削扩支盘桩承载力的抗拔测试研究
时间：2022-12-07 22:25:01 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李 千，李命成，李庶林*，牛帅星
(1.厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005；
2.中国建材检验认证集团厦门宏业有限公司，福建 厦门 361009)
建筑基础抗浮是土建工程中的一个难题，抗拔桩是工程中应用得最广泛的一种基础抗浮技术手段.多年来，国内外学者一直致力于开展相关的理论研究工作.Dickin等[1]采用离心机试验研究了扩大头几何形状对抗拔承载力的影响，给出了扩底抗拔桩承载力的经验设计方法；
Naggar等[2]通过模型试验，研究了锥形抗拔桩的承载力特性；
Ilamparuthi等[3]对土工隔栅加固的沙土模型扩底抗拔桩的承载性状进行研究，提出了估算抗拔桩承载力的经验方法，建立了上拔荷载和上拔位移间的非线性双曲线模型；
Shanker等[4]研究了单桩的抗拔性能及其预测方法等.何思明[5]分析了抗拔桩的破坏特点，提出了一种极值原理的抗拔桩极限承载力计算方法；
钱德玲[6]分析了挤扩支盘桩的抗拔力计算方法并据此进行了工程案例分析；
许亮等[7]在现场足尺桩试验结果的基础上，提出了扩底支盘桩承载力的圆柱面剪切法和扩大系数法的计算方法;吴春秋等[8]对扩底抗拔桩和桩侧压浆等截面抗拔桩两种不同抗拔桩型的承载力性状进行了分析,研究了两种不同桩型的荷载传递规律和承载力提高机理.刘文白等[9]还针对扩底桩的抗拔力在试验基础上开展了抗拔力的数值模拟研究.
在确定抗拔力学性能方面其室内模拟试验和理论计算还很不完善，目前对于抗拔桩设计中的理论依据不足，基本还是以经验设计为主[10-11].因此，在超高层建筑的深基坑基础工程、大型地下结构工程的抗浮设计中，大多还是对桩的抗拔性能做直接的、足尺现场抽样(或试验)测试，该方法还是在技术上唯一可靠的、也是必不可少的重要技术手段.本文以厦门英蓝国际金融中心工程为背景，结合现场等截面旋挖灌注桩的抗拔承载力测试，修改不能满足设计条件的等截面桩为削扩支盘桩，对削扩支盘桩的承载力进行理论计算和足尺度抗拔承载力与变形进行测试，以验证修改设计的实际效果.
厦门英蓝国际金融中心工程项目位于厦门市湖里区，总建筑面积约50万m2，其中地上约33万m2， 地下约17万m2，主要包括塔楼、裙房和地下室，其中地下室4层，埋深约18 m.本工程采用平板式桩筏基础，设计基础采用等直径(截面)旋挖钻孔灌注桩.所触及的地层岩土体主要为杂填土、淤泥混砂、粉质黏土、粗砂、残积黏性土，以及下部的风化花岗岩层，各地层分布情况自上而下主要描述如表1所示[12].
表1 地层分布情况表
2.1 测试桩的设计参数
设计等截面旋挖钻孔灌注桩单桩竖向测试抗拔极限承载能力必须达到3 400 kN.为保证设计参数的准确性和可靠性，在基坑开挖完成后对先施工的试验抗拔桩进行单桩竖向抗拔静载试验.本文选取编号为C705#、C774#、C776#的3根试验桩的数据进行分析，桩径均为800 mm，检测的试桩有关参数和待测试荷载见表2.
表2 待测试桩有关参数
2.2 测试方法与测试结果分析
抗拔桩的测试装置、具体测试过程控制、测试数据记录等细节可参见《建筑基桩检测技术规范》[13].
3根测试桩的最大试验荷载和对应于最大试验荷载时的桩顶上拔量(变形)如表3所示；
测试的全过程的U-δ曲线和逐级加载的δ-lgt曲线见图1所示.从表3和图1中明显看出，3根抗拔试验桩的检测极限承载力分别只有2 040 kN和1 700 kN，均远未能达到原设计预期的极限荷载3 400 kN的要求.
图1 各试桩静载试验曲线Fig.1 Static load test curves of each test pile
表3 各试桩静载试验结果
3.1 抗拔桩设计改进
为解决上述等截面桩的承载力不能满足设计要求的问题，改进设计提出采用削扩支盘桩方案，即在桩底及其上6 m处各增加一个支盘，直径1 400 mm，如图2所示，设计混凝土强度等级为C30，单桩竖向抗拔极限承载力值为3 400 kN.
