大直径嵌岩抗拔桩承载性能及反演分析

杨旺兴

(中国铁建十六局集团公司,北京 101100)



大直径嵌岩抗拔桩承载性能及反演分析

杨旺兴

(中国铁建十六局集团公司,北京 101100)

摘要：为了研究大直径嵌岩抗拔桩的承载性能，采用慢速维持荷载试验法和反演分析的方法对其展开试验、研究，试验、反演结果表明：含砾砂岩中桩长8.0 m、桩径1.2 m的嵌岩挖孔桩，其竖向抗拔承载力标准值可达3 750 kN，桩顶最大位移仅为8.53 mm；抗拔桩的荷载传递函数为S=0.026f/(1-8.0f)；倒圆锥体破坏模式下圆锥面切线与竖直方向夹角θ仅与桩长L和桩径d有关。可见大直径抗拔短桩的抗拔性能较好，其荷载传递函数简单，破坏模式为倒圆锥体破坏。

关键词：大直径桩；嵌岩抗拔桩；承载性能；反演分析

1 工程概况

东莞至惠州城际轨道交通惠州客运北站位于惠州市火车站及城北汽车客运站处，沿惠州大道路中设置，车站结构为地下二层，采用明挖法施工，车站长度为307.5 m，宽47.8～49.1 m，深约21.0～22.0 m。抗浮设计水位按100 a一遇洪水位设计，车站面积较大，采用底板下设置抗拔桩的方式进行抗浮。抗拔桩满堂布设，间排距为4.17 m、11.20 m，共236根。桩长8.0 m，桩径1.2 m，置于强风化～中风化含砾砂岩中。

抗拔桩施工在车站基坑开挖至设计标高后进行，基坑大深度、大面积开挖引起了基坑坑底岩体卸荷回弹；同时抗拔桩采用人工挖孔成桩，孔壁侧向出现了一定程度的松弛。上述不利因素降低了岩体的强度，影响了抗拔桩承载性能的发挥。因而有必要对大直径抗拔桩性能进行试验、反演分析，以合理设计该类型的抗拔桩，为生产实践服务。

2 试桩方案

2.1 试验加载

采用慢速维持荷载法，每级试验加载量为最大试验荷载的十分之一，最大试验荷载为3 750 kN(设计承载力标准值3 681.7 kN)，3 000 kN内每级试验加载量为375 kN，第1级荷载为试验加载量2倍，即750 kN，3 000～3 750 kN内每级试验加载量为100 kN。

每级荷载试验的稳定标准为在荷载持续作用下，每60 min内桩的上拔位移量连续两次均小于0.1 mm。

测读试验数据的间隔时间为：第1次读数为加载后5 min，之后是每隔15 min测读一次，累计60 min后每隔30 min读一次。

2.2 试验卸载

加载试验达到预定值后，进行卸载试验，测试卸载过程中桩的回弹情况，卸载按五级进行，每级卸载量为加载量的2倍，即750 kN，每级荷载维持60 min，分别在卸载后的第5 min、15 min、30 min、60 min测读数据；当卸载至零荷载后，维持试验180 min并继续测读数据，测读时间分别为第5 min、15 min、30 min，之后则每隔30 min测读一次。

2.3 终止加载条件

试验出现下列任一情况时，终止增加荷载： ①在荷载持续作用下，桩顶位移量达到了上级荷载的5倍。②桩顶累计位移量超过100 mm。③桩顶试验荷载达到了钢筋强度标准值的0.9倍。④试验荷载达到设计要求的最大值。

3 试验结果分析

本次试验对2根桩进行了抗拔试验，试验结果(见表1)如下：

1号试桩桩顶最大位移量为7.42 mm，最大回弹量为2.90 mm，回弹率为39.1%；不可恢复位移为4.52 mm，占总位移量的60.9%。

2号试桩桩顶最大位移量为8.53 mm，最大回弹量为3.09 mm，回弹率为36.2%；不可恢复位移为5.44 mm，占总位移量的63.8%。

表1 试桩抗拔静载试验成果表

抗拔桩荷载—位移(U—δ)曲线总体呈抛物线状(图1、图2)，与抗压摩擦桩相似。同时由表1和图1、图2可见，前3级荷载作用下，抗拔桩的(U—δ)曲线近似呈线性，抗拔桩处于弹性变形阶段；第4级荷载开始，抗拔桩的(U—δ)曲线曲率明显加大，且增大速率亦在加大，说明抗拔桩处于以塑性变形为主的阶段。可见桩的竖向抗拔承载力标准值为3 750 kN。但两根桩的卸荷回弹曲线均十分接近于线性，可以认为卸荷阶段的变形主要是桩身混凝土本身的弹性变形。

图1　1号试桩抗拔力与桩顶位移曲线图

4 反演分析

4.1 荷载传递函数反演分析

图2 2号试桩抗拔力与桩顶位移曲线图

抗拔桩载荷试验曲线为非线性变形曲线，包括弹性变形阶段和非弹性变形阶段，弹性阶段一般很短(本次试验的前3级荷载下)，是桩土之间并没有发生相对滑动的阶段；非弹性变形阶段是桩顶位移大于土体的屈服位移，土体出现了塑性区域。

