楊旺興

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)公司,北京 101100)

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大直徑嵌巖抗拔樁承載性能及反演分析

楊旺興

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)公司,北京 101100)

摘要：為了研究大直徑嵌巖抗拔樁的承載性能，采用慢速維持荷載試驗(yàn)法和反演分析的方法對(duì)其展開試驗(yàn)、研究，試驗(yàn)、反演結(jié)果表明：含礫砂巖中樁長(zhǎng)8.0 m、樁徑1.2 m的嵌巖挖孔樁，其豎向抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)3 750 kN，樁頂最大位移僅為8.53 mm；抗拔樁的荷載傳遞函數(shù)為S=0.026f/(1-8.0f)；倒圓錐體破壞模式下圓錐面切線與豎直方向夾角θ僅與樁長(zhǎng)L和樁徑d有關(guān)?？梢姶笾睆娇拱味虡兜目拱涡阅茌^好，其荷載傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單，破壞模式為倒圓錐體破壞。

關(guān)鍵詞：大直徑樁；嵌巖抗拔樁；承載性能；反演分析

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通惠州客運(yùn)北站位于惠州市火車站及城北汽車客運(yùn)站處，沿惠州大道路中設(shè)置，車站結(jié)構(gòu)為地下二層，采用明挖法施工，車站長(zhǎng)度為307.5 m，寬47.8～49.1 m，深約21.0～22.0 m?？垢≡O(shè)計(jì)水位按100 a一遇洪水位設(shè)計(jì)，車站面積較大，采用底板下設(shè)置抗拔樁的方式進(jìn)行抗浮?？拱螛稘M堂布設(shè)，間排距為4.17 m、11.20 m，共236根。樁長(zhǎng)8.0 m，樁徑1.2 m，置于強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化含礫砂巖中。

抗拔樁施工在車站基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行，基坑大深度、大面積開挖引起了基坑坑底巖體卸荷回彈；同時(shí)抗拔樁采用人工挖孔成樁，孔壁側(cè)向出現(xiàn)了一定程度的松弛。上述不利因素降低了巖體的強(qiáng)度，影響了抗拔樁承載性能的發(fā)揮。因而有必要對(duì)大直徑抗拔樁性能進(jìn)行試驗(yàn)、反演分析，以合理設(shè)計(jì)該類型的抗拔樁，為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。

2 試樁方案

2.1 試驗(yàn)加載

采用慢速維持荷載法，每級(jí)試驗(yàn)加載量為最大試驗(yàn)荷載的十分之一，最大試驗(yàn)荷載為3 750 kN(設(shè)計(jì)承載力標(biāo)準(zhǔn)值3 681.7 kN)，3 000 kN內(nèi)每級(jí)試驗(yàn)加載量為375 kN，第1級(jí)荷載為試驗(yàn)加載量2倍，即750 kN，3 000～3 750 kN內(nèi)每級(jí)試驗(yàn)加載量為100 kN。

每級(jí)荷載試驗(yàn)的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為在荷載持續(xù)作用下，每60 min內(nèi)樁的上拔位移量連續(xù)兩次均小于0.1 mm。

測(cè)讀試驗(yàn)數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間為：第1次讀數(shù)為加載后5 min，之后是每隔15 min測(cè)讀一次，累計(jì)60 min后每隔30 min讀一次。

2.2 試驗(yàn)卸載

加載試驗(yàn)達(dá)到預(yù)定值后，進(jìn)行卸載試驗(yàn)，測(cè)試卸載過程中樁的回彈情況，卸載按五級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量為加載量的2倍，即750 kN，每級(jí)荷載維持60 min，分別在卸載后的第5 min、15 min、30 min、60 min測(cè)讀數(shù)據(jù)；當(dāng)卸載至零荷載后，維持試驗(yàn)180 min并繼續(xù)測(cè)讀數(shù)據(jù)，測(cè)讀時(shí)間分別為第5 min、15 min、30 min，之后則每隔30 min測(cè)讀一次。

2.3 終止加載條件

試驗(yàn)出現(xiàn)下列任一情況時(shí)，終止增加荷載： ①在荷載持續(xù)作用下，樁頂位移量達(dá)到了上級(jí)荷載的5倍。②樁頂累計(jì)位移量超過100 mm。③樁頂試驗(yàn)荷載達(dá)到了鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的0.9倍。④試驗(yàn)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)對(duì)2根樁進(jìn)行了抗拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果(見表1)如下：

1號(hào)試樁樁頂最大位移量為7.42 mm，最大回彈量為2.90 mm，回彈率為39.1%；不可恢復(fù)位移為4.52 mm，占總位移量的60.9%。

2號(hào)試樁樁頂最大位移量為8.53 mm，最大回彈量為3.09 mm，回彈率為36.2%；不可恢復(fù)位移為5.44 mm，占總位移量的63.8%。

表1 試樁抗拔靜載試驗(yàn)成果表

抗拔樁荷載—位移(U—δ)曲線總體呈拋物線狀(圖1、圖2)，與抗壓摩擦樁相似。同時(shí)由表1和圖1、圖2可見，前3級(jí)荷載作用下，抗拔樁的(U—δ)曲線近似呈線性，抗拔樁處于彈性變形階段；第4級(jí)荷載開始，抗拔樁的(U—δ)曲線曲率明顯加大，且增大速率亦在加大，說明抗拔樁處于以塑性變形為主的階段?？梢姌兜呢Q向抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為3 750 kN。但兩根樁的卸荷回彈曲線均十分接近于線性，可以認(rèn)為卸荷階段的變形主要是樁身混凝土本身的彈性變形。

