挤扩支盘桩式输电塔基础抗拔承载力计算公式的探讨

肖 琦,徐 晶,李 君,李志明

(1.东北电力大学 建筑工程学院,吉林 吉林 132012;2.河北省沧州供电公司,河北 沧州 061001;3.无锡供电设计研究院,江苏 无锡 214044)

挤扩支盘桩是近几年发展起来的一种新桩型,具有承载力高、嵌固性好、技术经济指标优越等特点,特别是在抗拔承载力方面,更显示出比等直径灌注桩更广阔的应用前景。而输电塔基础多为上拔工况控制,因此,挤扩支盘桩在输电塔基础中应用将具有良好的社会和经济效益,对挤扩支盘桩在输电铁塔基础中应用进行探索和研究,具有非常重要的意义。

1 单、多桩抗拔承载力公式

1.1 火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定(DLGJ153-2000)

群桩基础及其基桩抗拔承载力标准值应按下列规定确定。

①一级建筑支盘桩,基桩的抗拔极限承载力标准值应采用现场单桩上拔静载荷试验确定。

②二级建筑支盘桩,基桩的抗拔极限承载力标准值宜采用现场单桩上拔静载荷试验确定。

③三级建筑支盘桩,群桩基础及基桩的抗拔极限承载力标准值可按下列规定计算:

多桩呈整体破坏时,基桩的抗拔极限承载力标准值为

单桩或多桩呈非整体破坏时,基桩的抗拔极限承载力标准值为

式中,Ugk为群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值,kN;Uk为基桩抗拔极限承载力标准值,kN;u1为多桩外围周长,m;ui为支盘桩破坏表面周长,按规范取值,m;li为桩穿越第 i层土的厚度,m;qsi k为桩侧表面第 i层土抗压极限侧阻力标准值,可按 JGJ 94-94表 5.2.8-1取值;λi为抗拔系数,可按 JGJ 94-94表5.2.18-2取值。

1.2 山东省工程建设标准《挤扩支盘桩技术规程》

单桩竖向承载力特征值:

式中,Qsa为单桩总端阻力特征值,含分支侧阻力,kN;QPa为单桩总端阻力特征值,含分支、承力盘端阻力,kN;qsi a为桩侧第i层土的侧阻力特征值;qpia为第i层土的端阻力特征值;up为主桩身周长;li为第 i层土的厚度,设盘处减去承力盘折算高度(1.1～1.3)h;D为盘径,计算时减去 0.05～0.10 m;ni为翼状分支的分支数;h,a,b为分支尺寸,见规范详图;J为折减系数,见规范。

1.3 CECS挤扩支盘灌注桩技术规程(CECS 192:2005)

单桩抗拔极限承载力:

式中,λ为桩侧阻力折减系数,推荐值为砂土 0.5～0.7,黏性土和粉土 0.6～0.8;Z为盘极限端阻力修正系数,其与盘径和施工工艺有关,可查规范中相关表格。

巨玉文(2005)提出的单桩抗拔极限承载力:

式中,T为抗拔侧阻经验折减系数,可取 0.4～1.0(按以下原则取值:桩侧上部土层(上支盘以上)取 0.6～0.8,砂土取较小值,粉土、黏性土取较大值;桩侧下部土层 (下支盘以下)取 0.4～0.6,砂土取较小值,粉土、黏性土取较大值;设置支盘的土层及支盘之间土层取 0.3～0.5);Ui为支盘端承力工艺修正系数,取 1.0～1.4;Jpi为尺寸修正系数,(对砂土 n=3,对黏性土n=4);Lei为土层有效厚度,当土层存在支盘时,Lei=Li-(1.5～1.8)h,h为支盘高度,Li为土层厚度。

2 几种抗拔承载力计算公式的对比

2.1 现场实测数据与规范计算结果的对比

从收集到的 23组现场试验数据中挑选出实测数据和基础资料全面的 6组,其中北京市回龙观居住区地下车库桩长、主桩径、盘径、盘数和支数分别为7.35 m,0.6 m,1.0 m,1和0,上海金山石化试桩的桩长、主桩径、盘径、盘数和支数分别为31.3 m,0.65 m,1.40 m,3和1,利用以上 4个公式对所选取的工况中 6根支盘桩分别进行计算,各公式计算结果见表 1。