图2 带两个支盘的削扩支盘桩(单位：mm)Fig.2 Pile body with two branches (unit:mm)
3.2 削扩支盘桩抗拔承载力分析
3.2.1 抗拔桩承载力的计算方法
根据前述等截面桩实测结果分析，得出桩的侧向平均摩阻力调整系数，然后再利用这个调整系数对修改设计的削扩支盘桩的承载力进行预估.这里采用文献[14]中的计算方法进行计算：
Uu=u∑λiqsiLi+∑ηqpjApj.
(1)
其中，Uu代表单桩竖向抗拔极限承载力标准值(kN)；
u为主桩桩干周长(m)；
λi为桩周第i层土的抗拔系数；
qsi为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值(kPa)；
Li为当第i层土内设置承力盘后，桩穿过该层土折减盘高的有效厚度(m)；
η为盘底土层极限端阻力标准值的修正系数；
qpj为第j个盘处土层的极限端阻力标准值(kPa)；
Apj为第j盘扣除桩身截面积的盘投影面积(m2).
3.2.2 等截面桩抗拔承载力计算
在式(1)中，当Apj=0时，公式右边的第二项即为零，这时即可用以计算等截面桩的抗拔极限承载力.根据前述等截面桩的测试结果，采用本工程地勘报告中提供的岩土设计参数进行分析计算，其中桩侧摩阻力标准值取下限值，其相关参数和分析计算结果如表4所示.
从表4中看出，对C705#、C774#两根测试桩理论计算的桩侧摩阻力参数乘以调整系数0.65，对C776#测试桩理论计算的侧摩阻力参数乘以调整系数0.54，就能得出理论计算值刚好跟试验实测的抗拔极限承载力相吻合.桩侧摩阻力调整系数可取3根桩各自调整系数的平均值，即得0.61.
表4 等直径普通抗拔桩承载力计算
3.2.3 削扩支盘桩承载力预估
本文选用3根待测试的削扩支盘桩编号分别为C802#、C836#及C847#，相关几何参数和地勘提供计算参数见表5，对应土层的抗拔系数λi的取值见表4.将侧摩阻力标准值的下限值乘以调整系数0.61，然后采用公式(1)计算得到的削扩支盘桩的承载力结果见表5.由此可见，理论计算得到的削扩支盘桩单桩抗拔承载力都超过了5 000 kN，远大于设计要求值3 400 kN，这也从理论上说明采用改进设计的削扩支盘桩方案是可行的.
表5 削扩支盘桩抗拔承载力计算
本次竖向抗拔极限承载力测试的3根桩编号为C802#、C836#和C847#，测试原理和方法与前述等截面桩的完全相同，检测结果见表6，对应检测试验过程的U-δ曲线和δ-lgt曲线详见图3.由图3看出，当测试上拔力达到3 400 kN时，各试验桩都未达到极限荷载状态，桩顶最大上拔量也远未超过100 mm，且各试桩并无任何破损异常之处.仅就削扩支盘桩的最大测试荷载与等截面桩的极限抗拔荷载相比，其值都分别提高了67%和110%，这说明削扩支盘桩较等直径的旋挖灌注桩能大幅度地提高单桩竖向抗拔承载力.
表6 试桩参数和检测结果
图3 各试桩静载试验曲线Fig.3 Static uplift test curves of piles
从图3中看出，3根桩顶的最大位移值有较大差别，其中C836#的没有超过15 mm，说明其效果最好；
而另外两根桩的最大位移值都超过39 mm，稍有偏大，这应该是测试桩灌注过程产生的施工差异.
本文通过对等截面桩和削扩支盘桩的足尺现场测试与分析，得到如下主要结论：
1) 由等截面桩的抗拔测试和理论计算，得出该工程中桩侧摩阻力调整系数值为0.61，即桩侧摩阻力取地勘报告提供的下限值的0.61倍是比较符合工程实际的取值.
2) 依据本文确定的桩侧摩阻力的调整系数0.61，预估改进设计的削扩支盘桩单桩竖向抗拔承载力能满足设计要求，并通过现场足尺度竖向抗拔试验验证桩的实际抗拔力大于设计要求的3 400 kN.
3) 本文的分析方法和确定的侧摩阻力系数调整值0.61是适合该工程实际的，可为本地区的相关工程提供参考.
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