引水工程沖孔灌注樁豎向抗拔靜載試驗探討

陳平勇

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州362000）

0 引 言

承載力高、抗震性能良好的沖孔灌注樁在水利水電、建筑、交通等工程中應用廣泛，為節(jié)省進度和工程投資，沖孔灌注樁設計時一般兼具抗壓和抗拔性能，該類基樁抗拔承載力也越來越得到設計及施工人員的關注。實踐證明，單樁豎向抗壓靜載試驗是一種較為直觀、可靠的沖孔灌注樁極限承載力確定技術。而沖孔灌注樁地基承載力小、設計極限承載力大、樁周土地質條件復雜，故在試樁過程中普遍面臨樁頭強度不足、地基不均勻沉降、基準樁上浮以及千斤頂頂死、壓重平臺倒塌等情況。為此，必須采取有效措施預防和杜絕以上問題，保證沖孔灌注樁試樁過程順利進行，從而為水利水電、建筑工程基樁施工質量控制提供借鑒參考。

1 工程背景

溫嶺南排項目張老橋引水隧洞工程由上下游河道、隧洞及攔水堰等組成，線路全長1.78km，其中隧洞上游河道長約1.02km，河道面寬23~35m；隧洞長約0.62km，設計輸水流量183m3/s，為無壓隧洞，襯后洞寬8.0m，開挖斷面截面積約102m2，進口底高程為0.0m，出口底高程為-2.5m，隧洞底縱坡i=4.03‰；下游引河長約0.14km，河底高程-2.5m，與江廈隧洞上游河道相連；攔水堰布置于上游河道，將攔截桐山溪洪水，將其導引至隧洞，堰寬20m，堰頂高程3.9m。工程地震設防烈度為Ⅶ度。結合工程現(xiàn)場巖土工程勘察資料，可以得出巖土物理力學參數(shù)，具體見表1。

表1 工程現(xiàn)場巖土物理力學參數(shù)

該引水工程的重點部位有：洞口圍護作用的樁基工程、斜槽開挖與邊坡防護工程、土洞支護與開挖、石洞開挖。在樁基工程中，沖孔灌注樁樁共10 根，根據(jù)樁頂高程將沖孔灌注樁分成A、B 兩種，樁徑均為1000mm，通過沖擊鉆機成孔，制作完成的鋼筋籠由汽車吊吊運就位，經(jīng)導管法澆筑水下混凝土成樁。

2 試驗設計

沖孔灌注樁外表較為光滑，通過夾具很難扣牢，為保證夾具扣牢且受力均勻，在樁芯中埋設鋼筋澆筑混凝土展開豎向抗拔試驗，具體布置詳見圖1。本次主要對其中2 根A 樁展開豎向抗拔靜載試驗，試驗樁施工情況見表2。沖孔灌注樁豎向抗拔靜載試驗時間為2021 年12 月31 日-2022 年1 月2 日，試驗過程嚴格執(zhí)行《建筑基樁檢測技術規(guī)范》相關規(guī)定。試驗裝置主要為原豎向靜載試驗主次梁，并通過反力樁向支座提供反力，試驗裝置具體見圖2，若抗拔力較小而無法達到檢測規(guī)程要求時，則應改用圖3 試驗裝置，即借助千斤頂展開抗拔靜載試驗，圖中D 為試樁設計樁徑[1]。試驗用電動油泵、壓力表及高壓油管等最大加載力應控制在設計工作壓力的80%，所有百分表均通過磁性表座固定在基準梁上。

圖1 沖孔灌注樁豎向抗拔靜載試驗布置

圖2 豎向抗拔靜載試驗裝置

圖3 抗拔力較小時豎向抗拔靜載試驗裝置

表2 試驗樁施工情況

試驗開始后，通過面積為2×9.6 ㎡的支墩提供抗拔反力，通過按照慢速維持荷載法加載，每級加載量應為設計最大試驗荷載的10%，在每級試驗荷載下，灌注樁按照一定的速度上拔。為展開上拔量觀測，應事先在灌注樁樁頂增設4 個位移傳感器，按照試驗規(guī)程所規(guī)定的測量頻率測度上拔量[2]。當出現(xiàn)以下任一情況時應終止加載，并卸荷觀測：①灌注樁樁頂實際沉降超出前一級荷載下實際沉降量的5 倍；②樁頂實際沉降超出前一級荷載下實際沉降量的2 倍且經(jīng)過24h 后仍達不到穩(wěn)定狀態(tài)；③試驗加載達到樁頂承載力最大設計值的1.5 倍[3]。卸荷過程中每一級卸載均按照設計加載量的3 倍確定，每級卸荷結束后均應觀測樁頂回彈量，待回彈穩(wěn)定后再開始下一級卸荷。

