嵌岩桩抗拔承载特性的离心模型试验研究

杨柏，马建林，周和祥，孙珍茂，董晓朋



嵌岩桩抗拔承载特性的离心模型试验研究

杨柏1，马建林1，周和祥1，孙珍茂2，董晓朋1

(1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 2. 四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)

针对目前在抗拔桩设计中对嵌岩桩承载力影响因素理解不足，导致桩基设计不合理的问题，采用离心机模型试验，研究嵌岩深度、岩土体性质和桩型对桩基极限抗拔承载力的影响。研究结果表明：等截面桩极限抗拔承载力随嵌岩深度的增加呈近线性增加，扩底桩极限抗拔承载力呈非线性增加；较软岩与软岩比较，扩底桩极限抗拔承载力增幅超过200%；扩底桩极限抗拔承载力高于等截面桩88.7%~95.2%。

嵌岩桩；极限抗拔承载力；影响因素；离心模型试验

随着社会经济的发展，抗拔桩被广泛应用于桥梁、高层建筑、地下建筑、输电线路和海上石油钻井平台等工程实践中。多年来，抗拔桩的相关研究工作一直在开展。Dickin等[1−6]研究了砂土中桩的长径比、桩−土界面特性、土体性质和加载方式等因素对抗拔承载力影响。嵌岩桩抗拔承载力影响因素的研究也取得了很多成果。袁文忠等[7]通过模型试验分析了岩基强度对抗拔承载力的影响。刘波等[8]通过现场试验发现扩径比对大直径嵌岩桩的抗拔承载力影响较大，扩大头周围岩体弹性模量和扩底高度的影响相对较小。何剑[9]通过现场试验发现增加桩−岩界面黏聚力，可以提高桩的抗拔承载力。王耀辉等[10]通过模型试验发现抗拔桩的承载力极大地取决于桩−岩界面的摩阻特性。何思明等[11]研究认为，当上拔荷载较小时，存在侧阻力分布的桩段长度有限，不应盲目增加桩长。唐孟雄等[12]提出等截面桩在单层地基中极限抗拔力的计算公式并发现岩层黏聚力和岩层摩擦角对极限承载力的影响很大。王卫东等[13]提出通过后压浆等措施加强桩−岩接触是提高桩基抗拔承载力的有效方法。万东立等[14]结合泸州长江二桥现场试验，发现桩周岩层的强度和完整性对抗拔桩承载力的影响至关重要。吴兴序等[15−16]基于泸州长江二桥现场试验提出了岩层中抗拔桩承载力计算方法，重点考虑成桩方法、桩径和岩层完整性对极限抗拔承载力的影响。上述研究主要依托现场试验，原型试验受到诸多因素的影响，比如岩体中的结构面，桩孔底部的残渣等，很难做到单一因素的研究分析。更重要的是由于上覆土层的影响和岩体本身的变形破裂不明显，很难观测到岩体的破裂面形态。离心模型试验能够很好地控制试验条件，可以直接观测到岩土体的破裂面形态，而且能节约大量成本，是一种有效的研究手段。本文通过离心模型试验，摒除其他因素影响，研究单一因素变化对嵌岩桩极限抗拔承载力的 影响。

1 离心模型试验方案设计

在上覆土层不变的条件下，研究嵌岩深度、岩性和桩型对嵌岩抗拔桩极限承载力的影响。本试验模型桩桩型选取等截面桩和扩底桩，扩底桩的扩底直径为2倍等截面桩身段直径，扩底角度为45°；较软岩与软岩用水泥砂浆配制，无软弱结构面，岩面水平；上覆土为细砂。

1.1 试验设备

本次试验在西南交通大学土工离心机实验室的TLJ-2型土工离心机上完成，该离心机有效半径为2.7 m，最大容量为100 gt。

试验所使用模型箱的净空尺寸为800 mm×700 mm×700 mm，如图1(a)所示。加载系统为自主研发，可在离心机中施加竖向荷载。采用KEYENCE IL-300激光位移计测量桩顶位移。加载系统和激光位移计如图1(b)所示。

(a) 模型箱；(b) 加载系统和激光位移计

1.2 试桩设计

抗拔桩采用与原型桩等抗拔刚度控制的原则进行模拟。桩体采用圆形铝合金空心管模拟，扩底桩的等截面段和扩大头通过螺纹旋转联结。沿桩身内壁黏贴应变片，在应变片及导线周围涂抹环氧树脂。模型桩主要参数见表1，试桩如图2所示。应变片经过校正后再进行试验。

