AM 工法抗拔樁承載性狀及影響因素分析

范 磊，馬駿翔，丁青松，陶連金

（1.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第一檢測(cè)所有限責(zé)任公司，北京 100039；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

0 引言

地下工程開(kāi)發(fā)經(jīng)常遇到地下水位較高的問(wèn)題，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載不能平衡地下水浮力時(shí)，結(jié)構(gòu)整體或局部就會(huì)失穩(wěn)。為了抵抗水對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的上浮力經(jīng)常采用抗拔樁提高豎向抗拔承載力。在某些水位高、地上荷載小、地下開(kāi)挖深的工程采用等直徑樁，往往不能滿足承載力與沉降要求，而擴(kuò)孔樁能大幅度提高抗拔承載力且經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯［1］，所以得到廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

天津某工程位于建設(shè)路、南京路、浙江路交匯處，四周緊鄰新華書(shū)店、凱旋門(mén)、濱江國(guó)際大酒店和濱江購(gòu)物中心等構(gòu)筑物。工程主體地下結(jié)構(gòu)部分，南北寬度為 76 m，東西長(zhǎng)度為 240 m，基坑最深 14.5 m，工程占地 13 489 m2，地上建筑總面積 31 444 m2。地下結(jié)構(gòu)施工采用蓋挖逆作法，中間支撐柱直接插入基樁上，要求成樁質(zhì)量和成樁位置滿足設(shè)計(jì)要求，確保支撐柱能夠安裝就位。為了提高單樁豎向抗拔和抗壓承載力，在樁底和樁身中部?jī)纱螖U(kuò)孔，必須保證樁端沉渣和擴(kuò)孔直徑［2］。本工程要求成樁質(zhì)量有保證，經(jīng)濟(jì)效益明顯［3］和成樁環(huán)境友好，所以采用日本先進(jìn)的全液壓可視可控旋挖擴(kuò)孔施工工法進(jìn)行施工，以下簡(jiǎn)稱(chēng) AM 工法。

2 靜載試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

為了驗(yàn)證 AM 工法擴(kuò)孔樁在該工程的適用性，現(xiàn)場(chǎng)做了 3 根試驗(yàn)樁，進(jìn)行豎向抗拔承載力靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁長(zhǎng) 43.0 m，樁徑φ1 500 mm，樁端和距樁頂 27.4 m 處擴(kuò)孔直徑φ2 500 mm，擴(kuò)孔高度 3.4 m，擴(kuò)孔率 2.78。按類(lèi)型劃分屬于大直徑中長(zhǎng)擴(kuò)孔灌注樁［4］。試樁鉆孔清孔完畢后，采用接觸式儀器組合法進(jìn)行鉆孔灌注樁成孔質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)表明符合設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)結(jié)果如表 1 所示。

表1 成孔質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表

依據(jù) JGJ 94－2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，試驗(yàn)以錨樁提供反力，采用慢速維持荷載法進(jìn)行豎向抗拔承載力破壞試驗(yàn)［5］。1# 試驗(yàn)樁加載至 10 800 kN 時(shí)，樁頂累計(jì)上拔量δ=53.36 mm 并穩(wěn)定，加載至 12 000 kN時(shí)，δ=83.25 mm 位移不收斂，終止加載。2# 試驗(yàn)樁加載至 13 200 kN 時(shí)，樁頂累計(jì)上拔量δ=57.68 mm 并穩(wěn)定，加載至 14 400 kN 時(shí)，δ=99.73 mm 位移不收斂，終止加載。3# 試驗(yàn)樁加載至 13 200 kN 時(shí)，樁頂累計(jì)上拔量δ=52.74 mm 并穩(wěn)定，加載至 14 400 kN 時(shí)，δ=98.09 mm位移不收斂，終止加載。三根試驗(yàn)樁的單樁豎向抗拔極限承載力試驗(yàn)結(jié)果歸納如表 2 所示。

表2 單樁豎向抗拔極限承載力試驗(yàn)結(jié)果表

對(duì)三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定 3 根試驗(yàn)樁的極限抗拔承載力分別為 10 800 kN、13 200 kN 和 13 200 kN，統(tǒng)計(jì)特征值 Sn＜0.15，依據(jù)規(guī)范單樁豎向抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取平均值為 12 400 kN。

