建工程中的一個難題，抗拔樁是工程中應用得最廣泛的一種基礎抗浮技術手段.多年來，國內外學者一直致力于開展相關的理論研究工作.Dickin等[1]采用離心機試驗研究了擴大頭幾何形狀對抗拔承載力的影響，給出了擴底抗拔樁承載力的經驗設計方法；Naggar等[2]通過模型試驗，研究了錐形抗拔樁的承載力特性；Ilamparuthi等[3]對土工隔柵加固的沙土模型擴底抗拔樁的承載性狀進行研究，提出了估算抗拔樁承載力的經驗方法，建立了上拔荷載和上拔位移間的非線性雙曲線模型；Shanker等[4]研究了單樁的抗拔性能及其預測方法等.何思明[5]分析了抗拔樁的破壞特點，提出了一種極值原理的抗拔樁極限承載力計算方法；錢德玲[6]分析了擠擴支盤樁的抗拔力計算方法并據此進行了工程案例分析；許亮等[7]在現場足尺樁試驗結果的基礎上，提出了擴底支盤樁承載力的圓柱面剪切法和擴大系數法的計算方法;吳春秋等[8]對擴底抗拔樁和樁側壓漿等截面抗拔樁兩種不同抗拔樁型的承載力性狀進行了分析,研究了兩種不同樁型的荷載傳遞規律和承載力提高機理.劉文白等[9]還針對擴底樁的抗拔力在試驗基礎上開展了抗拔力的數值模擬研究.

在確定抗拔力學性能方面其室內模擬試驗和理論計算還很不完善，目前對于抗拔樁設計中的理論依據不足，基本還是以經驗設計為主[10-11].因此，在超高層建筑的深基坑基礎工程、大型地下結構工程的抗浮設計中，大多還是對樁的抗拔性能做直接的、足尺現場抽樣(或試驗)測試，該方法還是在技術上唯一可靠的、也是必不可少的重要技術手段.本文以廈門英藍國際金融中心工程為背景，結合現場等截面旋挖灌注樁的抗拔承載力測試，修改不能滿足設計條件的等截面樁為削擴支盤樁，對削擴支盤樁的承載力進行理論計算和足尺度抗拔承載力與變形進行測試，以驗證修改設計的實際效果.

1 工程及地質概況

廈門英藍國際金融中心工程項目位于廈門市湖里區，總建筑面積約50萬m2，其中地上約33萬m2， 地下約17萬m2，主要包括塔樓、裙房和地下室，其中地下室4層，埋深約18 m.本工程采用平板式樁筏基礎，設計基礎采用等直徑(截面)旋挖鉆孔灌注樁.所觸及的地層巖土體主要為雜填土、淤泥混砂、粉質黏土、粗砂、殘積黏性土，以及下部的風化花崗巖層，各地層分布情況自上而下主要描述如表1所示[12].

表1 地層分布情況表

2 等截面試驗樁抗拔靜載測試

2.1 測試樁的設計參數

設計等截面旋挖鉆孔灌注樁單樁豎向測試抗拔極限承載能力必須達到3 400 kN.為保證設計參數的準確性和可靠性，在基坑開挖完成后對先施工的試驗抗拔樁進行單樁豎向抗拔靜載試驗.本文選取編號為C705#、C774#、C776#的3根試驗樁的數據進行分析，樁徑均為800 mm，檢測的試樁有關參數和待測試荷載見表2.

表2 待測試樁有關參數

2.2 測試方法與測試結果分析

抗拔樁的測試裝置、具體測試過程控制、測試數據記錄等細節可參見《建筑基樁檢測技術規范》[13].

3根測試樁的最大試驗荷載和對應于最大試驗荷載時的樁頂上拔量(變形)如表3所示；測試的全過程的U-δ曲線和逐級加載的δ-lgt曲線見圖1所示.從表3和圖1中明顯看出，3根抗拔試驗樁的檢測極限承載力分別只有2 040 kN和1 700 kN，均遠未能達到原設計預期的極限荷載3 400 kN的要求.

圖1 各試樁靜載試驗曲線Fig.1 Static load test curves of each test pile

表3 各試樁靜載試驗結果

3 抗拔樁改進和削擴支盤樁承載力預估

3.1 抗拔樁設計改進

為解決上述等截面樁的承載力不能滿足設計要求的問題，改進設計提出采用削擴支盤樁方案，即在樁底及其上6 m處各增加一個支盤，直徑1 400 mm，如圖2所示，設計混凝土強度等級為C30，單樁豎向抗拔極限承載力值為3 400 kN.

