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        上海某工程擴(kuò)底鉆孔灌注樁抗拔樁身軸力測(cè)試淺析

        2014-09-27 07:22:38湯永軍
        城市道橋與防洪 2014年7期
        關(guān)鍵詞:抗拔軸力軟土

        湯永軍

        (上海中測(cè)行工程檢測(cè)咨詢有限公司,上海市 200438)

        0 前言

        上海地基土廣泛分布深度達(dá)120m的第四紀(jì)沉積土,主要由粘性土、砂性、粉性土組成,對(duì)于深基礎(chǔ),基礎(chǔ)抗浮主要利用抗拔樁錨固??拱螛哆^(guò)去主要靠增加樁長(zhǎng)、樁徑以提高抗拔承載力,近年來(lái),擴(kuò)底鉆孔灌注樁由于其抗拔承載力大且樁長(zhǎng)可縮短,樁數(shù)可減少而廣泛運(yùn)用。目前,抗拔樁身軸力測(cè)試相對(duì)抗壓樁身軸力測(cè)試做得較少,本文通過(guò)上海某工程的抗拔樁身軸力測(cè)試,分析了抗拔軸力測(cè)試方法不同于抗壓軸力測(cè)試的特點(diǎn),為抗拔樁身軸力測(cè)試積累方法經(jīng)驗(yàn),同時(shí),淺析了上海軟土地區(qū)擴(kuò)底鉆孔灌注樁的承載性狀。

        1 工程概況

        上海某工程擴(kuò)底鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)直徑為850mm,擴(kuò)底直徑1 500 mm,擴(kuò)底部分高2 m,試樁樁長(zhǎng)46 m,樁端進(jìn)入⑧1層5 m左右,主筋為38Ф32,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)水下C35。該工程擴(kuò)底鉆孔灌注樁選取3根試樁進(jìn)行抗拔靜載荷試驗(yàn)及樁身軸力測(cè)試,根據(jù)地質(zhì)情況,最大加載量為6 110 kN。地層分布見(jiàn)表1所列。

        表1 地質(zhì)情況匯總表

        2 抗拔靜載荷試驗(yàn)及軸力測(cè)試

        2.1 試樁抗拔靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

        該項(xiàng)試驗(yàn)的3根試樁均達(dá)到最大加載量且樁頂上拔量達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),終止加荷。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所列。

        表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

        2.2 抗拔試驗(yàn)軸力測(cè)試

        2.2.1 與抗壓軸力測(cè)試計(jì)算理論的異同

        對(duì)于抗壓試驗(yàn)的樁身軸力測(cè)試,一般會(huì)在樁頂下不小于1倍樁徑處設(shè)標(biāo)定斷面,在基礎(chǔ)底標(biāo)高、土層變化界面等焊接振弦式應(yīng)力(應(yīng)變)計(jì)(每個(gè)斷面不少于3個(gè))。樁頂荷載作用在混凝土上,通過(guò)混凝土與鋼筋的變形協(xié)調(diào),量測(cè)斷面應(yīng)力(應(yīng)變),再根據(jù)標(biāo)定斷面的截面彈性模量,計(jì)算斷面軸力[1]。軟土地區(qū)正常施工鉆孔灌注樁樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般遠(yuǎn)大于土的支撐力,所以在以土支撐力為控制荷載的情況下,混凝土不會(huì)壓裂,混凝土與鋼筋保持良好的變形協(xié)調(diào)。

        對(duì)于抗拔試驗(yàn)的軸力測(cè)試,樁頂拉拔力作用在鋼筋上,鋼筋將拉力通過(guò)混凝土傳遞到樁側(cè)土?;炷恋目估阅苓h(yuǎn)比抗壓性能差,非線性變形特征明顯。在小變形以下(本次試驗(yàn)100με左右),EC變化相對(duì)較小,近似認(rèn)為混凝土應(yīng)力與應(yīng)變是線彈性的,此時(shí)混凝土與鋼筋之間為協(xié)調(diào)變形;當(dāng)荷載增大,拉應(yīng)變隨之增大,拉應(yīng)變超過(guò)峰值應(yīng)變后,混凝土開(kāi)裂,實(shí)測(cè)的應(yīng)變值發(fā)生突變,混凝土與鋼筋非協(xié)調(diào)變形。開(kāi)裂后的狀態(tài)比較復(fù)雜,不能用以上方法簡(jiǎn)單計(jì)算軸力,實(shí)際測(cè)試中,由于混凝土開(kāi)裂是隨荷載增大沿樁身自上而下延伸的,可用樁頂荷載與未開(kāi)裂斷面軸力差,計(jì)算未開(kāi)裂面以上段平均摩阻力。

        上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范估算擴(kuò)底抗拔樁承載力設(shè)計(jì)值時(shí)假設(shè)剪切破壞面為兩個(gè)剪切直徑的圓柱面,即樁底擴(kuò)大頭頂端以上8D(D為擴(kuò)底直徑);剪切面直徑為D,此范圍以上剪切面直徑為d(未擴(kuò)樁徑)[2]。基于此,該項(xiàng)試驗(yàn)計(jì)算分段平均摩阻力時(shí),32m以上取實(shí)測(cè)樁徑,32~44m取直徑1 500mm。