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)地層分布和樁身尺寸，建立 FLAC3D 數(shù)值模型，模型是以樁中心為軸心的圓柱體，直徑取 20 倍樁徑為 30 m，軸向長(zhǎng)度取 2 倍樁長(zhǎng)為 86 m。樁身、樁周土體及樁端土體網(wǎng)格單元進(jìn)行加密，提高計(jì)算分析精度［6］。同時(shí)為了縮短計(jì)算時(shí)間，取 1/4 模型進(jìn)行計(jì)算，有限差分模型網(wǎng)格如圖 1 所示。計(jì)算模型中土體采用 Mohr-Coulomb 彈塑性模型，AM 工法樁為鋼筋混凝土材料采用線彈性模型，為了模擬樁土間的摩擦和滑動(dòng)，樁土間設(shè)置接觸面。樁體重度取 2 551 kg·m-3，體積模量取 31 834 350 kPa，剪切模量取 27 356 791 kPa，土體力學(xué)參數(shù)如表 3 所示。

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 有限差分模型網(wǎng)格

2.3 數(shù)值計(jì)算對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng) 3 根試驗(yàn)樁的U-δ曲線和數(shù)值模型計(jì)算的U-δ曲線匯總?cè)鐖D 2 所示。從圖 2 中可以看出，數(shù)值模型樁的U-δ曲線與 3 根試驗(yàn)曲線趨勢(shì)一致吻合較好，模型設(shè)置參數(shù)選取較為合理。本文將以此模型樁為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析單樁抗拔承載性狀及其影響因素。

圖2 樁的實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算 U-δ 曲線

3 擴(kuò)孔抗拔樁承載性狀分析

相比等直徑樁，在樁端和樁身中部擴(kuò)孔，能夠極大提高單樁豎向抗拔承載力，而且土體參數(shù)越高，承載力提高幅度越大。在同等抗拔承載力的情況下，采用樁端和樁身擴(kuò)孔施工，可以縮短樁長(zhǎng)、減少混凝土用量和加快工期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

3.1 擴(kuò)孔樁與等直徑樁承載力比較

3 根試驗(yàn)樁均為兩次擴(kuò)孔樁，在樁端和中部各擴(kuò)孔一次，沒(méi)有做等直徑樁的試驗(yàn)。為了更加直觀地對(duì)比分析這兩種樁型承載力的差異，以經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)值模型樁為基礎(chǔ)，采用相同的參數(shù)，去掉擴(kuò)孔部位，重新計(jì)算等直徑樁的U-δ曲線，結(jié)果如圖 3 所示。

從圖 3 中可以看出，兩次擴(kuò)孔樁的豎向抗拔承載力比等直徑樁的豎向抗拔承載力有非常明顯的提高。在樁頂上拔荷載加載至 6 000 kN 時(shí)，兩者U-δ曲線幾乎重合，曲線大致成線性，沉降變形規(guī)律一致，說(shuō)明承載性狀相似。從 6 000 kN 至加載結(jié)束，U-δ曲線有明顯差異，說(shuō)明兩次擴(kuò)孔極大改變了抗拔承載性狀，對(duì)提高抗拔承載力起到了十分關(guān)鍵的作用。

圖3 等直徑樁及擴(kuò)孔樁 U-δ 曲線

3.2 樁土體系變形規(guī)律

通過(guò)分析數(shù)值模型樁在逐級(jí)施加樁頂上拔荷載過(guò)程中，樁身及樁周土體的豎向變形規(guī)律，可以有助于理解樁土體系承載性狀。

數(shù)值模型樁及樁周土體位移分布如圖 4 所示。

圖4 樁土豎向位移分布（單位：mm）

從圖 4 中可以看出，當(dāng)樁頂上拔荷載加載至8 400 kN 時(shí)，樁和樁間土基本處于粘結(jié)狀態(tài)，變形比較協(xié)調(diào)，相對(duì)變形較小，說(shuō)明處于一個(gè)共同承載狀態(tài)。

隨著樁頂荷載逐漸增大，樁側(cè)摩阻力從上往下逐漸完全發(fā)揮，這與位移云圖中樁身與土體從上往下逐漸分離是對(duì)應(yīng)的。說(shuō)明了摩阻力的發(fā)揮與樁土相對(duì)位移密切相關(guān)，摩阻力的充分發(fā)揮需要一定的樁土相對(duì)位移［7-9］。