表1 抗拔桩参数指标

表2 抗拔桩试验参数

由表2可以看出，D15-1代表等截面桩、桩径15 mm和嵌岩1倍桩径，依次类推；K15-1代表扩底桩、桩径15 mm和嵌岩1倍桩径，依次类推。

(a) 等截面桩；(b) 扩底桩

1.3 试验模型制作

选取过2 mm孔径筛的细砂模拟覆盖层。采用425号水泥，通过表3所示的配合比制作砂浆，模拟试验所需的较软岩和软岩。为使试验岩层早日达到需要的强度，在砂浆中加入2%早强剂，5 d后通过试验测定其抗压强度，并通过室内土工试验测定其具体参数指标，见表4。

本次离心机试验的方案设计包括等截面桩、扩底桩，其中桩径为15 mm的等截面桩和扩底桩的试验岩层均为较软岩，其余为软岩。试验试桩平面布置图如图3所示。试验装置立面图如图4所示。

表3 砂浆配合比(质量比)

表4 岩土主要参数

注：内摩擦角、黏聚力为直剪试验值

1.4 试验步骤

试验共按以下8步完成：

1) 将粉细砂晒干至松散状，筛分均匀。

2) 黏贴应变片，在桩身涂胶裹砂，模拟桩−岩/土界面。

3) 将凡士林均匀涂抹于模型箱内壁上以减小箱壁摩擦。

4) 按照设计配合比制成砂浆，分层填筑并夯实，当砂浆达到桩底部标高时，埋入模型桩，继续填筑砂浆至设计标高。同时制作砂浆试块，养护5 d后将其与覆盖层砂土分别做室内土工试验，以确定主要参数。养护达到设计强度后，分层填筑上覆土。

5) 在50 g条件下固结1 h。

6) 固结完成后停机，安装加载系统和激光位移计，完成数据采集接线等工作。

7) 运行离心机至设计离心加速度，稳定10 min后启动加载系统，分级匀速施加上拔荷载直至破坏，采集存储数据。

8) 取出模型箱，清除上覆土体，观察岩体破坏模式，整理数据。

单位：cm

1 —步进电机；2 —减速机；3 —加载系统；4 —激光位移计；5 —模型箱；6 —测力传感器

2 离心机试验结果与分析

试桩的极限抗拔承载力由荷载−位移(-)曲线得到。以试桩D25-2为例，其-曲线如图5所示。

图5 等截面桩Q-s曲线

图5表明，D25-2共分15级加载，每级加载值约为2 000 kN。试桩加载直至上拔破坏后停止。-曲线出现明显的拐点，拐点之前，随着桩顶荷载的增加，桩顶位移呈线性增大。拐点之后，变形加速发展，发生岩土破坏，如图6所示，等截面桩−岩土体破裂面由沿桩岩接触界面破坏的圆柱形和倒置的截头锥体两部分组成，此时嵌岩抗拔桩达到破坏状态，拐点处即为嵌岩抗拔桩达到极限状态。D25-2的极限抗拔承载力为27 989 kN，对应桩顶位移为57.7 mm。

图6 等截面桩-岩土破坏图

根据试验结果，依次对嵌岩深度、岩性和桩型等极限抗拔承载力影响因素进行分析。

2.1 嵌岩深度的影响

根据离心模型试验结果，选取嵌岩深度不同的试桩进行比较。等截面桩在不同嵌岩深度的极限抗拔承载力见表5。

表5 等截面桩不同嵌岩深度极限抗拔承载力

截面桩极限抗拔承载力与嵌岩深度的关系曲线如图7所示。

图7 等截面桩极限抗拔承载力与嵌岩深度的关系曲线

由图7可知，随着嵌岩深度的增加，试桩极限抗拔承载力呈近线性增加。主要因为嵌岩抗拔桩的极限抗拔承载力绝大部分由嵌岩部分桩身承担。且试验结果分析表明：当等直径的等截面桩嵌入同种岩石中，桩−岩界面特性相同时，不同试桩的平均侧阻力值基本相同。所以试桩嵌入岩石越深，其桩与岩接触面积越大，导致极限抗拔承载力值越大且呈近线性增加。

扩底桩由于扩底作用，其抗拔机理与等截面桩存在很大差异，极限抗拔承载力受嵌岩深度的变化影响与等截面桩也不一样，选取嵌岩深度不同的扩底桩进行比较，扩底桩在不同嵌岩深度的极限抗拔承载力见表6，极限抗拔承载力与嵌岩深度的关系如图9所示。

