2 000噸級大噸位單樁抗拔靜載試驗技術(shù)研究

張 羽，鄧 凡，庾梓豪，陳 卓

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500)

0 引言

抗拔樁是一種常見的樁基礎(chǔ)形式，廣泛運用于高水位的地下建筑物、輸電線路、海洋鉆井平臺基礎(chǔ)中，來抵抗水的浮力或者其他上拉荷載［1-5］。按照樁的成型模式，抗拔樁可以大致分為鉆孔灌注抗拔樁、預(yù)制鋼筋混凝土抗拔樁、砌筑配筋抗拔樁［6］等。

萬世明［7］對橋梁的錨樁開展了高達2 000 t 的單樁抗拔靜載試驗，但其為試驗樁，且需提前在樁內(nèi)預(yù)埋4根鋼絞線錨柱，難以實用于工程樁的驗收試驗。

國內(nèi)如鄒東峰、鐘冬波［8］的專利提出了一些樁與反力架的新型連接裝置，但是對于樁徑2 m左右、抗拔極限承載力達2 000 t的大噸位抗拔樁，難以實現(xiàn)鋼筋不發(fā)生大幅度彎折條件下把60～80 根的長縱筋穿至主梁頂部固定，不能很好滿足試驗對加載連接裝置的技術(shù)要求。

基樁自平衡法雖然能實現(xiàn)大噸位單樁抗拔靜載試驗，但因為其荷載作用位置與樁的實際受力點不同，且還會引起樁身荷載作用位置的混凝土發(fā)生嚴(yán)重開裂，目前也只能對試驗樁進行檢測，用于工程樁驗收還未被業(yè)界認可。例如劉杰等人［9］利用雙荷載箱自平衡法在北京某工程進行了極限抗拔承載力為1 600 t的抗拔靜載試驗，但試驗中先后打開上下荷載箱影響了試驗結(jié)果等問題未能有效解決。孫志賢［10］對大噸位基樁抗拔靜載試驗的支墩地基處理技術(shù)、控制反力支座荷載對荷載及位移的測量影響量的實施技術(shù)等進行探討。

這些年大噸位抗拔連接裝置出現(xiàn)了常采用預(yù)埋鋼筋與受力錨件焊接的形式，但是焊接工作量大，作業(yè)時間長，且對焊接質(zhì)量要求較高。本文提出了一種方便簡捷的大噸位灌注樁新型抗拔試驗技術(shù)，通過在樁帽內(nèi)預(yù)埋多排高強度螺紋鋼筋，反力裝置中采用雙層鋼板與鋼梁相互疊加，受力分析和實際工程證明能安全用于大噸位的灌注樁抗拔試驗，該技術(shù)可為類似抗拔靜載試驗提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

本工程擬建物為多層～高層建筑，建筑物的工程重要性等級為一級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，屬丙類抗震設(shè)防建筑物，各巖土層參數(shù)如表1所示。

表1 各巖土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Main Physical and Mechanical Indicators of Each Rock and Soil Layer

1.2 試樁概況

本試樁屬于驗收試驗，樁徑1 600 mm，入土樁長43.33 m，受力形式為端承摩擦型樁，設(shè)計為抗壓兼抗拔樁，單樁豎向抗壓承載力特征值20 000 kN，抗拔承載力特征值7 800 kN，采用C40 水下混凝土，主筋為40×40（HRB400），樁端持力層為微風(fēng)化灰?guī)r。由于在原地面并非在設(shè)計標(biāo)高進行抗拔試驗，因而考慮增加檢測標(biāo)高至設(shè)計標(biāo)高空樁段樁側(cè)摩阻力極限值4 500 kN，單樁抗拔靜載最大試驗荷載=抗拔承載力特征值×2+空樁段樁側(cè)摩阻力極限值=7 800×2+4 500=20 100 kN。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 預(yù)埋鋼筋計算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）：GB 50010—2010》［11］，普通受拉鋼筋的基本錨固長度應(yīng)按式⑴計算：