在樁頂上拔荷載加載至 13 200 kN 時(shí)，樁身與土體發(fā)生了整體滑移，側(cè)摩阻力完全發(fā)揮，此時(shí)U-δ曲線中位移增量相較前一級(jí)荷載發(fā)生較明顯增加。

在樁頂上拔荷載加載至 14 400 kN 時(shí)，側(cè)摩阻力幾乎完全發(fā)揮，在擴(kuò)孔位置兩個(gè)樁身擴(kuò)孔對(duì)土體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的擠壓，多出來(lái)的樁頂荷載幾乎由這部分土體承擔(dān)。

總體來(lái)看，隨荷載增大，側(cè)摩阻力從上往下逐步完全發(fā)揮，在側(cè)摩阻力完全發(fā)揮后，擴(kuò)大端對(duì)樁頂荷載的分擔(dān)起到了非常關(guān)鍵的作用。在加載過(guò)程中，樁身發(fā)生位移的量級(jí)與與土體不同，樁身表現(xiàn)為一個(gè)整體向上移動(dòng)，說(shuō)明樁身剛度與土體差異較大。

3.3 樁周土體屈服特性

在樁頂上拔荷載作用下，樁身會(huì)相對(duì)樁周土體有向上的位移。當(dāng)上拔荷載較小時(shí)，整體呈現(xiàn)一種彈性變形。當(dāng)上拔荷載較大時(shí)，樁身會(huì)與土體產(chǎn)生滑移，以獲得更大的摩阻力。樁身擴(kuò)孔部位向上移動(dòng)，會(huì)擠壓土體產(chǎn)生塑性變形，以獲得更大的阻止樁向上移動(dòng)的抗力。從圖 5 中可以看出，當(dāng)加載至 8 400 kN 時(shí)，樁端首先出現(xiàn)了塑性區(qū)，加載至 9 600 kN時(shí)，樁身擴(kuò)孔部位也產(chǎn)生了塑性變形，繼續(xù)加載，兩部分的塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，最后連成一片，發(fā)生屈服破壞。加載過(guò)程中的塑性區(qū)分布與變形分布規(guī)律是一致的，發(fā)生塑性變形的區(qū)域是變形較大的區(qū)域，而只有發(fā)生較大的變形，才能進(jìn)入塑性屈服變形狀態(tài)，兩者是密切聯(lián)系的。

4 擴(kuò)孔抗拔樁承載性狀影響因素分析

在 JGJ 94－2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中，單樁抗拔極限承載力跟多種因素相關(guān)，如樁長(zhǎng)、樁徑、施工工藝及土的物理力學(xué)參數(shù)等［10］。本文重點(diǎn)研究抗拔樁樁長(zhǎng)、樁身直徑、擴(kuò)孔直徑、擴(kuò)孔次數(shù)及樁身模量對(duì) AM 工法抗拔樁承載性狀的影響。為了簡(jiǎn)化計(jì)算便于分析，土體和樁體物理參數(shù)取值如表 4 所示，模型樁的幾何尺寸同工程試樁。

表4 基本計(jì)算參數(shù)表

4.1 樁長(zhǎng)對(duì)單樁承載性狀影響［10］

施加相同的樁頂上拔荷載，其他參數(shù)不變，當(dāng)數(shù)值模型樁樁長(zhǎng)分別為 33、43 和 53 m 時(shí)，U-δ曲線如圖 5 所示。從圖 5 中可以看出，隨樁長(zhǎng)的增長(zhǎng)，在相同的上拔荷載作用下，樁頂?shù)纳习瘟吭谥饾u減少，相同的樁頂上拔量需要的上拔荷載越來(lái)越大，說(shuō)明單樁抗拔承載力隨樁長(zhǎng)增長(zhǎng)而增大。增加的抗拔承載力主要包括兩部分：①是由于增加的樁長(zhǎng)而增加的樁側(cè)摩阻力；②是由于樁長(zhǎng)增加，參與承載的樁身或土體自重也增加了，這與樁基規(guī)范中抗拔承載力的計(jì)算相吻合。

