抗拔載體樁承載機(jī)理及試驗(yàn)研究

周曉剛， 楊啟安

(1 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300308；2 北京市建設(shè)工程質(zhì)量第六檢測(cè)所有限公司， 北京 100076)

0 概述

載體樁技術(shù)發(fā)明于1998年，由混凝土樁身和載體構(gòu)成，而載體從內(nèi)到外依次為硬化后的水泥砂拌合物、擠密土體和影響土體[1]。載體樁抗壓受力類似于擴(kuò)展基礎(chǔ)，上部荷載通過(guò)樁身傳遞到載體，并通過(guò)水泥砂拌合物、擠密土體、影響土體傳遞到持力層，顯著提高了單樁抗壓承載力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用、市政、鐵路等領(lǐng)域，單樁承載力特征值已經(jīng)從最初的小于1 000kN發(fā)展到超過(guò)5 000kN，樁長(zhǎng)從原來(lái)的10m左右發(fā)展到超過(guò)20m。

目前，關(guān)于載體樁抗壓承載力已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，王繼忠提出了等效擴(kuò)展基礎(chǔ)的承載理論[2]；仇凱斌進(jìn)行了承載力性狀的研究和數(shù)值分析，提出了載體樁抗壓承載力的估算公式[3]。載體樁由于樁長(zhǎng)較短，很多人認(rèn)為其抗拔承載力有限，故對(duì)于載體樁抗拔承載機(jī)理和工程應(yīng)用的研究較少。雖然載體樁樁長(zhǎng)較短，但由于樁端存在載體，載體施工過(guò)程中通過(guò)填料夯實(shí)，改變了樁端地基土的特性，同時(shí)由于樁端填料采用膠凝材料，硬化后具有一定的強(qiáng)度，也相當(dāng)于在一定程度上增大了樁端的受力面積，抗拔受力時(shí)類似一錨固的混凝土板，在一定程度上提高了載體樁的抗拔承載力。本文將結(jié)合載體樁抗拔靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行載體樁抗拔承載機(jī)理的研究，提出單樁抗拔承載力的計(jì)算公式。

1 抗拔載體樁的構(gòu)成及施工工藝

1.1 抗拔載體樁構(gòu)成

抗拔載體樁與抗壓載體樁從外形上看相同，樁身由混凝土樁身和載體構(gòu)成，載體從內(nèi)到外依次為水泥砂拌合物、擠密土體和影響土體，但內(nèi)部配筋不同，抗壓載體樁縱向鋼筋底部與護(hù)筒底齊平，相當(dāng)于鋼筋籠主筋端部位于載體頂部，而抗拔載體樁的鋼筋籠主筋必須深入載體核心區(qū)。這是因?yàn)榭箟狠d體樁的載體只承受壓力，而抗拔載體樁為發(fā)揮載體抗拔力必須將主筋伸入載體內(nèi)，且鋼筋滿足錨固的構(gòu)造要求，抗拔載體樁構(gòu)成示意圖見圖1。

圖1 抗拔載體樁構(gòu)成示意圖

1.2 抗拔載體樁施工工藝

抗拔載體樁施工工藝主要分為五步：成孔、施工載體、夯擊載體進(jìn)入一定深度、放入鋼筋籠、灌注混凝土。其施工工藝流程圖見圖2。

圖2 抗拔載體樁工藝流程圖

2 抗拔載體樁承載機(jī)理

對(duì)于傳統(tǒng)直桿樁，受拉時(shí)樁側(cè)土與樁身混凝土間發(fā)生相對(duì)位移或相對(duì)位移的趨勢(shì)形成側(cè)阻，隨著荷載增加，當(dāng)樁側(cè)土塑性變形達(dá)到一定程度后，樁側(cè)側(cè)阻全部發(fā)揮，承載力達(dá)到極限。傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)抗拔力計(jì)算往往參照單樁豎向承載力計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)側(cè)阻乘以一折減系數(shù)來(lái)計(jì)算。