表6 扩底桩不同嵌岩深度极限抗拔承载力表

扩底桩极限抗拔承载力与嵌岩深度的关系曲线如图8所示。

图8 扩底桩极限抗拔承载力与嵌岩深度的关系曲线

由图8可知，随着嵌岩深度的增加，扩底桩极限抗拔承载力呈非线性增加。扩底桩−岩土体破裂面呈喇叭型曲面。随着嵌岩深度的增加，岩土体破裂面积呈非线性增加，所以扩底桩极限抗拔承载力随嵌岩深度增加呈非线性增加。

嵌岩深度与等截面桩的极限抗拔承载力基本呈近线性变化关系，与扩底桩的极限抗拔承载力呈非线性变化关系，但这并不是说嵌岩深度越大，桩基的抗拔承载力越高，本文仅研究岩土体破坏或桩被拔出的情况，在实际工程中，会出现桩身混凝土拉裂，钢筋被拔出的情况。在工程中提高桩身强度，避免桩身破坏，则增加嵌岩深度可以有效的提高抗拔承载力。

2.2 岩性的影响

根据离心模型试验结果，选取部分试桩进行比较。扩底桩在不同岩性的极限抗拔承载力见表7。

表7 扩底桩不同岩性极限抗拔承载力

扩底极限抗拔承载力与岩性的关系如图9 所示。

图9 扩底桩极限抗拔承载力与岩性的关系曲线

不考虑桩径的影响，嵌入较软岩，桩径0.6 m的扩底桩较之嵌入软岩，桩径1.0 m的扩底桩，其极限抗拔承载力增幅超过200%，增幅显著。

岩土体性质对桩基的极限抗拔承载力的影响很大。但是在实际工程中，岩体强度受结构面的影响很大，模型试验中很难模拟出岩体的结构面等特征，本研究中以岩石代替岩体，试验得到的抗拔承载力值偏大。

2.3 桩型的影响

根据离心模型试验结果，选取桩型不同的试桩进行比较。不同桩型的极限抗拔承载力见表8。

表8 不同桩型极限抗拔承载力

极限抗拔承载力与桩型的关系如图10所示。

图10 极限抗拔承载力与桩型的关系曲线

由图10可知，其他条件一致时，扩底桩比等截面桩极限抗拔承载力提高了88.7%~95.2%。主要因为2种桩的破坏机理不同，等截面桩的抗拔承载力主要由桩侧阻力承担，而扩底桩由于扩大头的嵌固效应，其抗拔承载力主要由岩土体的强度提供。 扩底桩的极限抗拔承载力远高于等截面桩，在很多研究中都已证实。本研究中扩大头角度为45°，这是否最优还有待研究，扩大头与等截面桩身段的几何比例关系也需要进一步的研究。

3 结论

1) 嵌岩深度的增加能有效提高桩基的极限抗拔承载力，随着嵌岩深度的增加，等截面桩的极限抗拔承载力呈近线性增加，扩底桩的极限抗拔承载力呈非线性增加。

2) 岩土体性质对桩基的极限抗拔承载力的影响很大，在本模型试验中，较软岩与软岩比较，扩底桩极限抗拔承载力增幅超过200%。

3) 扩底桩的极限抗拔承载力远高于等截面桩，在本模型试验中，其极限抗拔承载力较之等截面桩提高了88.7%~95.2%。

本离心模型试验揭示了极限抗拔承载力受各因素影响的变化趋势，得到了等截面桩和扩底桩的岩土体破裂形态，但实际工程中的岩体往往存在结构面或软弱层，离心模型试验难以模拟，建议通过现场试验进行研究。

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Centrifuge model test study on uplift behavior of rock-socketed piles

YANG Bai1, MA Jianlin1, ZHOU Hexiang1, SUN Zhenmao2, DONG Xiaopeng1

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., Ltd, Chengdu 610016, China)

At present, the factors influencing the bearing capacity of rock-socketed piles are not well understood in the design of uplift piles, which leads to the unreasonable design of pile foundations. To solve this problem, centrifuge model test was used to study the influence of rock-socketed depth, rock and soil properties, pile types on ultimate uplift capacity of piles. The results show that the ultimate uplift capacity of even section piles increases linearly with the increase of rock-socketed depth, and the ultimate uplift capacity of belled piles increases nonlinearly. Compared with soft rock and more soft rock, the ultimate uplift capacity of belled piles increases by more than 200%. The ultimate uplift capacity of belled piles is higher than that of even section piles by 88.7%~95.2%.

rock-socketed piles; ultimate uplift capacity; influencing factors; centrifuge model test

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.012

TU473.1

A

1672 − 7029(2019)01 − 0085 − 07

2017−11−15

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0802203-1)

马建林(1958−)，男，四川乐山人，教授，博士，从事桥梁深基础工程与支挡结构工程等领域研究；E−mail：majianlin01@126.com

(编辑 涂鹏)