張 羽，鄧 凡，庾梓豪，陳 卓

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500)

0 引言

抗拔樁是一種常見(jiàn)的樁基礎(chǔ)形式，廣泛運(yùn)用于高水位的地下建筑物、輸電線路、海洋鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)中，來(lái)抵抗水的浮力或者其他上拉荷載［1-5］。按照樁的成型模式，抗拔樁可以大致分為鉆孔灌注抗拔樁、預(yù)制鋼筋混凝土抗拔樁、砌筑配筋抗拔樁［6］等。

萬(wàn)世明［7］對(duì)橋梁的錨樁開(kāi)展了高達(dá)2 000 t 的單樁抗拔靜載試驗(yàn)，但其為試驗(yàn)樁，且需提前在樁內(nèi)預(yù)埋4根鋼絞線錨柱，難以實(shí)用于工程樁的驗(yàn)收試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)如鄒東峰、鐘冬波［8］的專利提出了一些樁與反力架的新型連接裝置，但是對(duì)于樁徑2 m左右、抗拔極限承載力達(dá)2 000 t的大噸位抗拔樁，難以實(shí)現(xiàn)鋼筋不發(fā)生大幅度彎折條件下把60～80 根的長(zhǎng)縱筋穿至主梁頂部固定，不能很好滿足試驗(yàn)對(duì)加載連接裝置的技術(shù)要求。

基樁自平衡法雖然能實(shí)現(xiàn)大噸位單樁抗拔靜載試驗(yàn)，但因?yàn)槠浜奢d作用位置與樁的實(shí)際受力點(diǎn)不同，且還會(huì)引起樁身荷載作用位置的混凝土發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂，目前也只能對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行檢測(cè)，用于工程樁驗(yàn)收還未被業(yè)界認(rèn)可。例如劉杰等人［9］利用雙荷載箱自平衡法在北京某工程進(jìn)行了極限抗拔承載力為1 600 t的抗拔靜載試驗(yàn)，但試驗(yàn)中先后打開(kāi)上下荷載箱影響了試驗(yàn)結(jié)果等問(wèn)題未能有效解決。孫志賢［10］對(duì)大噸位基樁抗拔靜載試驗(yàn)的支墩地基處理技術(shù)、控制反力支座荷載對(duì)荷載及位移的測(cè)量影響量的實(shí)施技術(shù)等進(jìn)行探討。

這些年大噸位抗拔連接裝置出現(xiàn)了常采用預(yù)埋鋼筋與受力錨件焊接的形式，但是焊接工作量大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)焊接質(zhì)量要求較高。本文提出了一種方便簡(jiǎn)捷的大噸位灌注樁新型抗拔試驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)在樁帽內(nèi)預(yù)埋多排高強(qiáng)度螺紋鋼筋，反力裝置中采用雙層鋼板與鋼梁相互疊加，受力分析和實(shí)際工程證明能安全用于大噸位的灌注樁抗拔試驗(yàn)，該技術(shù)可為類似抗拔靜載試驗(yàn)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

本工程擬建物為多層～高層建筑，建筑物的工程重要性等級(jí)為一級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，屬丙類抗震設(shè)防建筑物，各巖土層參數(shù)如表1所示。

表1 各巖土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Main Physical and Mechanical Indicators of Each Rock and Soil Layer

1.2 試樁概況

本試樁屬于驗(yàn)收試驗(yàn)，樁徑1 600 mm，入土樁長(zhǎng)43.33 m，受力形式為端承摩擦型樁，設(shè)計(jì)為抗壓兼抗拔樁，單樁豎向抗壓承載力特征值20 000 kN，抗拔承載力特征值7 800 kN，采用C40 水下混凝土，主筋為40×40（HRB400），樁端持力層為微風(fēng)化灰?guī)r。由于在原地面并非在設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，因而考慮增加檢測(cè)標(biāo)高至設(shè)計(jì)標(biāo)高空樁段樁側(cè)摩阻力極限值4 500 kN，單樁抗拔靜載最大試驗(yàn)荷載=抗拔承載力特征值×2+空樁段樁側(cè)摩阻力極限值=7 800×2+4 500=20 100 kN。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)埋鋼筋計(jì)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 年版）：GB 50010—2010》［11］，普通受拉鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度應(yīng)按式⑴計(jì)算：