        2.2.2 軸力測(cè)試斷面的確定

        該項(xiàng)試驗(yàn)軸力測(cè)試斷面設(shè)置為樁頂下深度:0.5 m(標(biāo)定斷面)、16.3 m(基礎(chǔ)底標(biāo)高處)、23.8 m、32 m、36.5 m、41 m、44.1 m(擴(kuò)大頭頂部位置,可了解擴(kuò)大頭端阻力)。通過(guò)該項(xiàng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)標(biāo)定斷面設(shè)在樁頂下存在以下問(wèn)題:

        (1)淺部拉力大,在配筋率較小、混凝土淺部不密實(shí)的情況下,混凝土容易較早開(kāi)裂,起不到標(biāo)定的作用。該工程配筋率較高,對(duì)于引長(zhǎng)至地面的超灌部分嚴(yán)格控制混凝土質(zhì)量,在2 350 kN~3 760 kN荷載下,標(biāo)定斷面開(kāi)裂。

        (2)施工時(shí)淺部鋼筋籠不一定保證豎直向上,以及測(cè)試時(shí)鋼筋的斜拉都會(huì)導(dǎo)致鋼筋偏心受拉,混凝土易開(kāi)裂,同時(shí)標(biāo)定斷面所測(cè)應(yīng)力(應(yīng)變)不均衡,建議標(biāo)定斷面至少要4個(gè)以上應(yīng)力(應(yīng)變)計(jì),且保證完好,減少誤差。

        基于以上,建議標(biāo)定斷面在可能的情況下盡量深埋,對(duì)于深基礎(chǔ)可取基礎(chǔ)底標(biāo)高處,底標(biāo)高以上樁身用內(nèi)外鋼護(hù)筒包裹與樁側(cè)土隔離。

        2.2.3 樁身軸力測(cè)試結(jié)果

        3根試樁測(cè)試結(jié)果基本類(lèi)似,基于篇幅,取其中的1號(hào)樁其結(jié)果見(jiàn)表3~表5所列及圖1所示。

        表3 1號(hào)樁各級(jí)荷載下截面應(yīng)變值一覽表

        表4 1號(hào)樁各級(jí)荷載作用下各截面軸力一覽表

        表5 1號(hào)樁各級(jí)荷載下樁側(cè)摩阻力一覽表

        圖1 1號(hào)樁各級(jí)荷載下樁身軸力圖

        3 承載性狀分析

        從以上試驗(yàn),得出以下分析結(jié)果:

        (1)隨著樁頂荷載的增大,樁側(cè)摩阻力總體表現(xiàn)由上而下逐漸發(fā)揮作用,樁身軸力沿樁身逐漸減少。但是,在軟土地區(qū)中高壓縮性互層的情況下,摩阻力的發(fā)揮需較大的樁土相對(duì)位移,上層軟土在小樁土相對(duì)位移下所作用于樁身的摩阻力較小,軸力傳至下層土,導(dǎo)致下層土在上層軟土摩阻力未達(dá)到極限之前就已開(kāi)始作用;當(dāng)樁頂荷載增大,相對(duì)位移增大,上層土摩阻力得以逐漸發(fā)揮,此時(shí),下層土摩阻力增加緩慢。軟土地區(qū)這種摩阻力作用、軸力傳遞方式,引起了樁端阻力較早開(kāi)始作用,但前期增加緩慢,直到加載后期中上部土層摩阻力充分作用后才迅速提高。樁底擴(kuò)頸部分提高了樁端阻力,起到了“嵌固”的作用,保證了樁身中上部樁側(cè)阻力的持續(xù),穩(wěn)定發(fā)揮。

        (2)對(duì)比表5樁側(cè)摩阻力實(shí)測(cè)值,32 m以上土層摩阻力明顯偏高,對(duì)其分析解釋如下:軟土地區(qū)等截面抗拔樁破環(huán)形態(tài)為沿樁土界面形成的圓柱型剪切破環(huán)面,而對(duì)于擴(kuò)底樁,剪切破壞面形狀復(fù)雜。經(jīng)研究,上海軟土地區(qū)擴(kuò)大頭擴(kuò)展角較小,隨著樁頂位移的增大,擴(kuò)大頭牽動(dòng)的土體運(yùn)動(dòng)的范圍約為擴(kuò)底直徑的3倍,塑性區(qū)由擴(kuò)大頭頂端逐步向四周擴(kuò)展,最后形成半個(gè)橢圓型[3]。樁身中上部土體由于擴(kuò)大頭及牽動(dòng)土體的擠壓,相對(duì)于等截面樁更有效地?cái)D壓上層土,在被動(dòng)土壓力作用下,上層土剪切強(qiáng)度提高[4],剪切破壞面不會(huì)是沿樁土界面,剪切面直徑應(yīng)比樁徑大得多。該項(xiàng)試驗(yàn)按規(guī)范32 m以上取實(shí)測(cè)樁徑計(jì)算側(cè)表面積偏小,導(dǎo)致摩阻力明顯偏大。規(guī)范未考慮8D以上的擴(kuò)徑影響,具有一定的安全儲(chǔ)備。