載體樁是由混凝土樁身和載體組成，受上拔力時(shí)，除了樁身存在側(cè)阻外，樁端載體能起到較好的錨固作用，類似于一個(gè)錨板。載體樁與普通直桿樁相比，其抗拔承載力高的原因有以下兩點(diǎn)。

(1)載體的錨固效應(yīng)

載體核心為硬化后的水泥砂拌合物，其強(qiáng)度較高，而抗拔載體樁一般將主筋伸入載體的水泥砂拌合物內(nèi)部，保證載體和樁身抗拔時(shí)共同受力。故當(dāng)載體樁受豎向抗拔力時(shí),載體可以起到很好的錨固作用，但由于不同載體樁載體的施工參數(shù)不同，其載體的影響范圍和載體樁的破壞模式也不同。當(dāng)載體等效計(jì)算面積與樁身的截面面積相比較大且樁身相對(duì)較短時(shí)，載體樁抗拔受力達(dá)到一定值后，會(huì)首先在載體外邊緣出現(xiàn)塑性點(diǎn)。隨著荷載逐漸增大，塑性面擴(kuò)大，破壞面會(huì)逐漸向上延伸，形成類似于圖3(a)的破壞面。當(dāng)載體等效計(jì)算面積與樁身截面面積比相對(duì)不太大且樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)荷載增大到一定數(shù)值后，也是載體邊緣首先出現(xiàn)塑性點(diǎn)，隨著荷載增大，塑性破壞面會(huì)沿著載體外緣向樁身側(cè)面發(fā)展，形成梨形破壞面，見圖3(b)。

(2)樁側(cè)側(cè)阻的顯著增加

載體樁不管其破壞模式是圖3(a)還是圖3(b)，其塑性破壞面的發(fā)展均與地基土抗剪強(qiáng)度相關(guān)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，塑性區(qū)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。樁側(cè)土的抗剪強(qiáng)度可簡(jiǎn)單按土的直剪強(qiáng)度考慮，土的直剪強(qiáng)度與土的密實(shí)度密切相關(guān)，一般密實(shí)度越大，地基土的內(nèi)摩擦角越大，土的抗剪強(qiáng)度越高。載體樁成孔一般采用擠土工藝，對(duì)樁間土有一定的擠密效果，在距離樁側(cè)1m范圍內(nèi)樁側(cè)地基土都有一定的擠密[4]。載體施工對(duì)樁端地基土反復(fù)夯實(shí)，土的擠密效果尤為明顯，一般影響范圍深度可達(dá)3～5m，寬度可達(dá)2～3m[5-6]，因此，載體樁施工對(duì)樁側(cè)和樁端的地基土抗剪強(qiáng)度有較大的提高，這在一定程度上也提高了樁側(cè)側(cè)阻，從而提高了單樁抗拔承載力。

圖3 載體樁抗拔破壞模式

3 抗拔載體樁的抗拔試驗(yàn)

為驗(yàn)證抗拔載體樁的抗拔受力機(jī)理，提出其抗拔承載力計(jì)算公式，并在天津武清進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

3.1 工程概況

試驗(yàn)位于天獅國(guó)際大學(xué)城內(nèi)，場(chǎng)區(qū)土層包括素填土①2、粉質(zhì)黏土③1、粉土③2、黏土④、黏土⑤1、粉土⑤2、粉砂⑤3、粉砂⑤31、粉質(zhì)黏土⑨1、粉土⑨2、粉質(zhì)黏土⑨21、黏土⑩1、粉質(zhì)黏土1、粉土2，根據(jù)勘察報(bào)告[7]，土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