式中：lab為受拉鋼筋的基本錨固長(zhǎng)度（mm）；fy為普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于C60時(shí)，按C60取值；d為錨固鋼筋的直徑（mm）。

錨固鋼筋的外形系數(shù)如表2所示。

表2 錨固鋼筋的外形系數(shù)αTab.2 Shape Factors of Anchor Reinforcement α

受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)錨固條件按式⑵計(jì)算且不應(yīng)小于200 mm：

式中：la為受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度（mm）；ζa為錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)，對(duì)普通鋼筋按文獻(xiàn)［11］第8.3.2 條的規(guī)定取用，當(dāng)多于一項(xiàng)時(shí)，可按連乘計(jì)算，但不應(yīng)小于0.6。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)埋鋼筋在樁帽中的錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于1 660 mm。

本試驗(yàn)采用預(yù)埋?36 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼筋，型號(hào)為PSB930，本試驗(yàn)的最大荷載為20 100 kN。綜合考慮受力、安裝等因素，取鋼筋數(shù)量為10 根×3 排，鋼筋中心間距為170 mm，排間距為650 mm。

2.2 試驗(yàn)場(chǎng)地處理與樁帽制作

換填墊層處理：對(duì)樁兩側(cè)的場(chǎng)地進(jìn)行了6.0 m×6.0 m×2.5 m（長(zhǎng)×寬×深）區(qū)域的換填，自上而下分別為0.3 m 碎石夯實(shí)；1.9 m 塊石并加碎石級(jí)配，分層鋪填，逐層壓實(shí)；0.3 m碎石夯實(shí)。

在換填好的墊層上對(duì)稱倒置一層6.0 m×6.0 m×0.1 m 的C10 素混凝墊層，其上再倒置一層6.0 m×5.8 m×0.4 m 的鋼筋混凝土支承板，板內(nèi)設(shè)2 層鋼筋網(wǎng)，鋼筋規(guī)格為?22@200雙向。制作樁帽前應(yīng)將樁身上部浮漿鑿除，樁帽尺寸為2.6 m×2.6 m×2.5 m，在樁帽中預(yù)埋高強(qiáng)度螺紋鋼筋，鋼筋錨固深度應(yīng)滿足上文中的計(jì)算長(zhǎng)度。

2.3 試驗(yàn)反力裝置設(shè)計(jì)、安裝

左右支承板上對(duì)稱放置8 個(gè)千斤頂，千斤頂上的反力裝置在豎向從下往上依次為：4 根13 m 長(zhǎng)的主梁；2層×2塊尺寸1 710 mm×1 200 mm×50 mm（長(zhǎng)×寬×高）的鋼板（記為鋼板②）；3 塊雙拼鋼梁；2 層×3 塊尺寸1 710 mm×600 mm×50 mm（長(zhǎng)×寬×高）的鋼板（記為鋼板①）；3 排×10 個(gè)墊板。以上各部件由于自身打孔或者空心使預(yù)埋高強(qiáng)度螺紋鋼筋穿過(guò)，最后把螺母插入到各高強(qiáng)度螺紋鋼筋里擰緊在墊板表面。最終，裝置裝配如圖1所示。

圖1 裝配示意圖Fig.1 Assembly Diagram

對(duì)于不同樁徑大小、荷載的同類大噸位抗拔試驗(yàn)，只需按照以上過(guò)程調(diào)整預(yù)埋鋼筋類型、根數(shù)、間距、鋼板等。

3 數(shù)值分析

在之前的設(shè)計(jì)中，主梁上方設(shè)計(jì)為放置一層鋼板，試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了過(guò)大的彎曲變形，導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)開(kāi)展下去，因此提出了雙層鋼板②疊加雙拼鋼梁再疊加雙層鋼板①方案。下面將通過(guò)對(duì)裝置進(jìn)行有限元分析來(lái)分析改進(jìn)的方案是否合理。

考慮模型過(guò)大引起計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及精度等因素，分別取部分構(gòu)件建模分析。

3.1 模型1分析

由于對(duì)稱性，取一排的墊板、鋼板①、雙拼鋼梁建立模型1，如圖2?所示。各部件均為Q345鋼，材料屬性采用彈塑性模型，定義各部件之間法向方向?yàn)橛步佑|，切向方向定義為罰函數(shù)性質(zhì)，根據(jù)實(shí)際情況輸入摩擦系數(shù)。設(shè)置雙拼鋼板底部為固定約束，豎向均布荷載施加在墊板與螺母的接觸面。

