削擴(kuò)支盤(pán)樁承載力的抗拔測(cè)試研究

李 千，李命成，李庶林*，牛帥星

(1.廈門(mén)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005；2.中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)廈門(mén)宏業(yè)有限公司，福建 廈門(mén) 361009)

建筑基礎(chǔ)抗浮是土建工程中的一個(gè)難題，抗拔樁是工程中應(yīng)用得最廣泛的一種基礎(chǔ)抗浮技術(shù)手段.多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于開(kāi)展相關(guān)的理論研究工作.Dickin等[1]采用離心機(jī)試驗(yàn)研究了擴(kuò)大頭幾何形狀對(duì)抗拔承載力的影響，給出了擴(kuò)底抗拔樁承載力的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法；Naggar等[2]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了錐形抗拔樁的承載力特性；Ilamparuthi等[3]對(duì)土工隔柵加固的沙土模型擴(kuò)底抗拔樁的承載性狀進(jìn)行研究，提出了估算抗拔樁承載力的經(jīng)驗(yàn)方法，建立了上拔荷載和上拔位移間的非線(xiàn)性雙曲線(xiàn)模型；Shanker等[4]研究了單樁的抗拔性能及其預(yù)測(cè)方法等.何思明[5]分析了抗拔樁的破壞特點(diǎn)，提出了一種極值原理的抗拔樁極限承載力計(jì)算方法；錢(qián)德玲[6]分析了擠擴(kuò)支盤(pán)樁的抗拔力計(jì)算方法并據(jù)此進(jìn)行了工程案例分析；許亮等[7]在現(xiàn)場(chǎng)足尺樁試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了擴(kuò)底支盤(pán)樁承載力的圓柱面剪切法和擴(kuò)大系數(shù)法的計(jì)算方法;吳春秋等[8]對(duì)擴(kuò)底抗拔樁和樁側(cè)壓漿等截面抗拔樁兩種不同抗拔樁型的承載力性狀進(jìn)行了分析,研究了兩種不同樁型的荷載傳遞規(guī)律和承載力提高機(jī)理.劉文白等[9]還針對(duì)擴(kuò)底樁的抗拔力在試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展了抗拔力的數(shù)值模擬研究.

在確定抗拔力學(xué)性能方面其室內(nèi)模擬試驗(yàn)和理論計(jì)算還很不完善，目前對(duì)于抗拔樁設(shè)計(jì)中的理論依據(jù)不足，基本還是以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主[10-11].因此，在超高層建筑的深基坑基礎(chǔ)工程、大型地下結(jié)構(gòu)工程的抗浮設(shè)計(jì)中，大多還是對(duì)樁的抗拔性能做直接的、足尺現(xiàn)場(chǎng)抽樣(或試驗(yàn))測(cè)試，該方法還是在技術(shù)上唯一可靠的、也是必不可少的重要技術(shù)手段.本文以廈門(mén)英藍(lán)國(guó)際金融中心工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)等截面旋挖灌注樁的抗拔承載力測(cè)試，修改不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件的等截面樁為削擴(kuò)支盤(pán)樁，對(duì)削擴(kuò)支盤(pán)樁的承載力進(jìn)行理論計(jì)算和足尺度抗拔承載力與變形進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證修改設(shè)計(jì)的實(shí)際效果.

1 工程及地質(zhì)概況

廈門(mén)英藍(lán)國(guó)際金融中心工程項(xiàng)目位于廈門(mén)市湖里區(qū)，總建筑面積約50萬(wàn)m2，其中地上約33萬(wàn)m2， 地下約17萬(wàn)m2，主要包括塔樓、裙房和地下室，其中地下室4層，埋深約18 m.本工程采用平板式樁筏基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)采用等直徑(截面)旋挖鉆孔灌注樁.所觸及的地層巖土體主要為雜填土、淤泥混砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、殘積黏性土，以及下部的風(fēng)化花崗巖層，各地層分布情況自上而下主要描述如表1所示[12].