        (3)該項(xiàng)試驗(yàn)1號(hào)樁加載至6 110k N時(shí),樁頂上拔量17.85 mm,回彈率68.18%,樁頂位移以樁身彈性位移為主,下層土的摩阻力剛進(jìn)入顯著提高階段,擴(kuò)大頭端阻力分擔(dān)比例為3.16%,試樁還有一定的承載空間。隨著荷載繼續(xù)增大,上拔位移增加,下部土層摩阻力得以充分發(fā)揮,承載能力向樁端擴(kuò)大頭端阻力轉(zhuǎn)移,荷載增量由端阻力承擔(dān),端阻力達(dá)到極限時(shí),擴(kuò)底樁達(dá)到極限狀態(tài)。上海地區(qū)擴(kuò)大頭端阻力在承載力極限狀態(tài)時(shí)分擔(dān)比例能達(dá)到20%[5],但需要很大的上拔位移,因此,對(duì)于細(xì)長(zhǎng)擴(kuò)底灌注樁抗拔極限承載力應(yīng)以樁頂位移控制,同時(shí)考慮樁身抗裂要求。

        4 結(jié)論

        (1)混凝土的抗拉性能遠(yuǎn)比抗壓性能差,拉應(yīng)變超過(guò)峰值應(yīng)變時(shí)開(kāi)裂,此時(shí)不能用鋼筋與混凝土的變形協(xié)調(diào)計(jì)算軸力,可用樁頂荷載與未開(kāi)裂斷面軸力差,計(jì)算未開(kāi)裂面以上段平均摩阻力。

        (2)擴(kuò)底抗拔樁剪切破壞面不同于等截面樁,計(jì)算平均摩阻力時(shí)的剪切直徑可參照規(guī)范的假定,具有可比性。該項(xiàng)測(cè)試按上海地基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定樁底擴(kuò)大頭頂端以上8D(D為擴(kuò)底直徑),以下范圍剪切面直徑為D,此范圍以上剪切面直徑為實(shí)測(cè)樁徑。

        (3)抗拔測(cè)試標(biāo)定斷面設(shè)在樁頂下,由于淺部拉力大,以及施工、測(cè)試的原因,淺部標(biāo)定面易過(guò)早開(kāi)裂,建議標(biāo)定斷面在可能的情況下盡量深埋,標(biāo)定面以上樁身用內(nèi)外鋼護(hù)筒包裹與樁側(cè)土隔離,且至少要4個(gè)以上應(yīng)力(應(yīng)變)計(jì),保證完好,減少誤差。

        (4)樁側(cè)摩阻力總體表現(xiàn)由上而下逐漸發(fā)揮作用,上層軟土在小樁土相對(duì)位移時(shí)摩阻力小,軸力傳至下層土,導(dǎo)致下層土在上層軟土摩阻力未達(dá)到極限之前就已開(kāi)始作用。這種傳遞方式,引起了樁端阻力較早開(kāi)始作用,樁底擴(kuò)頸部分提高了樁端阻力,起到了“嵌固”的作用,保證了樁側(cè)阻力的持續(xù),穩(wěn)定發(fā)揮。

        (5)樁身中上部土體由于擴(kuò)大頭及牽動(dòng)土體的擠壓,剪切面直徑應(yīng)比樁徑大得多。按上海地基基礎(chǔ)規(guī)范,8D以上范圍取實(shí)測(cè)樁徑計(jì)算得到的平均摩阻力明顯偏高。規(guī)范未考慮8D以上的擴(kuò)徑影響,具有一定的安全儲(chǔ)備。

        (6)擴(kuò)底鉆孔灌注樁側(cè)摩阻力得以充分發(fā)揮后,承載能力向樁端擴(kuò)大頭端阻力轉(zhuǎn)移,還有一定的承載空間,但端阻力充分作用需要很大的上拔位移,因此,對(duì)于細(xì)長(zhǎng)擴(kuò)底灌注樁抗拔極限承載力應(yīng)以樁頂位移控制,同時(shí)考慮樁身抗裂要求。

        [1]JGJ106-2003,建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

        [2]DGJ08-11-2010,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [3]吳江斌,王衛(wèi)東,黃紹銘.等截面樁與擴(kuò)底樁抗拔承載特性數(shù)值分析研究[J].巖土力學(xué),2008,29(9):2583-2588.

        [4]張棟梁,楊龍才,王炳龍.擴(kuò)底抗拔樁試驗(yàn)分析與抗拔承載力計(jì)算方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(5):775-780.

        [5]張棟梁,張書(shū)葵,臧延偉.擴(kuò)底抗拔樁抗拔機(jī)理研究[J].鐵道建筑,2006(6):53-55.

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