嵌巖擴(kuò)底抗拔樁承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

張文濤，馬建林，王濱，楊柏

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2.國(guó)家電網(wǎng)四川省電力公司，成都 610041)

隨著中國(guó)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(kuò)底抗拔樁而言，針對(duì)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(guó)家電網(wǎng)路平―富樂500 kV雙回線路工程中極限載荷試驗(yàn)，針對(duì)項(xiàng)目中的擴(kuò)底抗拔樁，對(duì)嵌巖擴(kuò)底抗拔樁拔的極限承載力、樁身軸力等進(jìn)行了分析，以此研究嵌巖擴(kuò)底抗拔樁的承載特性。

1 試樁試驗(yàn)概況

1.1 工程概況及地質(zhì)條件

圖1 試樁地質(zhì)剖面圖

巖土層名稱重度/(kN·m-3)孔隙比e黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)壓縮模量/MPa巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度/MPa塑性指數(shù)液性指數(shù)粉質(zhì)黏土19.50.79832.312.55.4516.60.31強(qiáng)風(fēng)化砂巖23.81 000.032.02.105.4中風(fēng)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(yàn)共測(cè)試樁徑0.8 m，擴(kuò)底抗拔樁4根，對(duì)其中8#、10#以及11#擴(kuò)底抗拔樁進(jìn)行研究。為與等截面樁比較分析，將試驗(yàn)樁徑0.8 m的等截面4#樁引入。擴(kuò)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(kuò)大頭采用人工挖孔施工工藝，擴(kuò)底高度為1倍樁直徑，擴(kuò)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(yàn)采用《建筑基樁檢測(cè)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(yàn)加載至破壞或出現(xiàn)不可再加載的情況為止?，F(xiàn)場(chǎng)采用兩根同徑工程樁作為反力支座，為試驗(yàn)樁提供反力，在每個(gè)支座上安放1個(gè)6 000 kN千斤頂。

為削弱加載時(shí)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?，F(xiàn)場(chǎng)單樁極限載荷試驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 極限載荷試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.2 Site image of ultimate load

試樁試驗(yàn)中，進(jìn)行了樁頂位移測(cè)試。為測(cè)試樁身軸力，每根試樁根據(jù)樁長(zhǎng)不同布置不等量鋼筋應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)從樁頂開始布置，每隔0.5 m布置一個(gè)直至樁底。為測(cè)試方便，各樁樁頂標(biāo)高均設(shè)置為0.0 m。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載位移曲線

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

試樁編號(hào)極限荷載/kN極限荷載對(duì)應(yīng)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(zhǎng)接近，樁頂作用相同荷載時(shí)，8#擴(kuò)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(duì)應(yīng)的樁頂位移分別為823 kN、13.9 mm。8#樁極限荷載、對(duì)應(yīng)的樁頂位移分別為1 796 kN、4.6 mm。可見，對(duì)巖土層相同，樁長(zhǎng)接近的抗拔樁，嵌巖擴(kuò)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(duì)來說，增加樁長(zhǎng)會(huì)顯著提高極限抗拔力，但樁頂位移也會(huì)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

圖4 各級(jí)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(cè)斷面在第j荷載作用下的樁身軸力；σij為第i量測(cè)斷面鋼筋應(yīng)力計(jì)在第j荷載作用下的應(yīng)力；Ai為第i量測(cè)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(cè)斷面混凝土面積。

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

從圖4中可以看出，各級(jí)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(shí)，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(dá)到85%，說明對(duì)上覆土嵌巖擴(kuò)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(kuò)大頭與等截面分界處安放鋼筋計(jì)，為方便分析，將上一段量測(cè)區(qū)間內(nèi)軸力曲線斜率延伸至等截面段與擴(kuò)底段分界面處，作為擴(kuò)大頭與上一量測(cè)區(qū)間的軸力變化曲線，以此來計(jì)算擴(kuò)大頭提供的抗拔力。3根擴(kuò)底樁在極限荷載作用下，擴(kuò)大頭提供的抗拔力見表4。

表4 極限荷載作用下擴(kuò)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(zhǎng)度0.9 m)提供的抗拔力為426 kN。與此對(duì)應(yīng)，8#樁高度為0.8 m的擴(kuò)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(zhǎng)增加1.0 m，且擴(kuò)大頭均位于中風(fēng)化砂巖中，但就擴(kuò)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(zhǎng)的增加對(duì)擴(kuò)大頭所能提供的抗拔力無增益作用。

反觀8#樁，3根擴(kuò)底抗拔樁擴(kuò)大頭尺寸相同，但8#樁擴(kuò)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(zhǎng)度對(duì)其無較大影響，分析認(rèn)為，擴(kuò)大頭所處巖層性質(zhì)是主要影響因素。根據(jù)圖1，8#樁擴(kuò)大頭位于強(qiáng)風(fēng)化砂巖中，10#與11#樁擴(kuò)大頭均位于中風(fēng)化砂巖中，故而造成8#樁擴(kuò)大頭提供的抗拔力要小于10#、11#樁。