圖1　1號(hào)試樁抗拔力與樁頂位移曲線圖

4 反演分析

4.1 荷載傳遞函數(shù)反演分析

圖2 2號(hào)試樁抗拔力與樁頂位移曲線圖

抗拔樁載荷試驗(yàn)曲線為非線性變形曲線，包括彈性變形階段和非彈性變形階段，彈性階段一般很短(本次試驗(yàn)的前3級(jí)荷載下)，是樁土之間并沒有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的階段；非彈性變形階段是樁頂位移大于土體的屈服位移，土體出現(xiàn)了塑性區(qū)域。

彈性變形條件下，樁的抗拔承載力為：

(1)

式中：d為樁徑；L為樁長(zhǎng)。

由試樁結(jié)果可得彈性階段樁周剪切摩阻力為：τ=Pu/πdL=49.8 kPa。

第3級(jí)荷載作用下，樁頂位移應(yīng)變平均值為1.07，則此時(shí)樁土間剪切模量為：G=τ/δ=49.8 kPa/1.07=46.5 kPa。

在抗拔樁沒有破壞的情況下，根據(jù)Gardner理論，荷載傳遞函數(shù)可表述為[1]：

(2)

式中：a、b為雙曲線參數(shù)；f為樁側(cè)摩阻力；S為樁土相對(duì)位移。

對(duì)公式(2)的不同變化形式取極限則有[1]：

式中：fmax為抗拔樁側(cè)極限摩阻力，單位為N/mm2。對(duì)于本次試驗(yàn)，fmax=Umax/πdL=0.124 4 N/mm2，故b=8.0。Kst為樁土間初始剪切剛度，據(jù)Randolph等人的研究[2，3]，有：

(3)

式中：dm為樁抗拔試驗(yàn)時(shí)樁體對(duì)周邊地層的影響范圍平均值；d為抗拔樁直徑。

樁土間變形處于彈性階段時(shí)，dm≈2.7d,此時(shí)：Kst=G/d=46.5 kPa/1.2 m=38.8 kN/m3，故a=0.026。由此可得抗拔樁的荷載傳遞函數(shù)為：

(4)

4.2 破裂角反演分析

當(dāng)樁短粗時(shí)，樁軸向伸長(zhǎng)量很小，樁身上部、下部的樁土間相對(duì)位移相差很小，樁側(cè)的摩阻力可同時(shí)調(diào)動(dòng)起來。在較小的樁頂位移下，樁就達(dá)到了其極限承載力[2]。本次試驗(yàn)的樁長(zhǎng)僅8.0 m，而樁徑為1.2 m，為典型的短粗樁，其荷載傳遞規(guī)律與上述情況完全一致。

一般而言，樁身某處樁土相對(duì)位移達(dá)到6～10 mm時(shí)，側(cè)摩阻力就達(dá)到了其極限值[3]。

對(duì)抗拔樁而言，其破壞形態(tài)大致有三類[1,4]：①樁土接觸界面的剪破；②與樁長(zhǎng)等高倒圓錐體剪破；③復(fù)合剪切面剪破。一般情況下，樁周巖體為軟巖的短粗灌注樁會(huì)發(fā)生倒錐體破壞。本次試驗(yàn)的情況完全符合上述條件，因而其破壞形態(tài)為倒錐體破壞。

倒圓錐體破壞模型假設(shè)滑移破壞面為一倒錐圓臺(tái)，且圓錐面切線與豎直方向夾角θ，倒圓錐臺(tái)破壞模型下樁的極限承載力有以下2種表達(dá)形式[3,5]：

(5)

(6)

式中：

整理得：

(7)

式中：L為樁長(zhǎng)；γ為巖體重度；d為樁徑。

將公式(5)代入公式(6)消去相關(guān)項(xiàng)后可得：

(8)

將公式(7)代入公式(8)，最終可得到θ與L、d的函數(shù)關(guān)系。說明了倒圓錐體破壞模式下，圓錐面切線與豎直方向夾角受樁長(zhǎng)與樁徑共同控制。

5 結(jié)論

(1)含礫砂巖中樁長(zhǎng)8.0 m、樁徑1.2 m的嵌巖挖孔樁，其豎向抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)3 750 kN；試樁的最大位移為8.53 mm，最大回彈量為3.09 mm，最大回彈率為39.1%。

(2)反演分析得抗拔樁的荷載傳遞函數(shù)為S=0.026f/(1-8.0f)。

(3)反演分析發(fā)現(xiàn)，倒圓錐體破壞模式下，圓錐面切線與豎直方向夾角θ僅與樁長(zhǎng)L和樁徑d有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]羅 寧.等截面抗拔樁承載力和變形性狀研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013

[2]李海霞.嵌巖抗拔樁承載力特性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012

[3]何泓男，戴國(guó)亮，龔維明.等截面抗拔樁的極限承載力計(jì)算綜述[J].公路交通科技，2014，31(6)：63-68

[4]丁 明.抗拔樁承載和變形性狀研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008

[5]朱碧堂，楊 敏.抗拔樁的變形與極限承載力計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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

作者簡(jiǎn)介：楊旺興(1982—)，男，工程師，主要從事土木工程施工管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.010

中圖分類號(hào)：TU473.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0039-03