圖5 不同樁長(zhǎng)時(shí)單樁 U-δ 曲線

4.2 樁身直徑對(duì)單樁承載性狀影響

施加相同的樁頂上拔荷載，其他參數(shù)不變，當(dāng)數(shù)值模型樁身直徑分別為 1.2 m、1.5 m 和 1.8 m 時(shí)，U-δ曲線如圖 6 所示。從圖 6 中可以看出，隨樁徑增大，整體上拔量在逐漸減少。以直徑 1.2 m 為基準(zhǔn)，1.5 m 和 1.8 m 直徑的樁最終上拔量與 1.2 m 樁相同時(shí)，表現(xiàn)出的極限抗拔承載力逐漸增大，也從側(cè)面說(shuō)明在未達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，摩阻力的發(fā)揮與樁土相對(duì)位移密切相關(guān)。樁徑為 1.2 m、1.5 m 和 1.8 m 時(shí)，樁周每延米面積為 3.77 m2、4.71 m2和5.65 m2，增大樁身直徑時(shí)，增大了樁身與土體間的接觸面積，增加樁側(cè)摩阻力。在增大樁徑的同時(shí)，也增大了樁身自重，也能提供更多的豎向抗拔力。

圖6 不同樁徑時(shí)單樁 U-δ 曲線

4.3 擴(kuò)孔直徑對(duì)單樁承載性狀影響

施加相同的樁頂上拔荷載，其他參數(shù)不變，當(dāng)數(shù)值模型擴(kuò)孔直徑分別為 2.3 m、2.5 m 和 2.7 m 時(shí)，U-δ曲線如圖 7 所示。從圖 7 中可以看出，不同擴(kuò)孔直徑時(shí)，U-δ曲線大致分直線段和曲線段，直線段沉降規(guī)律接近，承載性狀相似。曲線段可以看到隨擴(kuò)孔直徑增大，承載力在逐漸增加，但增加幅度呈減少趨勢(shì)。擴(kuò)徑會(huì)增加樁身周長(zhǎng)，增大每延米的樁側(cè)摩阻力，而且擴(kuò)徑部位能夠提供的抗拔承載力潛力較大，能夠產(chǎn)生更大的樁土相對(duì)位移，從位移圖及塑性圖上可以看出，在承載后期擴(kuò)徑部位的土體變形劇烈，塑性區(qū)主要分布在這個(gè)區(qū)域。擴(kuò)徑部位的作用主要是約束了樁土間的變形，增大了樁土間應(yīng)力，使樁側(cè)摩阻力得到了充分的發(fā)揮，極大的提高了樁的抗拔極限承載力。

圖7 不同擴(kuò)孔直徑時(shí)單樁 U-δ 曲線

4.4 擴(kuò)孔次數(shù)對(duì)單樁承載性狀影響

施加相同的樁頂上拔荷載，其他參數(shù)不變，當(dāng)數(shù)值模型僅保留樁底擴(kuò)孔時(shí)擴(kuò)孔次數(shù)為一次，與試驗(yàn)樁參數(shù)一致時(shí)擴(kuò)孔次數(shù)為二次，在距地表 10.4 m 深度增加一次擴(kuò)孔時(shí)擴(kuò)孔次數(shù)為三次，3 種擴(kuò)孔次數(shù)的U-δ曲線如圖 8 所示。從圖 8 中可以看出，在樁頂荷載加載至 8 400 kN 時(shí)，U-δ曲線幾乎重合，在樁頂荷載為 8 400 kN 至 14 400 kN 段，3 條曲線差異逐漸增大。二次擴(kuò)徑相比一次樁端擴(kuò)徑能有效減少樁頂上拔量，增大極限抗拔力。三次擴(kuò)徑相比二次擴(kuò)徑也能減少樁頂上拔量，增大極限抗拔力，但增大效果不如前者明顯，說(shuō)明增加擴(kuò)徑次數(shù)能夠增加抗拔承載力，但效果呈現(xiàn)遞減規(guī)律。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面考慮，存在一個(gè)最適合的擴(kuò)徑次數(shù)。相較于減少擴(kuò)孔直徑，減少擴(kuò)孔次數(shù)對(duì)承載力影響更明顯。

