陳尚榮

(上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072)

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軟土地區(qū)抗拔樁承載特性現(xiàn)場試驗研究

陳尚榮

(上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072)

摘要：在工程實踐中，抗拔樁基礎(chǔ)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但對于抗拔樁工作機理卻研究較少。通過現(xiàn)場足尺試驗，分析了抗拔樁的承載特性和變形特性，包括抗拔樁樁頂與樁底位移、樁身軸力分布、側(cè)摩阻力分布以及側(cè)摩阻力和樁土相對位移的關(guān)系等，試驗結(jié)果表明：抗拔樁在受到上部荷載作用時，樁頂和樁底同時產(chǎn)生位移；隨著上部荷載的增加，樁體下部側(cè)面摩阻力逐次發(fā)揮作用，同時由于荷載在向下傳遞時不斷減小，下部樁身所受軸力較小，樁土之間的相對位移也較小，樁側(cè)摩阻力不易全部發(fā)揮出來。樁周各土層土的側(cè)摩阻力達到最大所需的相對位移也可以利用樁土相對位移與側(cè)摩阻力的關(guān)系曲線推算得出。試驗結(jié)果對工程設(shè)計計算及相關(guān)研究提供了一定參考。

關(guān)鍵詞：抗拔樁；承載特性；足尺試驗

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市中各種大型地下建筑不斷涌現(xiàn)，如地下廣場、地下商場、地下變電站等，這些地下建筑中很多都采用抗拔樁作為基礎(chǔ)；另外很多高聳塔式建筑物，如電視塔等的基礎(chǔ)也都會設(shè)置抗拔樁基礎(chǔ)[1]；同時像高樁碼頭等承受水平荷載的建筑物也需設(shè)置抗拔樁來承受水平荷載。

國內(nèi)外學(xué)者對于其抗拔機理開展了大量研究[2-7]。目前設(shè)計計算抗拔樁很大程度上仍然是采用規(guī)范推薦的方法，即通過乘以折減系數(shù)來推算出抗拔樁的承載力。由于抗拔樁的承載力受各種不同因素的影響較大，使得規(guī)范推薦的方法存在很大的不確定性，不能反映各種因素的影響。另外，不同的計算方法適用的樁型工況也不相同，得到的計算結(jié)果存在較大差異。試驗研究方面，Parry[7]的實驗表明，樁-土接觸面上的傾斜位移在實驗加荷的初始階段最先出現(xiàn)，當加載達到一定數(shù)值時，破裂面的方向逐漸轉(zhuǎn)移到接近平行位移的方向上，在荷載達到極限荷載時，連續(xù)的破裂面由各破裂面相互連接形成，樁側(cè)土體產(chǎn)生較大的位移。Alawneh[8]的大量抗拔樁試驗發(fā)現(xiàn)眾多抗拔樁極限承載力的影響因素有施工方法、樁型、土的參數(shù)、樁身參數(shù)等。閉口樁承載力與開口樁相比,要有25%左右的提高。同時，對抗拔樁的極限承載力有很大影響的因素還有土的密度和樁身材料[4]。

至今，對于抗拔樁的研究，大多是通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬[9-10]。但由于試驗方法、試驗條件以及尺寸效應(yīng)等條件的限制，模型試驗得出的結(jié)論與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果會有一定差別。本文利用現(xiàn)場足尺試驗，分析了抗拔樁的承載和變形特性，其中包括抗拔樁樁身軸力分布、樁底位移、樁頂位移、側(cè)摩阻力分布以及側(cè)摩阻力和樁土相對位移的關(guān)系等，研究結(jié)果對工程設(shè)計計算及以后的相關(guān)研究具有一定參考價值。

1　抗拔樁受力機理分析

抗拔樁與抗壓樁相比,由于抗拔樁沒有端阻,其承載特性完全由側(cè)摩阻力所決定,所以抗拔抗壓樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮機理的理解是分析二者受力性狀差異的關(guān)鍵。

抗拔樁和抗壓樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮均為不同步的過程,即側(cè)摩阻力都是從上到下逐漸發(fā)揮的,側(cè)摩阻力通過樁身逐次將荷載傳遞到樁體下部的深部土體。上部土體的側(cè)摩阻力相對于下部土體較易于達到極限值,而下部土體則較難達到?？拱螛稑俄敵惺芎奢d后，樁頂發(fā)生向上的位移，在位移不斷變大的過程中，樁身受到的拉力逐漸變大，并逐步向樁體下端發(fā)展，最后發(fā)展到樁尖。二者不同之處為抗壓樁側(cè)摩阻力分布為上部小,下部大;而抗拔樁側(cè)摩阻力分布則為中部大,兩端小[11-15]。

2　抗拔樁承載力和變形特性現(xiàn)場試驗研究

2.1試驗場地簡介

本試驗的試驗場地位于沿海地區(qū)，場地內(nèi)淺層土體為粉土，相對較深層土體為軟粘土，深層為砂和礫石土。各層土體物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1　土層地基土物理力學(xué)性質(zhì)