圖2 帶兩個支盤的削擴支盤樁(單位：mm)Fig.2 Pile body with two branches (unit:mm)

3.2 削擴支盤樁抗拔承載力分析

3.2.1 抗拔樁承載力的計算方法

根據前述等截面樁實測結果分析，得出樁的側向平均摩阻力調整系數，然后再利用這個調整系數對修改設計的削擴支盤樁的承載力進行預估.這里采用文獻[14]中的計算方法進行計算：

Uu=u∑λiqsiLi+∑ηqpjApj.

(1)

其中，Uu代表單樁豎向抗拔極限承載力標準值(kN)；u為主樁樁干周長(m)；λi為樁周第i層土的抗拔系數；qsi為樁側第i層土的極限側阻力標準值(kPa)；Li為當第i層土內設置承力盤后，樁穿過該層土折減盤高的有效厚度(m)；η為盤底土層極限端阻力標準值的修正系數；qpj為第j個盤處土層的極限端阻力標準值(kPa)；Apj為第j盤扣除樁身截面積的盤投影面積(m2).

3.2.2 等截面樁抗拔承載力計算

在式(1)中，當Apj=0時，公式右邊的第二項即為零，這時即可用以計算等截面樁的抗拔極限承載力.根據前述等截面樁的測試結果，采用本工程地勘報告中提供的巖土設計參數進行分析計算，其中樁側摩阻力標準值取下限值，其相關參數和分析計算結果如表4所示.

從表4中看出，對C705#、C774#兩根測試樁理論計算的樁側摩阻力參數乘以調整系數0.65，對C776#測試樁理論計算的側摩阻力參數乘以調整系數0.54，就能得出理論計算值剛好跟試驗實測的抗拔極限承載力相吻合.樁側摩阻力調整系數可取3根樁各自調整系數的平均值，即得0.61.

表4 等直徑普通抗拔樁承載力計算

3.2.3 削擴支盤樁承載力預估

本文選用3根待測試的削擴支盤樁編號分別為C802#、C836#及C847#，相關幾何參數和地勘提供計算參數見表5，對應土層的抗拔系數λi的取值見表4.將側摩阻力標準值的下限值乘以調整系數0.61，然后采用公式(1)計算得到的削擴支盤樁的承載力結果見表5.由此可見，理論計算得到的削擴支盤樁單樁抗拔承載力都超過了5 000 kN，遠大于設計要求值3 400 kN，這也從理論上說明采用改進設計的削擴支盤樁方案是可行的.

表5 削擴支盤樁抗拔承載力計算

4 削擴支盤樁抗拔靜載測試

本次豎向抗拔極限承載力測試的3根樁編號為C802#、C836#和C847#，測試原理和方法與前述等截面樁的完全相同，檢測結果見表6，對應檢測試驗過程的U-δ曲線和δ-lgt曲線詳見圖3.由圖3看出，當測試上拔力達到3 400 kN時，各試驗樁都未達到極限荷載狀態，樁頂最大上拔量也遠未超過100 mm，且各試樁并無任何破損異常之處.僅就削擴支盤樁的最大測試荷載與等截面樁的極限抗拔荷載相比，其值都分別提高了67%和110%，這說明削擴支盤樁較等直徑的旋挖灌注樁能大幅度地提高單樁豎向抗拔承載力.

表6 試樁參數和檢測結果

圖3 各試樁靜載試驗曲線Fig.3 Static uplift test curves of piles

從圖3中看出，3根樁頂的最大位移值有較大差別，其中C836#的沒有超過15 mm，說明其效果最好；而另外兩根樁的最大位移值都超過39 mm，稍有偏大，這應該是測試樁灌注過程產生的施工差異.

5 結 論

本文通過對等截面樁和削擴支盤樁的足尺現場測試與分析，得到如下主要結論：

1) 由等截面樁的抗拔測試和理論計算，得出該工程中樁側摩阻力調整系數值為0.61，即樁側摩阻力取地勘報告提供的下限值的0.61倍是比較符合工程實際的取值.

2) 依據本文確定的樁側摩阻力的調整系數0.61，預估改進設計的削擴支盤樁單樁豎向抗拔承載力能滿足設計要求，并通過現場足尺度豎向抗拔試驗驗證樁的實際抗拔力大于設計要求的3 400 kN.

3) 本文的分析方法和確定的側摩阻力系數調整值0.61是適合該工程實際的，可為本地區的相關工程提供參考.