袁希雨，賀德新，陳立宏

(1．北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044;2．北京中闊地基基礎技術有限公司，北京100097)

1 前言

抗拔樁作為一種廣泛應用的基礎形式，在高聳構筑物、橋梁、地下結構、樁基試驗等工程實踐中應用日益頻繁。傳統(tǒng)意義上的等截面抗拔樁的抗拔承載力完全由樁側摩擦阻力及樁身自重提供，樁周土體作用難以充分發(fā)揮，致使其抗拔能力較為有限;即使樁側阻力能夠得到充分的發(fā)揮，樁土的相對位移也會比較大，這樣可能會導致樁體上部與土體分離，削弱樁側阻力的發(fā)揮。由此可見，等截面抗拔樁并不是最為理想的抗拔樁型，在工程實踐中人們往往將抗拔樁做成非等截面的形狀(例如擴底樁等)或者利用后注漿來提高樁的抗拔能力。DX旋挖擠擴灌注樁是一種新型的變截面樁，簡稱DX樁，DX樁通過在樁身不同位置擠擴多個盤腔，灌注混凝土形成突出的盤體，從而形成了多點支撐的結構形式，能充分利用土體中較大的端阻力，從而具有良好的抗拔性能。在DX樁抗拔性能評價中，核心是計算盤端抗拔阻力，文章結合某工程實例進行分析計算，對現(xiàn)有的計算方法進行了討論，提出了進一步研究DX樁抗拔承載力的計算方法。

2 抗拔樁計算方法研究現(xiàn)狀

2．1 常見單樁抗拔承載力計算方法舉例

2．1．1 《建筑樁基技術規(guī)范》中的計算方法

一般的單樁抗拔承載力可以根據(jù)樁身的側摩阻力和樁身的自重計算。在《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-2008)中規(guī)定了抗拔樁的摩擦阻力等于抗壓樁身摩擦阻力乘以一個折減系數(shù)λ(砂土時取0．5～0．7，粘土時取 0．7 ～0．8)［1］。

式(1)中，Tuk為抗拔極限承載力標準值;ui為破壞表面周長，對于等直徑樁u=d，對于擴底樁，自樁底算 li≤(4～10)d 部分，ui=D，li＞(4～10)d的部分，ui=d(d為樁身直徑，D為擴底段直徑);qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力值，按規(guī)范取值;λi為抗拔折減系數(shù);li為第i層土厚度。

而最新的《大直徑擴底灌注樁(墩)技術規(guī)程》中的抗拔計算和建筑樁基技術規(guī)范完全一樣［2］。

2．1．2 國外灌注樁抗拔承載能力計算公式

美國采用了如下灌注樁抗拔承載力計算公式［3，4］:

式(2)中，Ptu為樁的抗拔極限抗拔力;Psi為樁身在第i層土的摩阻力;Ppb為擴徑體的端承力;W為樁身自重。

而前蘇聯(lián)采用的公式為

式(3)中，Φa為樁的抗拔極限抗拔力;m為工作條件系數(shù);u為樁截面的外周長;mf為樁側土的工作條件系數(shù);fi為第i層土的最大摩阻力，僅與土種類有關;li為第i層土的層厚。

這一公式與我國相關規(guī)范中的計算公式基本一致。

2．1．3 爆擴樁抗拔承載力計算公式

南京工程兵工程學院與上海人民防空辦公室科研所提出了飽和軟土中爆擴樁抗拔承載力計算方法，表達式為［5］:

式(4)中，N′為軸向拉力;Pa為樁的容許抗拔力;Ks為施工影響系數(shù)(完全掌握了施工工藝的施工人員，Ks值可以大于1．0，考慮施工人員素質的差異，建議值取0．8～1．3);K為安全系數(shù)，通常取 2．0;λi為樁側摩阻因數(shù)(一般的，樁的上1/3段為0．5，中間1/3段為2．0，最下1/3段為1．5);fi為樁周第i層的極限摩阻力;D為擴徑體直徑;d為樁身直徑;Rt為擴徑體上方土的極限承載力;G為樁體自重，地下水位以下取有效密度。