土的物理力學(xué)指標(biāo) 表1

該場(chǎng)地地下水穩(wěn)定，水位埋深為1.40～2.50m，水位高程為4.46～5.78m，初見水位埋深1.50～2.70m。

3.2 施工情況

本次試樁共施工6根，分別包括3根單樁試樁和1組(3樁)承臺(tái)的試樁，其中單樁試驗(yàn)的目的為研究抗拔載體樁的單樁抗拔承載力，承臺(tái)靜載荷試驗(yàn)的目的為試驗(yàn)群樁中單樁抗拔力的相互影響。在抗拔載體樁施工時(shí)，當(dāng)載體施工完畢后，繼續(xù)用柱錘夯擊，柱錘進(jìn)入載體內(nèi)約50cm，然后將鋼筋籠伸入載體內(nèi)部，確保抗拔時(shí)能發(fā)揮載體的錨固作用。試樁施工參數(shù)見表2，試樁剖面見圖4。

試樁施工參數(shù) 表2

圖4 試樁剖面

3.3 載荷試驗(yàn)

單樁抗拔靜載荷試驗(yàn)按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2003)[8]采用慢速維持荷載法進(jìn)行，采用地基土承載力作為抗拔反力，圖5為抗拔載荷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，受試樁大梁剛度的限制，單樁加載最大荷載為900kN，3樁承臺(tái)群樁載荷試驗(yàn)的加載最大荷載為2 700kN。加載到最大荷載時(shí)，鋼筋未屈服。根據(jù)第三方試樁檢測(cè)報(bào)告[9]，載體樁單樁抗拔承載力特征值為450kN，抗拔靜載試驗(yàn)結(jié)果見表3，載荷試驗(yàn)曲線見圖6。

載體樁抗拔靜載試驗(yàn)結(jié)果 表3

圖5 抗拔載荷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 抗拔試樁載荷試驗(yàn)曲線

通過(guò)對(duì)抗拔載體樁載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：1)載體樁的抗拔承載力顯著高于相同直徑的直桿樁；結(jié)合本場(chǎng)地勘察資料，樁徑430mm、樁長(zhǎng)6m的普通直桿樁的單樁抗拔承載力特征值約為120kN，而實(shí)際抗拔載體樁的抗拔承載力特征值大于450kN，可見本工程抗拔載體樁比相同尺寸的直桿樁的抗拔承載力高約2倍以上。這也從另一方面說(shuō)明載體樁的載體提供了較大的抗拔力。2)對(duì)比單樁和群樁的載荷試驗(yàn)曲線，單樁加載到900kN、群樁加載到2 700kN時(shí)，單樁和承臺(tái)的變形幾乎相同，都在15～20mm之間，說(shuō)明在設(shè)計(jì)荷載下，群樁中單樁間的受力相互影響較小。

4 抗拔載體樁抗拔承載力的計(jì)算公式及公式驗(yàn)算

4.1 計(jì)算公式

載體樁抗拔承載時(shí)受樁身截面和載體的影響，其破壞模式不同，抗拔承載力的發(fā)揮也不同。載體核心區(qū)水泥砂拌合物硬化后是一個(gè)球體，抗拔受力時(shí)，類似于錨板，但并非一個(gè)實(shí)際錨板，其錨固抗拔力與地基土的土性也有密切關(guān)系，而地基土土性與載體樁施工過(guò)程中的填料和三擊貫入度也密切相關(guān)，因此要準(zhǔn)確計(jì)算不同情況下的抗拔承載力較為困難。

為方便計(jì)算，參照傳統(tǒng)樁基抗拔承載力的計(jì)算方法[10]，把載體樁的抗拔承載力分解為兩部分：一部分為樁端載體的錨固效果；另一部分為樁側(cè)的抗拔側(cè)阻。由于施工擠土效應(yīng)，載體樁側(cè)阻比普通直桿樁側(cè)阻高，樁側(cè)側(cè)阻可通過(guò)對(duì)直桿樁側(cè)阻乘以一提高系數(shù)得到。載體的錨固計(jì)算參照擴(kuò)底樁抗拔承載力的計(jì)算模型，計(jì)算時(shí)通過(guò)增大樁側(cè)地基土側(cè)阻來(lái)考慮，將樁端以上一定深度范圍樁徑擴(kuò)大，等效計(jì)算載體的錨固抗拔力。因此，載體樁單樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk可按式(1)計(jì)算，載體樁抗拔計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖7。