式中：lab為受拉鋼筋的基本錨固長度（mm）；fy為普通鋼筋的抗拉強度設(shè)計值（MPa）；ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值（MPa），當(dāng)混凝土強度等級高于C60時，按C60取值；d為錨固鋼筋的直徑（mm）。

錨固鋼筋的外形系數(shù)如表2所示。

表2 錨固鋼筋的外形系數(shù)αTab.2 Shape Factors of Anchor Reinforcement α

受拉鋼筋的錨固長度應(yīng)根據(jù)錨固條件按式⑵計算且不應(yīng)小于200 mm：

式中：la為受拉鋼筋的錨固長度（mm）；ζa為錨固長度修正系數(shù)，對普通鋼筋按文獻［11］第8.3.2 條的規(guī)定取用，當(dāng)多于一項時，可按連乘計算，但不應(yīng)小于0.6。

經(jīng)計算，預(yù)埋鋼筋在樁帽中的錨固長度不應(yīng)小于1 660 mm。

本試驗采用預(yù)埋?36 mm 的高強度螺紋鋼筋，型號為PSB930，本試驗的最大荷載為20 100 kN。綜合考慮受力、安裝等因素，取鋼筋數(shù)量為10 根×3 排，鋼筋中心間距為170 mm，排間距為650 mm。

2.2 試驗場地處理與樁帽制作

換填墊層處理：對樁兩側(cè)的場地進行了6.0 m×6.0 m×2.5 m（長×寬×深）區(qū)域的換填，自上而下分別為0.3 m 碎石夯實；1.9 m 塊石并加碎石級配，分層鋪填，逐層壓實；0.3 m碎石夯實。

在換填好的墊層上對稱倒置一層6.0 m×6.0 m×0.1 m 的C10 素混凝墊層，其上再倒置一層6.0 m×5.8 m×0.4 m 的鋼筋混凝土支承板，板內(nèi)設(shè)2 層鋼筋網(wǎng)，鋼筋規(guī)格為?22@200雙向。制作樁帽前應(yīng)將樁身上部浮漿鑿除，樁帽尺寸為2.6 m×2.6 m×2.5 m，在樁帽中預(yù)埋高強度螺紋鋼筋，鋼筋錨固深度應(yīng)滿足上文中的計算長度。

2.3 試驗反力裝置設(shè)計、安裝

左右支承板上對稱放置8 個千斤頂，千斤頂上的反力裝置在豎向從下往上依次為：4 根13 m 長的主梁；2層×2塊尺寸1 710 mm×1 200 mm×50 mm（長×寬×高）的鋼板（記為鋼板②）；3 塊雙拼鋼梁；2 層×3 塊尺寸1 710 mm×600 mm×50 mm（長×寬×高）的鋼板（記為鋼板①）；3 排×10 個墊板。以上各部件由于自身打孔或者空心使預(yù)埋高強度螺紋鋼筋穿過，最后把螺母插入到各高強度螺紋鋼筋里擰緊在墊板表面。最終，裝置裝配如圖1所示。

圖1 裝配示意圖Fig.1 Assembly Diagram

對于不同樁徑大小、荷載的同類大噸位抗拔試驗，只需按照以上過程調(diào)整預(yù)埋鋼筋類型、根數(shù)、間距、鋼板等。

3 數(shù)值分析

在之前的設(shè)計中，主梁上方設(shè)計為放置一層鋼板，試驗時出現(xiàn)了過大的彎曲變形，導(dǎo)致無法繼續(xù)開展下去，因此提出了雙層鋼板②疊加雙拼鋼梁再疊加雙層鋼板①方案。下面將通過對裝置進行有限元分析來分析改進的方案是否合理。

考慮模型過大引起計算時間過長以及精度等因素，分別取部分構(gòu)件建模分析。

3.1 模型1分析

由于對稱性，取一排的墊板、鋼板①、雙拼鋼梁建立模型1，如圖2?所示。各部件均為Q345鋼，材料屬性采用彈塑性模型，定義各部件之間法向方向為硬接觸，切向方向定義為罰函數(shù)性質(zhì)，根據(jù)實際情況輸入摩擦系數(shù)。設(shè)置雙拼鋼板底部為固定約束，豎向均布荷載施加在墊板與螺母的接觸面。

