基于圖解法的嵌巖抗拔樁極限承載力分析

陳開倫，崔貴云，楊 柏，石青葉

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，西安 710000；2.桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院，桂林 541004；3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031)

抗拔樁作為一種承擔(dān)拉力的基礎(chǔ)形式在橋梁建設(shè)、海洋平臺、輸電線路等工程中十分常見。近年來，關(guān)于抗拔樁極限承載力的研究逐漸向特殊工況側(cè)重，比如，鄒積山等[1]分析認(rèn)為海底土體滲透系數(shù)越大有利于樁基抗拔承載力的提高。程劉勇等[2]研究發(fā)現(xiàn)斜坡上樁基抗拔極限承載力隨著樁長、臨坡距的增加而增大，隨著坡度的增加而減小。程澤海等[3]通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)樁基抗拔極限承載力受到滲流條件顯著影響，土中水向下滲流，抗拔樁極限承載力有所提高，反之降低。這些研究都是對抗拔樁極限承載力的規(guī)律性分析，而對于抗拔樁極限承載力的確定方法研究較少。目前抗拔樁極限承載力的確定方法主要有規(guī)范法、理論法和靜載試驗法3種，其中以現(xiàn)場靜載試驗最為可靠?，F(xiàn)場試驗可以得到試樁的上拔荷載-樁頂位移曲線，依此判定抗拔樁的極限承載力，中外學(xué)者基于不同的失效準(zhǔn)則提出了極限承載力的確定方法，包含數(shù)學(xué)模型法、位移取值法和圖解法等。其中，圖解法是根據(jù)試驗實測的荷載-位移曲線形狀，選用合理的推理方法確定極限承載力?，F(xiàn)行規(guī)范[4]中關(guān)于靜載試驗中抗拔樁極限承載力的取值，主要是在保證材料強度的基礎(chǔ)上，基于荷載-位移曲線的塑性極限點(即圖解法中L1-L2法的L2值)和位移取值法取值，圖解法中的其他取值方法鮮有提及，無法判明其他方法的有效性、適用性和準(zhǔn)確性，故對圖解法中其他判定方法進行分析具有顯著的社會意義和經(jīng)濟價值。

具有代表性的圖解法有初始直線斜率法、雙直線交點法和L1-L2法[5]，如圖1所示。

圖1 圖解法示意圖

(1)初始直線斜率法。與初始直線段斜率相同，但沿位移方向移動3.8 mm后的直線與荷載-位移曲線的相交點即為極限點，對應(yīng)的上拔荷載為極限承載力，相應(yīng)的樁頂位移為極限位移。

(2)雙直線交點法。將荷載-位移曲線劃分為初始直線段、曲線段和破壞直線段，過初始直線與破壞直線的相交點，且垂直于荷載軸線的直線，與荷載-位移曲線的交點即為極限點，對應(yīng)的上拔荷載為極限承載力，相應(yīng)的樁頂位移為極限位移。

(3)L1-L2法。同雙直線交點法一樣，將荷載-位移曲線劃分為初始直線段、曲線段和破壞直線段，初始直線段L1的終點為彈性極限點，破壞直線段L2的起點為塑性極限點，對應(yīng)的上拔荷載為極限承載力，相應(yīng)的樁頂位移為極限位移。

Chin[6]研究認(rèn)為雙直線交點法適用于以回填材料為地基土的擴展基礎(chǔ)；初始直線斜率法適用于壓力注漿法施工的基礎(chǔ)；L1-L2法適用于以巖(土)代模施工而成的挖孔基礎(chǔ)。魯先龍[7]研究認(rèn)為初始直線斜率法用于確定基礎(chǔ)的極限承載力偏于保守。翟云鋒等[8]通過已有擴底抗拔樁現(xiàn)場試驗荷載-位移曲線，采用規(guī)范法和圖解法(初始直線斜率法、L1-L2法)分析了試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)3種方法的計算結(jié)果較為接近。

上述研究表明，初始直線斜率法、雙直線交點法和L1-L2法各自具有一定的適用性和局限性，是否適用于砂巖地層中抗拔樁的極限承載力判定還有待研究，現(xiàn)將基于現(xiàn)場試驗結(jié)果，分析這三種方法對砂巖地層中抗拔樁極限承載力判定的適用性和準(zhǔn)確性。

1 試樁試驗概況

1.1 試樁概況

試驗場地位于西南某山體斜坡臺地，主要地層如下:粉質(zhì)黏土，厚2.5 m，呈硬可塑狀；強風(fēng)化砂巖，厚0.5～3.0 m，屬軟巖；中風(fēng)化砂巖，巖體較為完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，未揭穿，為較軟巖。巖土層的物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 抗拔樁尺寸

根據(jù)試樁設(shè)計技術(shù)要求、試樁施工工藝及《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)[4]規(guī)定，綜合考慮試樁樁徑、樁間距、場地地質(zhì)情況、靜載加載試驗設(shè)備等因素，對總平面圖進行了優(yōu)化設(shè)計，共布置抗拔試樁19根，反力樁11根、樁間距均不小于5d(d為樁徑)，樁側(cè)地質(zhì)鉆探勘探孔共布置19孔，如圖2所示。

