上海某工程扩底钻孔灌注桩抗拔桩身轴力测试浅析

2014-09-27汤永军

城市道桥与防洪 2014年7期

汤永军

(上海中测行工程检测咨询有限公司，上海市 200438）

0 前言

上海地基土广泛分布深度达120m的第四纪沉积土，主要由粘性土、砂性、粉性土组成，对于深基础，基础抗浮主要利用抗拔桩锚固。抗拔桩过去主要靠增加桩长、桩径以提高抗拔承载力，近年来，扩底钻孔灌注桩由于其抗拔承载力大且桩长可缩短，桩数可减少而广泛运用。目前，抗拔桩身轴力测试相对抗压桩身轴力测试做得较少，本文通过上海某工程的抗拔桩身轴力测试，分析了抗拔轴力测试方法不同于抗压轴力测试的特点，为抗拔桩身轴力测试积累方法经验，同时，浅析了上海软土地区扩底钻孔灌注桩的承载性状。

1 工程概况

上海某工程扩底钻孔灌注桩设计直径为850mm，扩底直径1 500 mm，扩底部分高2 m，试桩桩长46 m，桩端进入⑧1层5 m左右，主筋为38Ф32，桩身混凝土强度等级水下C35。该工程扩底钻孔灌注桩选取3根试桩进行抗拔静载荷试验及桩身轴力测试，根据地质情况，最大加载量为6 110 kN。地层分布见表1所列。

表1 地质情况汇总表

2 抗拔静载荷试验及轴力测试

2.1 试桩抗拔静载荷试验结果

该项试验的3根试桩均达到最大加载量且桩顶上拔量达到稳定标准，终止加荷。试验结果见表2所列。

表2 试验结果汇总表

2.2 抗拔试验轴力测试

2.2.1 与抗压轴力测试计算理论的异同

对于抗压试验的桩身轴力测试，一般会在桩顶下不小于1倍桩径处设标定断面，在基础底标高、土层变化界面等焊接振弦式应力（应变）计（每个断面不少于3个）。桩顶荷载作用在混凝土上，通过混凝土与钢筋的变形协调，量测断面应力（应变），再根据标定断面的截面弹性模量，计算断面轴力[1]。软土地区正常施工钻孔灌注桩桩身结构强度一般远大于土的支撑力，所以在以土支撑力为控制荷载的情况下，混凝土不会压裂，混凝土与钢筋保持良好的变形协调。

对于抗拔试验的轴力测试，桩顶拉拔力作用在钢筋上，钢筋将拉力通过混凝土传递到桩侧土。混凝土的抗拉性能远比抗压性能差，非线性变形特征明显。在小变形以下（本次试验100με左右），EC变化相对较小，近似认为混凝土应力与应变是线弹性的，此时混凝土与钢筋之间为协调变形；当荷载增大，拉应变随之增大，拉应变超过峰值应变后，混凝土开裂，实测的应变值发生突变，混凝土与钢筋非协调变形。开裂后的状态比较复杂，不能用以上方法简单计算轴力，实际测试中，由于混凝土开裂是随荷载增大沿桩身自上而下延伸的，可用桩顶荷载与未开裂断面轴力差，计算未开裂面以上段平均摩阻力。

上海市地基基础设计规范估算扩底抗拔桩承载力设计值时假设剪切破坏面为两个剪切直径的圆柱面，即桩底扩大头顶端以上8D（D为扩底直径）；剪切面直径为D，此范围以上剪切面直径为d（未扩桩径）[2]。基于此，该项试验计算分段平均摩阻力时，32m以上取实测桩径，32～44m取直径1 500mm。

2.2.2 轴力测试断面的确定

该项试验轴力测试断面设置为桩顶下深度：0.5 m（标定断面）、16.3 m（基础底标高处）、23.8 m、32 m、36.5 m、41 m、44.1 m（扩大头顶部位置，可了解扩大头端阻力）。通过该项试验发现标定断面设在桩顶下存在以下问题：