表1 现场实测数据与规范计算数据的结果

在表 1中,3种规范推荐公式中桩身侧摩阻力折减系数均取 0.7,巨玉文提出的公式中设置支盘的土层及支盘之间土层的折减系数取 0.4,支盘端承力工艺修正系数取 1.0。通过理论计算与现场试验结果对比可以看出,利用《挤扩灌注桩技术规程》(DBJ14-019-2002)、《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS 192:2005)以及巨玉文提出的公式计算结果与现场试验结果较接近,且均略大于现场试验结果;利用《火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定》推荐的公式计算结果与现场实测结果偏差很大,计算结果偏于保守。

2.2 有限元计算结果与规范计算结果对比

2.2.1 单桩极限承载力比较

通过有限元分析得到的 6种单桩的极限承载力值见表2。

表2 单桩有限元计算数据与规范计算数据的结果

在表2中,3本规范推荐公式中桩身侧摩阻力折减系数取 0.7,在巨玉文法①中土层取折减系数 0.4(按照巨玉文推荐设置支盘的土层及支盘之间土层取折减系数 0.3～0.5),在巨玉文法②中取 0.7(采用有限元分析得到桩身侧摩阻力折减系数为0.7)。对比结果可以看出,有限单元法计算结果较《挤扩灌注桩技术规程》(DBJ 14-019-2002)、《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS 192:2005)偏于保守,《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS 192:2005)计算结果与有限元模拟结果相近。巨玉文法①由于折减系数取值较小,其计算结果略小于有限元计算结果;巨玉文法②取较大折减系数,其计算结果则略大于有限元计算结果。

对比 CECS推荐公式(式(4))和巨玉文推荐公式(式(5)),其表现形式是一致的。式(4)中的λ值与式(5)中的T含义相同,但推荐值范围和选取方法略有不同。式(5)中引入U为工艺修正系数,J为尺寸修正系数,并提出计算公式,式(4)中的Z在 CECS推荐的表格中也隐含了工艺和尺寸的影响因素。因此,可以说巨玉文推荐公式是 CECS推荐公式的一种变形,其推荐的参数计算方法有所不同,整体看 CECS推荐公式更有普遍意义。

2.2.2 多桩极限承载力比较

通过有限元分析得到 3种多桩的极限承载力值,见表3。对于多桩的承载力计算,《火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定》(DLGJ 153-2000)给出了计算公式,该公式实际上采用了《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94)中推荐的公式。表3中给出在上拔位移为40 mm时,2×2多桩中基桩的承载力值;且表中还给出了根据多桩按整体破坏和非整体破坏时按《火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定》计算得到的承载力值。有限元结果要小于整体破坏时的承载力计算值而大于非整体破坏时的承载力计算值,说明《火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定》推荐的公式计算结果偏于保守。

表3 多桩中基桩有限元计算结果与规范计算结果对比

3 结束语

文中对几种常用的挤扩支盘桩抗拔承载力计算公式进行了归纳,并采用现场实测数据和有限元计算结果对各公式进行对比分析。综合上述结果,推荐使用《挤扩支盘灌注桩技术规程》(CECS 192:2005)。

上述推荐公式和推荐值是基于有限元分析结果和有限的实测数据,要想使其推广,仍然需要更广泛的试验数据和计算结果加以验证,其中可以考虑采用离心实验来对不同工况进行论证。

[1]挤扩支盘桩基础在输电线路中的应用研究报告[R].杭州:浙江大学岩土工程研究所,2010.

[2]高笑娟,朱向荣,等.支盘桩理论研究及工程应用 [M].北京:科学出版社,2010.

[3]CECS192:2005,挤扩支盘灌注桩技术规程 [S].

[4]J10360-2004,挤扩灌注桩技术规程 [S].

[5]山东省工程建设标准,挤扩支盘桩技术规程 [S].

[6]DLGJ153-2000,火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定[S].

[7]巨玉文.挤扩支盘桩力学特性的试验研究及理论分析[D].太原:太原理工大学,2005.

[8]《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册 [M].北京:中国建筑工业出版社,1997.