表1 地層分布情況表

2 等截面試驗(yàn)樁抗拔靜載測(cè)試

2.1 測(cè)試樁的設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)等截面旋挖鉆孔灌注樁單樁豎向測(cè)試抗拔極限承載能力必須達(dá)到3 400 kN.為保證設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在基坑開(kāi)挖完成后對(duì)先施工的試驗(yàn)抗拔樁進(jìn)行單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn).本文選取編號(hào)為C705#、C774#、C776#的3根試驗(yàn)樁的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，樁徑均為800 mm，檢測(cè)的試樁有關(guān)參數(shù)和待測(cè)試荷載見(jiàn)表2.

表2 待測(cè)試樁有關(guān)參數(shù)

2.2 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果分析

抗拔樁的測(cè)試裝置、具體測(cè)試過(guò)程控制、測(cè)試數(shù)據(jù)記錄等細(xì)節(jié)可參見(jiàn)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[13].

3根測(cè)試樁的最大試驗(yàn)荷載和對(duì)應(yīng)于最大試驗(yàn)荷載時(shí)的樁頂上拔量(變形)如表3所示；測(cè)試的全過(guò)程的U-δ曲線(xiàn)和逐級(jí)加載的δ-lgt曲線(xiàn)見(jiàn)圖1所示.從表3和圖1中明顯看出，3根抗拔試驗(yàn)樁的檢測(cè)極限承載力分別只有2 040 kN和1 700 kN，均遠(yuǎn)未能達(dá)到原設(shè)計(jì)預(yù)期的極限荷載3 400 kN的要求.

圖1 各試樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.1 Static load test curves of each test pile

表3 各試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果

3 抗拔樁改進(jìn)和削擴(kuò)支盤(pán)樁承載力預(yù)估

3.1 抗拔樁設(shè)計(jì)改進(jìn)

為解決上述等截面樁的承載力不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題，改進(jìn)設(shè)計(jì)提出采用削擴(kuò)支盤(pán)樁方案，即在樁底及其上6 m處各增加一個(gè)支盤(pán)，直徑1 400 mm，如圖2所示，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，單樁豎向抗拔極限承載力值為3 400 kN.

圖2 帶兩個(gè)支盤(pán)的削擴(kuò)支盤(pán)樁(單位：mm)Fig.2 Pile body with two branches (unit:mm)

3.2 削擴(kuò)支盤(pán)樁抗拔承載力分析

3.2.1 抗拔樁承載力的計(jì)算方法

根據(jù)前述等截面樁實(shí)測(cè)結(jié)果分析，得出樁的側(cè)向平均摩阻力調(diào)整系數(shù)，然后再利用這個(gè)調(diào)整系數(shù)對(duì)修改設(shè)計(jì)的削擴(kuò)支盤(pán)樁的承載力進(jìn)行預(yù)估.這里采用文獻(xiàn)[14]中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算：

Uu=u∑λiqsiLi+∑ηqpjApj.

(1)

其中，Uu代表單樁豎向抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；u為主樁樁干周長(zhǎng)(m)；λi為樁周第i層土的抗拔系數(shù)；qsi為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；Li為當(dāng)?shù)趇層土內(nèi)設(shè)置承力盤(pán)后，樁穿過(guò)該層土折減盤(pán)高的有效厚度(m)；η為盤(pán)底土層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)；qpj為第j個(gè)盤(pán)處土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；Apj為第j盤(pán)扣除樁身截面積的盤(pán)投影面積(m2).

3.2.2 等截面樁抗拔承載力計(jì)算

在式(1)中，當(dāng)Apj=0時(shí)，公式右邊的第二項(xiàng)即為零，這時(shí)即可用以計(jì)算等截面樁的抗拔極限承載力.根據(jù)前述等截面樁的測(cè)試結(jié)果，采用本工程地勘報(bào)告中提供的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，其中樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取下限值，其相關(guān)參數(shù)和分析計(jì)算結(jié)果如表4所示.