圖2 施加荷載與添加邊界條件Fig.2 Applying Load and Adding Boundary Conditions

計(jì)算得到最大試驗(yàn)荷載下的Mises 應(yīng)力云圖和豎向變形云圖如圖3?、圖4?所示。

圖3 最大荷載下的Mises云圖Fig.3 Mises Cloud Map under Maximum Load （MPa）

圖4 最大荷載下的豎向變形云圖Fig.4 Vertical Deformation Cloud Map under Maximum Load （mm）

從圖3?、圖4?可以看出，當(dāng)試驗(yàn)施加20 100 kN抗拔豎向荷載時(shí)，模型1 中部件的最大Mises 應(yīng)力為331.6 MPa，發(fā)生在墊板與螺母的接觸面附近，小于345 MPa，未發(fā)生屈服，同時(shí)，最大豎向位移僅為9.44 mm，因此，模型1處于安全受力使用狀態(tài)。

3.2 模型2分析

由于對(duì)稱，取2根主梁和其上的鋼板②建立模型2。同上，各部件均為Q345 鋼，材料屬性采用彈塑性模型，定義各部件之間法向方向?yàn)橛步佑|，切向方向定義為罰函數(shù)性質(zhì)，根據(jù)實(shí)際情況輸入摩擦系數(shù)。設(shè)置主梁底部為鉸接約束，豎向均布荷載施加在鋼板②與雙拼鋼梁的接觸面，如圖2?所示。

計(jì)算得到模型2 最大試驗(yàn)荷載下的Mises 應(yīng)力云圖和豎向變形云圖如圖3?、圖4?所示。

從圖3?、圖4?可以得出，當(dāng)試驗(yàn)施加20 100 kN抗拔豎向荷載時(shí)，模型2 中部件的最大Mises 應(yīng)力為90.7 MPa，小于345 MPa，各部件未發(fā)生屈服，同時(shí)，最大豎向位移也僅為7.30 mm，因此，模型2 處于安全受力使用狀態(tài)。

對(duì)于不同樁徑、最大試驗(yàn)荷載的大噸位抗拔樁可參照以上方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

本抗拔試驗(yàn)采用《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-60—2019》［12］。安裝過(guò)程較之前采用焊接的方法簡(jiǎn)單方便，節(jié)省大量時(shí)間和工作量，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生鋼筋斷裂，鋼板、梁彎曲破壞或變形過(guò)大等異常情況。在樁頭上均勻布置4 個(gè)位移傳感器，測(cè)量各級(jí)荷載下樁的上拔位移，如圖5、圖6所示。

圖5 U-δ 曲線Fig.5 U-δ Curve

圖6 δ-lgt曲線Fig.6 δ-lgt Curve

由圖5、圖6可知，試驗(yàn)加載到20 100 kN時(shí)，總抗拔位移量為53.55 mm，位移量不大，U-δ曲線平緩，無(wú)明顯陡升段。綜合分析，該樁抗拔極限承載力≥20 100 kN，滿足設(shè)計(jì)抗拔驗(yàn)收檢測(cè)荷載要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采用新型大噸位抗拔裝置的單樁抗拔試驗(yàn)進(jìn)行研究，可以得出以下結(jié)論：

⑴本試驗(yàn)技術(shù)相比焊接方式具有方便安裝，通用性好的特點(diǎn)，只需調(diào)整預(yù)埋鋼筋類型、根數(shù)、間距、鋼板等即可實(shí)現(xiàn)同類型的大噸位抗拔試驗(yàn)。

⑵裝置的最大，Mises 應(yīng)力為331.6 MPa，小于屈服強(qiáng)度，同時(shí)最大豎向變形僅有9.44 mm，表明本文提出的一種新的大噸位抗拔裝置形式受力合理，正式試驗(yàn)時(shí)無(wú)異常情況發(fā)生表明裝置建立的有限元分析模型結(jié)果可靠，分析方法可供類似工程建模參考；

⑶模型結(jié)果顯示，裝置的受力最大位置處在墊板與螺母的接觸面，建議在以后的試驗(yàn)中應(yīng)對(duì)墊板適度加厚，以保證受力更加安全。