由表4可知，對(duì)同為擴(kuò)底型的抗拔樁，8#樁擴(kuò)大頭雖提供的抗拔力明顯小于10#、11#樁，但擴(kuò)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(duì)同為擴(kuò)底型的抗拔樁，樁身整體較短時(shí)，擴(kuò)大頭的擴(kuò)底作用更顯著。

由圖5可知，在中風(fēng)化巖層中，11#樁簡(jiǎn)化下的擴(kuò)大頭處的樁側(cè)側(cè)摩阻力可以達(dá)到1 000 kPa，對(duì)10#樁，其值可以超過1 800 kPa。對(duì)處于強(qiáng)風(fēng)化巖層中的擴(kuò)大頭，從圖5(b)可以看出，側(cè)摩阻力也可以達(dá)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(biāo)準(zhǔn)值，強(qiáng)風(fēng)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(kuò)大頭抗拔作用的復(fù)雜性，將擴(kuò)大頭的抗拔特性簡(jiǎn)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(duì)于嵌巖擴(kuò)底抗拔樁擴(kuò)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(qiáng)風(fēng)化巖層段側(cè)摩阻力平均值見表5。

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

由于鋼筋應(yīng)變計(jì)的埋設(shè)是從樁頂開始布置，并且每隔0.5 m布置一個(gè),直至樁底鋼筋計(jì)的埋設(shè)，導(dǎo)致8#樁強(qiáng)風(fēng)化巖層中等截面段側(cè)摩阻力無法準(zhǔn)確測(cè)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(qiáng)風(fēng)化巖層厚度增加1 m，等截面段上覆土層與強(qiáng)風(fēng)化巖層的側(cè)摩阻力均有不同幅度的提高，這說明對(duì)擴(kuò)大頭位于中風(fēng)化巖層、上覆一定厚度土層的擴(kuò)底抗拔樁，中部夾強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度的增大，會(huì)對(duì)上覆土層、中部強(qiáng)風(fēng)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(duì)來講，擴(kuò)底抗拔樁樁長(zhǎng)的增加對(duì)上部等截面段上覆土層、強(qiáng)風(fēng)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(zhǎng)較短，且擴(kuò)大頭位于強(qiáng)風(fēng)化巖層中，這導(dǎo)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(kuò)底抗拔樁的樁長(zhǎng)對(duì)上覆土層側(cè)摩阻力的發(fā)揮具有一定的影響。

3 擴(kuò)底抗拔樁等截面段樁側(cè)摩阻力試驗(yàn)值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)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(biāo)準(zhǔn)值,試驗(yàn)的黏土層為66～82 kPa，強(qiáng)風(fēng)化巖層為140～220 kPa。

由于8#樁施工時(shí)未能做好擴(kuò)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(shí)樁與土層摩擦特性將直接影響抗拔樁的承載力，施工時(shí)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(kuò)大頭上部等截面段巖土層側(cè)摩阻力與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，可以看出試驗(yàn)上覆土層側(cè)摩阻力(151 kPa)與強(qiáng)風(fēng)化巖層的側(cè)摩阻力(344 kPa)均要顯著大于規(guī)范提供標(biāo)準(zhǔn)值的最大取值(分別為82、220 kPa)。這說明對(duì)于擴(kuò)大頭位于中風(fēng)化巖層且上部具有一定厚度的黏土層與強(qiáng)風(fēng)化巖層的擴(kuò)底抗拔樁，對(duì)其等截面段的黏土層與強(qiáng)風(fēng)化巖層，規(guī)范中提供的抗拔極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值具有很強(qiáng)的保守性。

4 結(jié)論與建議

1)對(duì)所處巖土層相同，樁長(zhǎng)接近的抗拔樁，嵌巖擴(kuò)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(duì)樁端位于強(qiáng)風(fēng)化巖層的抗拔樁，由擴(kuò)大頭提供的抗拔力是長(zhǎng)度接近的等截面樁嵌巖段的3.3倍。

2)擴(kuò)大頭提供的抗拔力與抗拔樁樁長(zhǎng)無緊密聯(lián)系，擴(kuò)大頭所處巖層性質(zhì)對(duì)其所能提供的抗拔力影響較大，處于中風(fēng)化巖層中的擴(kuò)大頭所提供的抗拔力要顯著大于擴(kuò)大頭位于強(qiáng)風(fēng)化巖層時(shí)提供的抗拔力。

3)對(duì)同為擴(kuò)底型的嵌巖抗拔樁，樁長(zhǎng)較短時(shí)，擴(kuò)大頭提供的抗拔力占樁體極限抗拔荷載的比例更高，擴(kuò)大頭的擴(kuò)底作用更顯著。

4)對(duì)于擴(kuò)大頭位于中風(fēng)化巖層且擴(kuò)大頭上部等截面段具有一定厚度的黏土層與強(qiáng)風(fēng)化巖層的抗拔樁，其等截面段與黏土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層接觸部分極限側(cè)摩阻力可在規(guī)范建議標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上根據(jù)工程實(shí)際情況適當(dāng)提高。

限于場(chǎng)地及經(jīng)費(fèi)，未設(shè)置常規(guī)等截面抗拔樁與10#、11#擴(kuò)底型抗拔樁相比較，故無法在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(shí)驗(yàn)及有限元軟件對(duì)該部分進(jìn)行進(jìn)一步研究。