圖8 不同擴(kuò)孔次數(shù)時(shí)單樁 U-δ 曲線

4.5 樁身模量對(duì)單樁承載性狀影響

施加相同的樁頂上拔荷載，其他參數(shù)不變，當(dāng)樁身模量分別為 22 000 MPa（C 15）、31 500 MPa（C 35）、38 000 MPa（C 80）和 2 800 MPa 時(shí)，U-δ曲線如圖 9 所示。從開(kāi)始加載至加載結(jié)束，整體變化均勻，不存在重合或近似重合段，與前面 4 個(gè)影響量明顯不同。

圖9 不同樁身模量時(shí)單樁 U-δ曲線

樁側(cè)摩阻力是從上往下逐漸發(fā)揮的，而且隨樁頂上拔荷載增大從上往下逐漸充分發(fā)揮。樁身模量越大，整體性越強(qiáng)，越表現(xiàn)得象一個(gè)剛體，在加載初期樁身就會(huì)相對(duì)土體產(chǎn)生一個(gè)整體的移動(dòng)。樁身模量增大，在加載初期就能讓樁身下部的摩阻力發(fā)揮作用。當(dāng)樁身模量減少，下部摩阻力發(fā)揮作用滯后，需要更多的樁頂上拔量才能讓下部摩阻力發(fā)揮，U-δ曲線上也能體現(xiàn)這個(gè)規(guī)律。

在混凝土標(biāo)號(hào)為 C15、C35 和 C80 時(shí)，U-δ曲線規(guī)律一致，沉降差異較小，說(shuō)明在保證樁身混凝土質(zhì)量的情況下，提高混凝土標(biāo)號(hào)能夠提高承載力，但是提高幅度不明顯。因此，在滿足設(shè)計(jì)施工要求的情況下，沒(méi)必要采用更高的混凝土標(biāo)號(hào)。

樁身模量設(shè)為 2 800 MPa，代表樁身混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求或是樁身施工質(zhì)量存在問(wèn)題。在這種情況下做靜載試驗(yàn)，得到的U-δ曲線上拔量會(huì)偏大，得到的抗拔極限承載力會(huì)偏少。因此在做靜載試驗(yàn)時(shí)，一定要保證混凝土齡期達(dá)到要求。基樁施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)要保證澆筑質(zhì)量，后期以低應(yīng)變法、聲波透射法或鉆芯法檢測(cè)樁身完整性和強(qiáng)度，保證上部結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)論

為了驗(yàn)證基樁設(shè)計(jì)的正確性以及雙擴(kuò)孔樁在該地區(qū)的適用性，現(xiàn)場(chǎng)做了 3 根試驗(yàn)樁進(jìn)行抗拔極限承載力試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合數(shù)值計(jì)算，得到以下結(jié)論。

1）采用 AM 工法進(jìn)行樁基施工，擴(kuò)孔直徑大、擴(kuò)孔次數(shù)多，過(guò)程可視可控，能夠保證擴(kuò)孔部位的成孔質(zhì)量和提高單樁抗拔極限承載力，具有較好經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

2）抗拔樁提供抗拔承載力主要由樁側(cè)摩阻力和樁身或樁身周?chē)馏w自重提供。相比等直徑樁，在樁端和樁身擴(kuò)孔能夠極大提高抗拔極限承載力，主要是因?yàn)閿U(kuò)孔部位對(duì)樁周土體進(jìn)行強(qiáng)烈擠壓，樁周土體承載了更多的樁頂荷載。

3）樁側(cè)摩阻力從上往下逐步發(fā)揮，并隨著樁頂上拔荷載增大，上部樁側(cè)摩阻力先達(dá)到極限狀態(tài)，下部樁側(cè)摩阻力后達(dá)到極限狀態(tài)，擴(kuò)孔部位能夠提供更大的側(cè)摩阻力。

4）在保證樁身施工質(zhì)量和強(qiáng)度的條件下，混凝土強(qiáng)度和擴(kuò)孔直徑對(duì)提高抗拔極限承載力有一定影響，抗拔樁樁長(zhǎng)、樁身直徑和擴(kuò)孔次數(shù)對(duì)提高抗拔極限承載力有較明顯影響。

5）抗拔樁樁長(zhǎng)、樁身直徑、擴(kuò)孔直徑、擴(kuò)孔次數(shù)和樁身模量都與單樁抗拔極限承載力正相關(guān)，但綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，存在一個(gè)最優(yōu)值，即投入最少的成本，增加最大的抗拔承載力。Q