這一公式一方面考慮了施工的影響，另一方面利用土的極限承載力來計算擴大頭提供的抗拔承載力。

趙長青等提出了類似的爆擴樁抗拔承載力計算公式［6］:

式(5)中，d為樁身直徑;λi為抗拔系數(shù);fi為樁周土的容許摩阻;D為擴大頭直徑;ρ為擴大頭形狀系數(shù)，它的取值是擴大頭壓迫土體的切面法向向量在垂直方向的分量，一般形狀爆擴樁擴大頭是球形，為了便于計算可以統(tǒng)一取為0．5，大致為擴大頭切面法向向量與水平面呈30°夾角;Rt為擴大頭上方土體的抗壓極限承載力;W1為樁體自重，地下水位以下取有效重度;W2為擴大頭拖帶土體的質量。

2．2 DX樁的抗拔承載力計算方法

DX樁的抗拔機理較為復雜，當DX樁頂承受拉拔荷載時，樁身開始承受拉力，荷載繼續(xù)增大到達一定值并大于樁身自重的情況下，樁土之間會有相對位移或者樁土一起拔起的趨勢，此時摩阻力從上往下逐漸地發(fā)揮。在荷載不斷增大時頂盤首先發(fā)揮承載力，然后是向下第二個盤，依次向下發(fā)展。因此不同的盤發(fā)揮承載力是有時間效應的，各承力盤達到極限承載力的時間是不同的，即某承力盤達極限抗拔承載力時其他承力盤可能尚未達極限狀態(tài)，或已進入軟化階段而抗拔承載力有所減小;樁側的摩阻力先于承力盤承載力的發(fā)揮，樁側摩阻力先達到峰值并進入軟化階段;承力盤在達到極限承載力時，所需的相對位移較大，因此達極限抗拔承載力時樁頂位移相當可觀，有助于提高抗拔樁的承載能力。

DX樁的抗拔承載力的計算問題一直未能得出定論，目前比較常見的計算方法中大多是盤阻和樁身側摩阻力分算。樁身側摩阻力的計算基本達成共識，即借鑒抗壓樁的設計方法，以樁的抗壓側摩阻力乘以經(jīng)驗折減系數(shù)后作為抗拔樁的側摩阻力，進而估算抗拔樁的側摩阻力;但要研究DX樁的抗拔承載力，關鍵問題在于解決承力盤的抗拔阻力計算問題，這仍是工程設計和學術領域內未能徹底解決的難題。在《三岔雙向擠擴灌注樁設計規(guī)程》(JGJ171-2009)［7］(以下簡稱“規(guī)程”)中效仿了建筑樁基規(guī)范中的計算方法，將DX樁的承力盤及受承力盤影響范圍內的樁身等效成與承力盤等直徑的等截面樁進行計算，規(guī)定DX樁極限抗拔承載力標準值按式(6)求解:

式(6)中，Tuk為基樁極限抗拔承載力標準值;qsik為單樁第i層土的抗壓極限側阻力標準值;ui為樁身周長，按“規(guī)程”表5．2．2-1 和5．2．2-2 取值;li為樁的破壞表明穿過第i層土的厚度;λi為抗拔阻力折減系數(shù)。

趙明華［8］等從DX樁的承載機理出發(fā)對其抗拔承載力的計算方法和影響DX樁抗拔承載力的因素進行了研究，將DX樁的抗拔承載力分成主樁側摩阻力、承力盤承載力以及樁身自重三部分，分別計算后求和得出DX樁的抗拔極限承載力。即公式:

其中對于承力盤承載力計算公式為:

式 (7)、(8)中，Quk為DX樁抗拔極限承載力;Σ Qzpj為DX樁承力盤的極限承載力;Σ Qskj為主樁的極限側阻承載力抗壓樁的設計方法，以樁的抗壓側摩阻力乘以經(jīng)驗折減系數(shù)(沙土取0．50～0．70，粘性土、粉土取0．70 ～0．80)后得到;Wc為 DX樁自重;下標k為承力盤數(shù)量;σzpj為第j個承力盤處土體抗壓承載力標準值;θj為第j個承力盤受荷面與水平面的夾角;φj為第j個承力盤所在土層樁土內摩擦角;Dj為第j個承力盤的直徑;d為主樁直徑。

另外李廣信等結合室外模型試驗對DX樁的抗拔利用錨板理論、Prandtle理論等進行過對比計算分析［9］;陳輪等進行了DX樁與直孔樁的現(xiàn)場模型試驗對比［10］。

3 工程實例分析

3．1 工程場地及試樁概況

某工程位于北京地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場勘察、原位測試以及室內土工試驗研究，按地層的沉積年代、成因類型，將場地地面以下內土層劃分為若干個大層，各土層的性質指標如表1所示。本工程共對3根兩個盤的DX樁進行了抗拔試驗，具體試樁設計尺寸如表2所示。

表1 試樁場地各土層性質指標Table 1 Details of sub-soilcharacteristics of test field

續(xù)表

表2 試樁設計尺寸Table 2 Sizes of test piles

3．2 試樁結果分析

為更加直觀形象地對DX樁的受力特點進行分析、對極限承載力進行判斷，現(xiàn)將本工程的試樁結果繪制成Q-s曲線如圖1所示。

圖1 試樁Q－s曲線［11］Fig．1 Q － s curve of the pile test［11］

從圖1中可以看出，工程中三棵樁在試驗過程中Q-s曲線大致平緩光滑，沒有出現(xiàn)陡降，沒有出現(xiàn)拔出量的急劇增加，說明試樁沒有達到極限承載力。由此可以看出，三棵DX樁的側摩阻力還沒有發(fā)揮到極限(或者將要達到但還沒達到極限)，而且DX樁的拔出量比工程經(jīng)驗中的等截面直孔樁的上拔量小得多，這對于提高樁基礎的抗拔性能、減少抗拔量有重要作用，對保證抗拔樁基的工程安全性有實際意義。對試樁的Q-s曲線進行了平行擬合外推，得到它們的極限抗拔承載力為2400 kN。工程的試樁結果如表3所示。

表3 試樁結果Table 3 Testing results

4 基于不同計算方法的抗拔承載力計算

根據(jù)“規(guī)程”方法和公式(7)的計算方法、混凝土密度按2．5 t/m3計算，對工程中DX樁的抗拔承載力進行計算，結果如表4所示。

表4 承載力特征值計算結果Table 4 Calculating results

由表4可以看到，對于同一工程采用不同的計算方法計算出的抗拔承載力結果有很大差別，采用“規(guī)程”和公式(7)計算的承載力分別比實測值高出13%和88．5%。本次計算結果與“規(guī)程”條文說明中的結果略有不同，可能是在取值等細節(jié)上有所不同造成的，但總的差別不大。由于影響DX樁抗拔承載力的因素很多，比如樁側土體強度、承力盤受荷載面與水平面夾角θj、承力盤數(shù)量與間距、盤的埋深等，這使得同一公式在計算不同的工程時也會出現(xiàn)較大差別。這種差別主要出現(xiàn)在承力盤抗拔承載力的計算上，解決承力盤的抗拔阻力計算問題是現(xiàn)階段DX樁抗拔承載力計算研究的關鍵問題。

5 DX樁抗拔承載力計算方法探究

通過以上計算筆者等發(fā)現(xiàn)，DX樁的抗拔承載力計算理論還很不成熟，即使是依據(jù)“規(guī)程”進行計算，所得結果也會由于參數(shù)的取值問題出現(xiàn)較大偏差;由于公式中參數(shù)取值范圍比較廣，所以不同的人對同一公式同一工程的計算結果也會有較大出入。