3 試驗成果及分析

將所得到的單樁豎向抗拔靜載試驗數(shù)據(jù)匯總至表3，根據(jù)表中試驗結果繪制試驗樁荷載U-上拔量δ 關系曲線，具體見圖4。根據(jù)試驗結果，當6#樁和8#樁均在800kN 和700kN 上拔荷載力的作用下，荷載U-上拔量δ 關系曲線變動趨勢較為平緩，沉降和荷載之間基本呈線性關系；而當6#樁和8#樁上拔荷載力增大至900kN 時沉降量增速開始快于荷載增大速度，此時兩個試樁沉降量分別為10.87mm 和13.96mm；當上拔荷載力增大至1000kN 時，樁頂上拔量陡增，荷載U-上拔量δ 關系曲線也變得十分陡峭，試樁樁身斷裂，鋼筋隨即拔斷。所以，6#樁和8#樁極限承載力均為900kN。

圖4 試驗樁荷載U-上拔量δ 關系曲線

表3 6#樁單樁豎向抗拔靜載試驗數(shù)據(jù)（檢測日期：2021-12-31）

表4 8#樁單樁豎向抗拔靜載試驗數(shù)據(jù)（檢測日期：2022-01-02）

目前，有關沖孔灌注樁豎向上拔荷載的傳遞機理并不明確，故設計計算過程也缺乏相關指導和參照，工程應用及試驗方面，抗拔樁也主要以抗拔靜載試驗為主。沖孔灌注樁樁體受到上拔荷載作用后，樁身會以摩阻力形式將荷載傳遞至周圍土體。起初，由淺部土體提供上拔阻力，樁身拉應力主要位于樁體上部；此后隨著樁身上拔位移的增大，樁身應力也隨之向下擴展，中下部樁身上拔土體阻力開始發(fā)揮。

根據(jù)以上試驗結果，可以將沖孔灌注樁單樁荷載U-上拔量δ 關系曲線分成3 個階段：①直線段，即圖4中6#樁和8#樁荷載值從0kN增大至800kN段；②曲線段，即圖4 中6#樁和8#樁荷載值從800kN增大至900kN 段；③直線段，圖4 中6#樁和8#樁荷載值從900kN 增大至1000kN 段，這一階段上拔荷載值增加非常小，樁體位移量急劇增大，樁周地面也隨之出現(xiàn)環(huán)向裂縫，樁身開裂，鋼筋隨即拔斷。第3 階段起點所對應的900kN 的上拔荷載即為該引水工程沖孔灌注樁豎向抗拔承載力極限值。以上試驗結果顯示，該引水工程沖孔灌注樁抗壓強度及抗拔承載力較好，兩個試樁均在樁芯灌注混凝土底部以下150mm 處發(fā)生破壞，該位置同時也是沖孔灌注樁從實心混凝土樁體向空心薄壁過渡的變截面處。

4 沖孔灌注樁抗拔承載力計算

4.1 基樁抗拔承載力

一般情況下，樁身強度、樁徑、樁長、樁周土力學性能是影響沖孔灌注樁豎向抗拔承載力的主要因素[4]。按照《建筑樁基技術規(guī)范JGJ94-2014》，基樁抗拔承載力應滿足以下條件：

式中：0γ為基層土層重度；N為基樁豎向力；sγ為基樁所處層頂面以上土層重度；Gp為基樁結構自重，地下水位以下則取浮重；Uk為基樁抗拔承載力極限值，因該引水工程沖孔灌注樁為一級樁基，故通過現(xiàn)場靜載試驗獲取。

