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

摘 要：

依托國(guó)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(yàn)，針對(duì)其中3根嵌巖擴(kuò)底抗拔樁，對(duì)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(jìn)行分析。結(jié)果表明，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。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位于強(qiáng)風(fēng)化巖層中的擴(kuò)大頭所提供的抗拔力。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。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)際適當(dāng)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(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16744764（2018）05010207

收稿日期：20180110

基金項(xiàng)目：

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC08022031）

作者簡(jiǎn)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(kuò)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(yàn)得出，樁徑比對(duì)擴(kuò)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(duì)擴(kuò)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(zhǎng)度、樁表面粗糙程度以及土體抗剪強(qiáng)度對(duì)抗拔力的影響，并設(shè)置短樁與長(zhǎng)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(yàn)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(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出在使擴(kuò)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(yàn)中考慮了長(zhǎng)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(yù)測(cè)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(zhǎng)細(xì)比從10增至40后，承載力降低了84%。王衛(wèi)東、吳江斌等[710]對(duì)擴(kuò)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(duì)擴(kuò)底抗拔樁的承載特性、擴(kuò)大頭承載機(jī)理等通過試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段得出，擴(kuò)大頭在埋深不同的條件下，由擴(kuò)大頭提供的抗拔承載力相差不大，且擴(kuò)大頭周邊土體法向力是擴(kuò)大頭抗力的主要成分。袁文忠等[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了巖基強(qiáng)度對(duì)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(qiáng)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(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)底抗拔樁樁身變形量占樁頂變形比例達(dá)80%。周治國(guó)等[13]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)嵌巖擴(kuò)底抗拔樁的具體應(yīng)用給出了一些建議，提出當(dāng)上部結(jié)構(gòu)對(duì)抗拔樁樁頂變形比較敏感時(shí)，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(yàn)法和反演分析方法開展了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)、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(jiǎn)單，破壞模式為倒圓錐體破壞。劉波等[15]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值分析得出，在極限狀態(tài)下，擴(kuò)大頭處提供的荷載占總上拔荷載的50%左右。

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

如前所述，該工程依托國(guó)網(wǎng)路平富樂雙回路嵌巖擴(kuò)底抗拔樁極限載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)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(chǎng)地質(zhì)勘查報(bào)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(qiáng)風(fēng)化砂巖，厚約1～3 m，屬極軟巖；中風(fēng)化砂巖，持力層，未揭穿?？拱螛兜刭|(zhì)剖面圖見圖1，巖土層物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

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。

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。現(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。現(xiàn)場(chǎng)單樁極限載荷試驗(yàn)裝置見圖2。

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00 m。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載位移曲線

試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見表3。

以10#樁為例，試樁在最后一級(jí)荷載作用下對(duì)應(yīng)樁頂上拔位移17.7 mm，超過前一級(jí)荷載作用下的5倍（3.36 mm），可見，試樁達(dá)到破壞狀態(tài)。由圖3可知，3根嵌巖擴(kuò)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(xiàn)[8]中所得出的擴(kuò)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(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、46 mm?？梢?，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

依據(jù)各量測(cè)截面處的鋼筋計(jì)應(yīng)力，按式（1）求得各級(jí)荷載下樁身軸力，按式（2）求得各級(jí)荷載下樁身側(cè)摩阻力。3根擴(kuò)底抗拔樁在各級(jí)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(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。

極限荷載作用下，4#等截面樁嵌巖段（長(zhǎng)度09 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（765%）卻明顯高于10#（54.9%）、11#樁（347%）。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。

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?？紤]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

依據(jù)3根嵌巖擴(kuò)底抗拔樁的極限載荷試驗(yàn)，對(duì)其樁頂荷載位移，樁身軸力及樁身側(cè)摩阻力等進(jìn)行了分析，得出結(jié)論與建議如下：

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。

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（編輯 王秀玲）