試驗抗拔樁概況如表2所示。

表2　抗拔樁試樁概況

注：表中括號內(nèi)數(shù)字表示樁基破壞時所對應(yīng)的荷載。

2.2抗拔樁試驗方案及裝置

本試驗樁型選用等截面抗拔樁，試樁共有4根，分為兩組，其中第一組的2根加載直到破壞，第二組的2根加載到承載力設(shè)計值，并且當上拔量穩(wěn)定后終止加載；分別對這4根抗拔樁的樁身側(cè)摩阻力、樁底位移、樁頂位移和樁身軸力等指標進行測量，并選取其中的2根樁的數(shù)據(jù)在本文中進行分析。

試驗裝置采用規(guī)范中規(guī)定的典型的抗拔樁試驗裝置，試驗裝置圖如圖1所示。

圖1試驗裝置示意圖

2.3抗拔樁試驗原理過程

(1)加載分級：本實驗依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[16](JGJ106-2003)規(guī)定，加載通過慢速維持荷載法進行，如表3所示為實驗荷載分級表。

表3　試驗荷載分級表　單位：kN

(2)觀測沉降：在各級加載完成后，分別在第0、5 min、15 min、30 min、45 min、60 min的時間讀取一次樁頂及樁端的位移，此后每半小時讀數(shù)一次。

(3)穩(wěn)定標準：在連續(xù)兩次測量中，樁頂位移速率均小于0.1 mm/h時，則表明樁的沉降已穩(wěn)定，即可進行下一級荷載的施加。

(4)結(jié)束加載：

① SB-1號試樁在達到承載力設(shè)計值1 600 kN且上拔量穩(wěn)定后停止加載。

② SB-2號試樁在加載達到2 240 kN時，因樁頂位移達到向上的89.07 mm，同時由于樁體出現(xiàn)連續(xù)裂縫，不能繼續(xù)承受荷載而停止加載。

2.4抗拔樁靜載荷試驗過程

圖2中所示試樁的荷載-位移曲線顯示：變形速率隨著荷載的增加在不斷增加。對于SB-1號試樁，樁身沒有出現(xiàn)裂縫而喪失承載能力，故在荷載—位移曲線上未發(fā)現(xiàn)顯著的比例界限點；在實驗開始階段，由于施加的荷載較小，樁體的變形仍在彈性范圍內(nèi)，當施加荷載不斷變大時，樁頂部和樁底部的位移速率也隨之不斷加快；樁身變形量即為樁頂位移曲線和樁底位移曲線豎向坐標的差值。

SB-1號試樁樁徑、樁長如表2中所示，荷載增加到設(shè)計荷載1 600 kN時，荷載-位移曲線為發(fā)現(xiàn)顯著的比例界限點，SB-1號試樁未出現(xiàn)裂縫而破壞，樁頂最大位移量為32.87 mm。SB-2號試樁樁徑、樁長也如表2中所示，當試驗荷載加至2 240 kN時，由于樁身出現(xiàn)裂縫破壞，上拔位移突變達到89.07 mm，承載力下降而停止加載。

圖2抗拔樁荷載-位移曲線圖

2.5樁身軸力分析

由圖3可知：2根試樁在樁頂施加的上拔荷載作用下，各截面軸向拉應(yīng)力在上拔荷載從0增加到1 600 kN或2 240 kN的過程中不斷變大；在施加荷載相同時，荷載通過樁身逐步傳遞到深部土體中，因此樁身各截面軸向內(nèi)力隨著深度的增加不斷下降。

同時由于受到樁側(cè)土體摩阻力的影響，在荷載增加的過程中，軸力傳遞變化速度也各有差異。對于本實驗中的兩根樁，當加載未達到960 kN時，在深度方向上軸力變小的速度越來越快，當加載超過960 kN之后，在深度方向上軸力變小的速度越來越慢；由于樁側(cè)摩阻力的影響決定了軸力變化快慢，以上分析表明側(cè)摩阻力都是從上到下逐漸發(fā)揮的,側(cè)摩阻力通過樁身逐次將荷載傳遞到樁體下部的深部土體。

2.6樁周側(cè)摩阻力結(jié)果及分析

側(cè)摩阻力的大小與樁體材料和各土層的物理力學(xué)參數(shù)以及施加荷載的大小等有密切關(guān)系。圖4樁側(cè)摩阻力分布曲線顯示：在試驗開始階段，加載較小時，側(cè)摩阻力沿深度方向的數(shù)值不斷下降；而當荷載增加到相對較大的水平時，側(cè)摩阻力沿樁身的分布呈現(xiàn)“波浪狀”的趨勢，即先是沿深度方向上變大，再變小，進而再變大又變小的規(guī)律。對于本文分析的兩根樁，在荷載小于640 kN時，側(cè)摩阻力沿著樁身深度逐漸變?。辉诤奢d大于640 kN時，側(cè)摩阻力則呈現(xiàn)波浪狀的變化規(guī)律。

樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度與樁土相對位移有關(guān)。在施加荷載較小時，樁土相對位移也沿樁長從上到下逐漸減小，樁長范圍內(nèi)側(cè)摩阻力沿樁身深度不斷變小，樁長范圍內(nèi)土層的側(cè)摩阻力均未達到極限狀態(tài)；隨著荷載的增加，樁土相對位移也不斷增大。隨著樁土相對位移的逐漸增大，上部土層的側(cè)摩阻力完全發(fā)揮，從而樁周土的側(cè)摩阻力得到較大發(fā)揮，因此產(chǎn)生上述側(cè)摩阻力的變化規(guī)律。

圖3抗拔樁樁身軸力曲線圖

圖4抗拔樁側(cè)摩阻力分布曲線圖

2.7樁斷面相對位移-側(cè)摩阻力曲線分析

樁側(cè)摩阻力-相對位移曲線反映的是樁土相對位移與樁側(cè)摩阻力之間的重要關(guān)系。圖5所示為2根試樁側(cè)摩阻力-相對位移曲線，曲線顯示出各層土側(cè)摩阻力發(fā)揮到極限所對應(yīng)的樁土相對位移的大小。圖5所示示曲線表明：0～5 m深度內(nèi)，樁土相對位移達到15 mm左右時，土層側(cè)摩阻力得到全部發(fā)揮；5 m～11 m范圍內(nèi)土層側(cè)摩阻力得到全部發(fā)揮，則相對位移需要達到28 mm；11 m～17.5 m范圍內(nèi)則需要50 mm左右；17.5 m～23 m范圍內(nèi)為25 mm；此后基本穩(wěn)定在20 mm～25 mm左右。

從以上分析可以看出，部分土層發(fā)揮極限側(cè)摩阻力所需的相對位移較大。在實際應(yīng)用中，由于樁頂位移不能超過一定數(shù)值，樁土相對位移不能滿足側(cè)摩阻力全部發(fā)揮所需要的值，因此，樁的側(cè)摩阻力很多情況下不能全部發(fā)揮。

3　結(jié)　語

本文通過現(xiàn)場足尺試驗，分別對抗拔樁樁頂位移、樁底位移、樁身軸力分布、側(cè)摩阻力分布以及側(cè)摩阻力和樁土相對位移的關(guān)系等進行了分析?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

(1)在試驗開始施加荷載時，樁頂和樁底均可檢測到位移，在同一級荷載下樁頂和樁底位移差即為樁身變形量；且樁身變形隨著荷載的增加而增加。但當樁體出現(xiàn)較多裂縫趨于破壞時，變形保持穩(wěn)定。

(2)在施加荷載較小時，樁土相對位移也沿樁長從上到下逐漸減??；在實驗加載不斷增加的同時,樁土的相對位移也逐漸變大。在相對位移逐步增加的過程中，上部土體的側(cè)摩阻力也不斷發(fā)揮,最后達到最大值。

圖5抗拔樁側(cè)摩阻力-斷面相對位移曲線圖

(3)通過樁土相對位移-側(cè)摩阻力曲線可以得到樁周不同土層土體側(cè)摩阻力完全發(fā)揮所需的樁土相對位移。

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ExperimentalResearchofFieldTestsonUpliftBehaviorofPilesinSoftSoilArea

CHEN Shang-rong

(ShanghaiGeological&MineralEngineeringInvestigationCo.,Ltd.,Shanghai200072,China)

Abstract：The uplift pile has been widely used in engineering projects,but its bearing mechanism is not well known up to now.To study the uplift behavior and deformation characteristics of the piles,the full-scale field tests on single uplift pile with uniform cross-section were performed.The tests included the displacement of top and bottom of the uplift pile,distribution of axial force of the pile,distribution of side friction as well as the relationship between friction and relative displacement between the pile and soil.The result showed that displacement occurred at the top and bottom of the uplift pile under the upper load,the side friction resistance of lower part of the pile body gradually came into play with the increasing of the upper load;but due to the gradual decrease of the load in the transfer process,the axial force of lower part of the pile body as well as the pile-soil relative displacement were small,which prevented the side friction of pile from performing its full potential.Meanwhile,the required relative displacement for the maximum side friction resistance of the soil surrounding the pile could be deduced from the curves of pile-soil relative displacement and side friction resistance.The tests results are advantageous to the engineering design and relative research of similar projects.

Keywords：uplift pile;behavior of uplift resistance;full-scale test

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.038

中圖分類號：TU473.1+1

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0188—05

作者簡介：陳尚榮(1982—)，男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事基坑工程設(shè)計研究工作。

收稿日期：2014-08-03修稿日期：2014-09-27