根據(jù)表1 所給出的該引水工程各土層極限側阻力取值情況，結合式（1）便可得到?jīng)_孔灌注樁極限抗拔承載力Uk=765kN。

4.2 樁身、樁端頭板及焊縫抗拔力

該引水工程沖孔灌注樁樁身抗拉強度由樁身C80 抗拉強度、預應力增加強度及鋼筋抗拉強度等部分組成。樁身抗拉強度Na=σLA=3045×0.093=283.19kN，預應力增加抗拉強度N b=RA=4200××0.093=390.6kN，鋼筋抗拉強度Nc=σ(1 ? 0.7)×f=221kN。則沖孔灌注樁樁身所承受的抗拔力最大值為894.79kN。以上公式中，A為預應力鋼筋截面面積，Lσ為不考慮預應力損失后樁身混凝土預應力，R為基樁豎向承載力特征值，σ為鋼筋標準強度，f為鋼筋抗拉強度。

基樁抗拔承載力的確定還必須結合該引水工程沖孔灌注樁端頭板及焊縫強度。將鋼制端頭板分別設置在每根沖孔灌注樁樁端，并在端頭板上開設1 排圓孔，便于預應力鋼筋穿接。樁端頭板結構具體見圖5，圖中r1?r2=37.5mm，樁端頭板厚為18mm。按照M=N2/πDS求取樁端頭板所承受的彎矩，并按M/ (l×h2/6)≤f進行樁端頭板強度驗算，其中，N2為樁端頭板所承受的抗拔力最大值，D為管樁外徑，S為管樁橫截面面積，h沖孔灌注樁嵌入巖土體的深度，l為樁身長度，其余參數(shù)含義同前。

圖5 樁端頭板結構

沖孔灌注樁端頭板所能承受的抗拔力最大值必須滿足下式要求，即N2≤πDh2f6S，將相關參數(shù)取值代入后可得出該引水工程沖孔灌注樁端頭板所能承受的抗拔力最大值為690kN。

4.3 沖孔灌注樁抗拔承載力分析

結合以上分析結果，沖孔灌注樁端頭板承載力最低，但是在試驗過程中因端頭板設置在較深土層，其所承受的摩阻力比樁頂部位小，故并未表現(xiàn)出破壞跡象；若在樁端頭板上焊接抗拔鋼筋，則端頭板必將發(fā)生破壞。樁周土力學性能分析結果顯示，抗拔力低于樁身抗拉強度，但試驗過程中沖孔灌注樁并未先拔出，意味著抗拔樁受力機理和抗拔摩阻力折減系數(shù)取值脫離實際，沉樁期間土層遭受擾動和擠密后抗拔阻力明顯增大。

沖孔灌注樁內灌注長度為8m 的C40 混凝土材料后的摩阻力是結合單項工程設計要求所得出的結果，新舊混凝土粘結強度必須根據(jù)試驗確定。因沖孔灌注樁C40 混凝土材料中摻加了微膨脹劑，能增強新舊混凝土粘結強度，故試驗過程中填芯混凝土并未發(fā)生拔出破壞，鋼筋抗拉強度能得到充分發(fā)揮，并能將樁身抗拔力順利向樁周土傳遞。而對于沖孔灌注樁內填芯混凝土具體灌注長度以及基樁、管樁、樁身、樁端頭板、接樁焊縫等部分之間的荷載傳遞機理，仍有待進一步研究。

5 結 論

綜上所述，結合該引水工程兩根沖孔灌注樁豎向抗拔靜載試驗結果，在沖孔灌注抗拔力小于樁身受拉承載力的情況下，既能用作承壓樁，又能作為抗拔樁，可有效縮短工期。樁芯設置內插鋼筋，一頭埋置于承臺混凝土結構中，另一頭埋設在樁芯灌注混凝土中，能確保沖孔灌注樁荷載順利傳遞，而樁芯鋼筋長度必須結合抗拔力展開計算。按照相關規(guī)范及現(xiàn)行巖土工程勘察報告，任何形式的管樁均不得出現(xiàn)裂縫，對于埋置于地下的樁基裂縫情況較難觀察到，可以采用后注漿技術增大樁周摩阻力，提升沖孔灌注樁豎向抗拔力。