弹性变形条件下，桩的抗拔承载力为：

(1)

式中：d为桩径；L为桩长。

由试桩结果可得弹性阶段桩周剪切摩阻力为：τ=Pu/πdL=49.8 kPa。

第3级荷载作用下，桩顶位移应变平均值为1.07，则此时桩土间剪切模量为：G=τ/δ=49.8 kPa/1.07=46.5 kPa。

在抗拔桩没有破坏的情况下，根据Gardner理论，荷载传递函数可表述为[1]：

(2)

式中：a、b为双曲线参数；f为桩侧摩阻力；S为桩土相对位移。

对公式(2)的不同变化形式取极限则有[1]：

式中：fmax为抗拔桩侧极限摩阻力，单位为N/mm2。对于本次试验，fmax=Umax/πdL=0.124 4 N/mm2，故b=8.0。Kst为桩土间初始剪切刚度，据Randolph等人的研究[2，3]，有：

(3)

式中：dm为桩抗拔试验时桩体对周边地层的影响范围平均值；d为抗拔桩直径。

桩土间变形处于弹性阶段时，dm≈2.7d,此时：Kst=G/d=46.5 kPa/1.2 m=38.8 kN/m3，故a=0.026。由此可得抗拔桩的荷载传递函数为：

(4)

4.2 破裂角反演分析

当桩短粗时，桩轴向伸长量很小，桩身上部、下部的桩土间相对位移相差很小，桩侧的摩阻力可同时调动起来。在较小的桩顶位移下，桩就达到了其极限承载力[2]。本次试验的桩长仅8.0 m，而桩径为1.2 m，为典型的短粗桩，其荷载传递规律与上述情况完全一致。

一般而言，桩身某处桩土相对位移达到6～10 mm时，侧摩阻力就达到了其极限值[3]。

对抗拔桩而言，其破坏形态大致有三类[1,4]：①桩土接触界面的剪破；②与桩长等高倒圆锥体剪破；③复合剪切面剪破。一般情况下，桩周岩体为软岩的短粗灌注桩会发生倒锥体破坏。本次试验的情况完全符合上述条件，因而其破坏形态为倒锥体破坏。

倒圆锥体破坏模型假设滑移破坏面为一倒锥圆台，且圆锥面切线与竖直方向夹角θ，倒圆锥台破坏模型下桩的极限承载力有以下2种表达形式[3,5]：

(5)

(6)

式中：

整理得：

(7)

式中：L为桩长；γ为岩体重度；d为桩径。

将公式(5)代入公式(6)消去相关项后可得：

(8)

将公式(7)代入公式(8)，最终可得到θ与L、d的函数关系。说明了倒圆锥体破坏模式下，圆锥面切线与竖直方向夹角受桩长与桩径共同控制。

5 结论

(1)含砾砂岩中桩长8.0 m、桩径1.2 m的嵌岩挖孔桩，其竖向抗拔承载力标准值可达3 750 kN；试桩的最大位移为8.53 mm，最大回弹量为3.09 mm，最大回弹率为39.1%。

(2)反演分析得抗拔桩的荷载传递函数为S=0.026f/(1-8.0f)。

(3)反演分析发现，倒圆锥体破坏模式下，圆锥面切线与竖直方向夹角θ仅与桩长L和桩径d有关。

参考文献

[1]罗 宁.等截面抗拔桩承载力和变形性状研究[D].广州：华南理工大学，2013

[2]李海霞.嵌岩抗拔桩承载力特性研究[D].合肥：合肥工业大学，2012

[3]何泓男，戴国亮，龚维明.等截面抗拔桩的极限承载力计算综述[J].公路交通科技，2014，31(6)：63-68

[4]丁 明.抗拔桩承载和变形性状研究[D].杭州：浙江大学，2008

[5]朱碧堂，杨 敏.抗拔桩的变形与极限承载力计算[J].建筑结构学报，2006，27(3)：120-129

On the Bearing Performance of a Large-Diameter Anti-Uplifting Rock-Socketed Pile and the Inversion Analysis of It

Yang Wangxing

(The 16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 101100,China )

Abstract:To study the bearing capacity of a large-diameter anti-uplifting rock-socketed pile,the slowly-sustaining load test method and the inversion analysis are applied to the tests and studies.Results of the test and inversion analyses show that the standard value of the vertical anti-uplifting bearing capacity of a 8.0 m-long,1.2 m-diameter rock-socketed pile in the sand-and-gravel stratum is up to 3750 kN,with the maximum pile-top displacement being only 8.53 mm.The load-transferring function of the anti-uplifting pile is S=0.026f/(1-8.0f). In the inverted cone destruction mode,the angle (θ) between the conical surface tangent and the vertical direction is only related to the pile length and the pile diameter,from which it can be concluded that the anti-uplifting performance of the large-diameter anti-uplifting pile is fairly good, the load-transferring function of which is simple. Its destruction form is of an inverted cone failure mode.

Key words:large-diameter pile;anti-uplifting rock-socketed pile;bearing performance;inversion analysis

收稿日期：2015-12-24

作者简介：杨旺兴(1982—)，男，工程师，主要从事土木工程施工管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.010

中图分类号：TU473.11

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)03-0039-03