從表4中看出，對(duì)C705#、C774#兩根測(cè)試樁理論計(jì)算的樁側(cè)摩阻力參數(shù)乘以調(diào)整系數(shù)0.65，對(duì)C776#測(cè)試樁理論計(jì)算的側(cè)摩阻力參數(shù)乘以調(diào)整系數(shù)0.54，就能得出理論計(jì)算值剛好跟試驗(yàn)實(shí)測(cè)的抗拔極限承載力相吻合.樁側(cè)摩阻力調(diào)整系數(shù)可取3根樁各自調(diào)整系數(shù)的平均值，即得0.61.

表4 等直徑普通抗拔樁承載力計(jì)算

3.2.3 削擴(kuò)支盤(pán)樁承載力預(yù)估

本文選用3根待測(cè)試的削擴(kuò)支盤(pán)樁編號(hào)分別為C802#、C836#及C847#，相關(guān)幾何參數(shù)和地勘提供計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5，對(duì)應(yīng)土層的抗拔系數(shù)λi的取值見(jiàn)表4.將側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的下限值乘以調(diào)整系數(shù)0.61，然后采用公式(1)計(jì)算得到的削擴(kuò)支盤(pán)樁的承載力結(jié)果見(jiàn)表5.由此可見(jiàn)，理論計(jì)算得到的削擴(kuò)支盤(pán)樁單樁抗拔承載力都超過(guò)了5 000 kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求值3 400 kN，這也從理論上說(shuō)明采用改進(jìn)設(shè)計(jì)的削擴(kuò)支盤(pán)樁方案是可行的.

表5 削擴(kuò)支盤(pán)樁抗拔承載力計(jì)算

4 削擴(kuò)支盤(pán)樁抗拔靜載測(cè)試

本次豎向抗拔極限承載力測(cè)試的3根樁編號(hào)為C802#、C836#和C847#，測(cè)試原理和方法與前述等截面樁的完全相同，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，對(duì)應(yīng)檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程的U-δ曲線(xiàn)和δ-lgt曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖3.由圖3看出，當(dāng)測(cè)試上拔力達(dá)到3 400 kN時(shí)，各試驗(yàn)樁都未達(dá)到極限荷載狀態(tài)，樁頂最大上拔量也遠(yuǎn)未超過(guò)100 mm，且各試樁并無(wú)任何破損異常之處.僅就削擴(kuò)支盤(pán)樁的最大測(cè)試荷載與等截面樁的極限抗拔荷載相比，其值都分別提高了67%和110%，這說(shuō)明削擴(kuò)支盤(pán)樁較等直徑的旋挖灌注樁能大幅度地提高單樁豎向抗拔承載力.

表6 試樁參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果

圖3 各試樁靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.3 Static uplift test curves of piles

從圖3中看出，3根樁頂?shù)淖畲笪灰浦涤休^大差別，其中C836#的沒(méi)有超過(guò)15 mm，說(shuō)明其效果最好；而另外兩根樁的最大位移值都超過(guò)39 mm，稍有偏大，這應(yīng)該是測(cè)試樁灌注過(guò)程產(chǎn)生的施工差異.

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)等截面樁和削擴(kuò)支盤(pán)樁的足尺現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析，得到如下主要結(jié)論：

1) 由等截面樁的抗拔測(cè)試和理論計(jì)算，得出該工程中樁側(cè)摩阻力調(diào)整系數(shù)值為0.61，即樁側(cè)摩阻力取地勘報(bào)告提供的下限值的0.61倍是比較符合工程實(shí)際的取值.

2) 依據(jù)本文確定的樁側(cè)摩阻力的調(diào)整系數(shù)0.61，預(yù)估改進(jìn)設(shè)計(jì)的削擴(kuò)支盤(pán)樁單樁豎向抗拔承載力能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)足尺度豎向抗拔試驗(yàn)驗(yàn)證樁的實(shí)際抗拔力大于設(shè)計(jì)要求的3 400 kN.

3) 本文的分析方法和確定的側(cè)摩阻力系數(shù)調(diào)整值0.61是適合該工程實(shí)際的，可為本地區(qū)的相關(guān)工程提供參考.