在等截面抗拔樁樁側摩阻力的計算中筆者等借鑒了抗壓樁的樁側摩阻力計算方式，乘以一個系數(shù)λ。由此得到啟發(fā)，大膽地假設DX樁抗拔樁的盤阻力也可以由其抗壓狀態(tài)下的盤阻力乘以一個系數(shù)得到，不妨定義為α。DX樁的抗壓承載力計算理論要相對成熟得多，只要知道α的值，便不難估算出承力盤的抗拔阻力。由此便得到一個新的計算公式:

式(9)中，qBik為單樁第i個盤的持力土層極限盤端阻力標準值，可由“規(guī)程”表G．0．2查得;ApD為承力盤設計的截面面積，按承力盤在水平投影面上的面積扣除樁身設計截面面積計算;η為總盤端阻力調整系數(shù)，單個和兩個盤時取1，三個盤及以上時取0．93;其他系數(shù)意義同公式(7)。

為對此計算方法進行驗證，α取0．0～1．0，采用代入法對工程中DX樁的抗拔承載力進行驗算，最終在α=0．3時得到了比較接近的數(shù)值1245 kN，只比實測值偏大3．75%。但α肯定是與承力盤的埋深以及承力盤周土的性質等諸多因素有關的，所以要得到一個系統(tǒng)的理論取值范圍需要大量的重復試驗作支撐，筆者在此僅做一個假設性的討論。

6 結語

文章通過DX樁抗拔的現(xiàn)場試驗以及計算分析得出以下結論:

1)DX樁抗拔承載力的計算可以分為主樁側摩阻力、承力盤承載力以及樁身自重三部分，明確承力盤抗拔阻力與其抗壓阻力之間的關系、解決承力盤的抗拔承載力計算問題是目前研究DX樁抗拔承載力計算的關鍵。

2)現(xiàn)有的DX樁抗拔承載力計算公式不盡完善，對于同一工程采用不同的計算方法計算出的抗拔承載力結果有很大差別，而且無論哪種方法計算出的結果都與實測值有著較大的差距;同時由于公式中參數(shù)取值范圍比較廣，所以不同的人對同一公式同一工程的計算結果也會有較大出入。

3)文章嘗試根據(jù)等截面抗拔樁樁側摩阻力的計算方法，即在抗壓樁的樁側摩阻力上乘以一個系數(shù)λ，提出了DX樁抗拔樁的盤阻力也可以由其抗壓狀態(tài)下的盤阻力乘以一個系數(shù)α得到的假設，得到一個新的公式。但要研究透徹承力盤的抗拔阻力與抗壓阻力之間的關系、得到一套α的系統(tǒng)的理論取值范圍，需要大量的試驗作支撐，筆者等的能力有限，只是在此做一個假設性的探究，希望能為DX樁抗拔承載力的計算研究提供一個思路。

［1］中華人民共和國行業(yè)標準．建筑樁基技術規(guī)范(JGJ94-2008)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．大直徑擴底灌注樁(墩)技術規(guī)程JGJ225-2010［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

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［5］工程兵工程學院，上海市人防科研所．飽和軟土中爆擴樁的研究［R］．南京:工程兵工程學院，1986．

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［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．三岔雙向擠擴灌注樁設計規(guī)程(JGJ171-2009)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［8］趙明華，李微哲，單遠銘．DX樁抗拔承載機理及設計計算方法研究［J］．巖土力學，2006，27(2):199-203．

［9］李廣信，湯 飛．DX樁承力盤抗拔阻力的分析與研究［J］．工業(yè)建筑，2005，35(6):52-56．

［10］陳 輪，蔣 力，王海燕，等．DX樁抗拔承載力機理的現(xiàn)場試驗研究［J］．工業(yè)建筑，2004，34(10):33-35，46．