圖2 嵌巖抗拔樁設(shè)計技術(shù)研究總平圖

1.2 試樁施工

等截面樁采用回旋鉆機旋挖成孔。變截面樁采用分段成孔工藝，在上覆土和強風(fēng)化砂巖部分成孔孔徑為1.0 m，嵌中風(fēng)化砂巖部分成孔孔徑為 0.6 m。凈嵌巖樁(16#、17#試樁)在上覆土和強風(fēng)化砂巖部分預(yù)埋Φ800 mm鋼護筒，成樁后留置在原位，使樁側(cè)表面與樁周巖土體隔離。擴底樁上部采用回旋鉆機旋挖成孔，擴大頭部分采用人工挖孔施工工藝。各試樁成孔后安放鋼筋籠、澆筑混凝土。

試樁樁身混凝土強度等級為C30，樁徑0.6、0.8、1.0 m，鋼筋籠縱筋采用HRB500級螺紋鋼筋，布置分別為14Φ36 mm+4Φ18 mm、21Φ36 mm+4Φ18 mm、26Φ36 mm+4Φ18 mm，箍筋采用HPB300，布置為Φ8@150。

1.3 試樁靜載荷抗拔試驗

1.3.1 試驗裝置

試驗裝置采用反力樁-反力梁體系，主要由液壓千斤頂、反力梁、反力樁、量測裝置等組成?，F(xiàn)場試驗加載裝置圖如圖3所示。

1.3.2 試驗方法

試驗采用樁基規(guī)范[4]推薦的慢速維持荷載加載法。試驗過程與文獻[9]一致。

2 試驗結(jié)果分析

上述試驗得到試樁的樁頂荷載與樁頂位移關(guān)系曲線如圖4、圖5所示，極限荷載及其對應(yīng)的位移值如表2所示。

圖5 19#試樁σ-lgt關(guān)系曲線

采用上述3種圖解法對現(xiàn)場試驗中試樁的荷載-位移曲線進行極限承載力和相應(yīng)位移取值，結(jié)果如表2所示。由表2可知，雙直線交點法取值和L1-L2法中的L2取值都需要試樁荷載-位移曲線存在破壞直線段，不能應(yīng)用于未達到破壞，或者破壞直線段不顯著的情況。L2取值的方法與規(guī)范[4]中推薦的極限承載力取值方法相同，故L2取值與實測值相同。將取值結(jié)果用表3和圖7分析比較，因為L2取值與實測值一致，故在圖6中不予表示。

表2 圖解法荷載-位移曲線取值結(jié)果

由表3和圖6可知，初始直線斜率法的取值在整體上低于實測值、低于雙直線交點法的取值，高于L1-L2法中L1的取值，簡單來說，初始直線斜率法的取值就是在L1值的基礎(chǔ)上增加了3.8 mm的位移允許值，相較于文獻[10]中分析得到的強/中風(fēng)化砂巖層極限相對位移分別為8～18 mm和20～25 mm，增加的幅度過低，不能滿足樁身側(cè)阻力發(fā)揮的所需相對位移值，對于粉質(zhì)黏土層極限相對位移2.5～4.0 mm而言是合適的。各試樁用初始直線斜率法得到的極限承載力為實測值的42.0%～102.4%，平均66.0%，偏于保守，這與Kulhawy等[11]的結(jié)論相同。雙直線交點法的取值與實測值較為接近，各試樁用雙直線交點法得到的極限承載力為實測值的85.2%～98.5%，平均94.8%。L1-L2法中L1的取值為荷載-位移曲線初始直線段(即彈性變形階段)終點，得到的極限承載力為實測值的15.5%～64.1%，平均29.7%，而各試樁L1法的極限位移(即彈性階段位移)僅為實測極限樁頂位移的1.8%～25.6%，平均7.6%，遠低于實測值。

表3 圖解法各方法取值結(jié)果分析表

圖6 圖解法各方法取值結(jié)果分析圖

3 結(jié)論

采用圖解法判定風(fēng)化砂巖層中抗拔樁極限承載力，得到以下結(jié)論。

(1)初始直線斜率法受到3.8 mm位移增量的限制，平均取值為實測值的66.0%，偏于保守。

(2)雙直線交點法平均取值為實測值94.8%，較為相近。

(3)L1-L2法的L1法平均取值僅為實測值的29.7%；L2取值方法是現(xiàn)行樁基規(guī)范中確定極限承載力的判據(jù)之一，取值與實測值一致。

研究認(rèn)為，除非對基礎(chǔ)變形有嚴(yán)格特殊的要求，否則在試樁荷載-位移曲線特征明顯的情況下，L1-L2法可以用于試樁承載變形分析，但并不適合用于確定極限承載力，L2取值方法只是規(guī)范中確定極限承載力的參考條件之一，規(guī)范中根據(jù)多種方法綜合分析確定極限承載力的建議更為合理。