（1）浅部拉力大，在配筋率较小、混凝土浅部不密实的情况下，混凝土容易较早开裂，起不到标定的作用。该工程配筋率较高，对于引长至地面的超灌部分严格控制混凝土质量，在2 350 kN～3 760 kN荷载下，标定断面开裂。

（2）施工时浅部钢筋笼不一定保证竖直向上，以及测试时钢筋的斜拉都会导致钢筋偏心受拉，混凝土易开裂，同时标定断面所测应力（应变）不均衡，建议标定断面至少要4个以上应力（应变）计，且保证完好，减少误差。

基于以上，建议标定断面在可能的情况下尽量深埋，对于深基础可取基础底标高处，底标高以上桩身用内外钢护筒包裹与桩侧土隔离。

2.2.3 桩身轴力测试结果

3根试桩测试结果基本类似，基于篇幅，取其中的1号桩其结果见表3～表5所列及图1所示。

表3 1号桩各级荷载下截面应变值一览表

表4 1号桩各级荷载作用下各截面轴力一览表

表5 1号桩各级荷载下桩侧摩阻力一览表

图1 1号桩各级荷载下桩身轴力图

3 承载性状分析

从以上试验，得出以下分析结果：

（1）随着桩顶荷载的增大，桩侧摩阻力总体表现由上而下逐渐发挥作用，桩身轴力沿桩身逐渐减少。但是，在软土地区中高压缩性互层的情况下，摩阻力的发挥需较大的桩土相对位移，上层软土在小桩土相对位移下所作用于桩身的摩阻力较小，轴力传至下层土，导致下层土在上层软土摩阻力未达到极限之前就已开始作用；当桩顶荷载增大，相对位移增大，上层土摩阻力得以逐渐发挥，此时，下层土摩阻力增加缓慢。软土地区这种摩阻力作用、轴力传递方式，引起了桩端阻力较早开始作用，但前期增加缓慢，直到加载后期中上部土层摩阻力充分作用后才迅速提高。桩底扩颈部分提高了桩端阻力，起到了“嵌固”的作用，保证了桩身中上部桩侧阻力的持续，稳定发挥。

（2）对比表5桩侧摩阻力实测值，32 m以上土层摩阻力明显偏高，对其分析解释如下：软土地区等截面抗拔桩破环形态为沿桩土界面形成的圆柱型剪切破环面，而对于扩底桩，剪切破坏面形状复杂。经研究，上海软土地区扩大头扩展角较小，随着桩顶位移的增大，扩大头牵动的土体运动的范围约为扩底直径的3倍，塑性区由扩大头顶端逐步向四周扩展，最后形成半个椭圆型[3]。桩身中上部土体由于扩大头及牵动土体的挤压，相对于等截面桩更有效地挤压上层土，在被动土压力作用下，上层土剪切强度提高[4]，剪切破坏面不会是沿桩土界面，剪切面直径应比桩径大得多。该项试验按规范32 m以上取实测桩径计算侧表面积偏小，导致摩阻力明显偏大。规范未考虑8D以上的扩径影响，具有一定的安全储备。

（3）该项试验1号桩加载至6 110k N时，桩顶上拔量17.85 mm，回弹率68.18%，桩顶位移以桩身弹性位移为主，下层土的摩阻力刚进入显著提高阶段，扩大头端阻力分担比例为3.16%，试桩还有一定的承载空间。随着荷载继续增大，上拔位移增加，下部土层摩阻力得以充分发挥，承载能力向桩端扩大头端阻力转移，荷载增量由端阻力承担，端阻力达到极限时，扩底桩达到极限状态。上海地区扩大头端阻力在承载力极限状态时分担比例能达到20%[5]，但需要很大的上拔位移，因此，对于细长扩底灌注桩抗拔极限承载力应以桩顶位移控制，同时考虑桩身抗裂要求。