Tuk=∑βλiqsikuili

(1)

圖7 抗拔載體樁抗拔計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：β為考慮施工擠土后，樁側(cè)地基土側(cè)阻的提高系數(shù)，可取1.06～1.15；λi為側(cè)阻抗拔折減系數(shù)，砂土取0.55～0.75，黏性土和粉土取0.75～0.85；qsik為第i層土極限側(cè)阻標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；ui為樁身抗拔破壞面的周長(zhǎng)，在載體樁計(jì)算樁底位置以上(4～10)d范圍內(nèi)按πD取值，其他范圍樁身按πd取值，其中D為抗拔承載力計(jì)算的等效直徑，d為樁身直徑；li為樁身范圍內(nèi)第i層土的厚度。

考慮到載體樁施工中填料夯實(shí)既增大了樁端的受力面積，同時(shí)又?jǐn)D密了樁端地基土，因此取D=d0+2Δs，其中，d0為水泥砂拌合物換算成的等效球體直徑，m；Δs為載體樁抗拔承載力計(jì)算時(shí)考慮周圍土擠密效果后的計(jì)算半徑增量，m，可根據(jù)三擊貫入度和載體周圍土體進(jìn)行取值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)Δs取值為0.3～0.5m。

4.2 計(jì)算公式驗(yàn)算

結(jié)合本次試驗(yàn)，填入的水泥砂拌合物的體積為0.5m3，根據(jù)球體的體積V計(jì)算公式(式(2))可計(jì)算出填料的等效球體直徑d0。

(2)

經(jīng)計(jì)算，實(shí)際填料的等效球體直徑d0≈1.0m；載體周圍為砂土，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)抗拔計(jì)算時(shí)計(jì)算半徑增量Δs取0.35m，則D=1.0+2×0.35=1.7m?？紤]載體影響按直徑D計(jì)算側(cè)阻部分的計(jì)算長(zhǎng)度取3.7m，側(cè)阻折減系數(shù)：粉土取0.75，砂土取0.7。根據(jù)式(1)，單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk計(jì)算如下：

單樁抗拔承載力特征值Ra=888/2=444kN。因此，采用式(1)計(jì)算的載體樁單樁抗拔承載力特征值與實(shí)際試驗(yàn)值450kN(表3)基本相符。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證式(1)的可靠性，對(duì)全國(guó)不同地區(qū)的抗拔載體樁進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見表4。

載體樁單樁抗拔力試驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比 表4

通過(guò)對(duì)比不同地區(qū)幾個(gè)載體樁項(xiàng)目單樁抗拔承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值，可以發(fā)現(xiàn)：采用本文單樁抗拔承載力計(jì)算公式(式(1))進(jìn)行計(jì)算所得的計(jì)算值均略小于試驗(yàn)值，試驗(yàn)值和計(jì)算值之比為1.08～1.18，說(shuō)明設(shè)計(jì)時(shí)采用本文所提出的公式(式(1))計(jì)算單樁抗拔承載力能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)載體樁抗拔承載的機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)載體樁單樁抗拔承載力顯著高于常規(guī)直桿樁，這一方面是因?yàn)槌煽走^(guò)程對(duì)樁側(cè)土的擠密，提高了樁側(cè)土的側(cè)阻；另一方面是一定埋深的載體對(duì)載體樁抗拔起到了很好的錨固作用，提高了載體樁單樁抗拔力，這也是載體樁抗拔承載力高的主要原因。

(2)在設(shè)計(jì)荷載下載體樁單樁和群樁變形較為接近，說(shuō)明受力時(shí)群樁中的單樁相互影響較小。

(3)結(jié)合載體樁的受力和靜載試驗(yàn)，本文提出了抗拔載體樁單樁抗拔承載力計(jì)算公式(式(1))，該公式可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中抗拔載體樁單樁抗拔承載力的計(jì)算。