圖2 施加荷載與添加邊界條件Fig.2 Applying Load and Adding Boundary Conditions

計算得到最大試驗荷載下的Mises 應(yīng)力云圖和豎向變形云圖如圖3?、圖4?所示。

圖3 最大荷載下的Mises云圖Fig.3 Mises Cloud Map under Maximum Load （MPa）

圖4 最大荷載下的豎向變形云圖Fig.4 Vertical Deformation Cloud Map under Maximum Load （mm）

從圖3?、圖4?可以看出，當(dāng)試驗施加20 100 kN抗拔豎向荷載時，模型1 中部件的最大Mises 應(yīng)力為331.6 MPa，發(fā)生在墊板與螺母的接觸面附近，小于345 MPa，未發(fā)生屈服，同時，最大豎向位移僅為9.44 mm，因此，模型1處于安全受力使用狀態(tài)。

3.2 模型2分析

由于對稱，取2根主梁和其上的鋼板②建立模型2。同上，各部件均為Q345 鋼，材料屬性采用彈塑性模型，定義各部件之間法向方向為硬接觸，切向方向定義為罰函數(shù)性質(zhì)，根據(jù)實際情況輸入摩擦系數(shù)。設(shè)置主梁底部為鉸接約束，豎向均布荷載施加在鋼板②與雙拼鋼梁的接觸面，如圖2?所示。

計算得到模型2 最大試驗荷載下的Mises 應(yīng)力云圖和豎向變形云圖如圖3?、圖4?所示。

從圖3?、圖4?可以得出，當(dāng)試驗施加20 100 kN抗拔豎向荷載時，模型2 中部件的最大Mises 應(yīng)力為90.7 MPa，小于345 MPa，各部件未發(fā)生屈服，同時，最大豎向位移也僅為7.30 mm，因此，模型2 處于安全受力使用狀態(tài)。

對于不同樁徑、最大試驗荷載的大噸位抗拔樁可參照以上方法進行設(shè)計與分析。

4 現(xiàn)場試驗過程及結(jié)果

本抗拔試驗采用《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-60—2019》［12］。安裝過程較之前采用焊接的方法簡單方便，節(jié)省大量時間和工作量，試驗過程中未發(fā)生鋼筋斷裂，鋼板、梁彎曲破壞或變形過大等異常情況。在樁頭上均勻布置4 個位移傳感器，測量各級荷載下樁的上拔位移，如圖5、圖6所示。

圖5 U-δ 曲線Fig.5 U-δ Curve

圖6 δ-lgt曲線Fig.6 δ-lgt Curve

由圖5、圖6可知，試驗加載到20 100 kN時，總抗拔位移量為53.55 mm，位移量不大，U-δ曲線平緩，無明顯陡升段。綜合分析，該樁抗拔極限承載力≥20 100 kN，滿足設(shè)計抗拔驗收檢測荷載要求。

5 結(jié)語

通過對采用新型大噸位抗拔裝置的單樁抗拔試驗進行研究，可以得出以下結(jié)論：

⑴本試驗技術(shù)相比焊接方式具有方便安裝，通用性好的特點，只需調(diào)整預(yù)埋鋼筋類型、根數(shù)、間距、鋼板等即可實現(xiàn)同類型的大噸位抗拔試驗。

⑵裝置的最大，Mises 應(yīng)力為331.6 MPa，小于屈服強度，同時最大豎向變形僅有9.44 mm，表明本文提出的一種新的大噸位抗拔裝置形式受力合理，正式試驗時無異常情況發(fā)生表明裝置建立的有限元分析模型結(jié)果可靠，分析方法可供類似工程建模參考；

⑶模型結(jié)果顯示，裝置的受力最大位置處在墊板與螺母的接觸面，建議在以后的試驗中應(yīng)對墊板適度加厚，以保證受力更加安全。