基于试桩试验的桩侧注浆抗拔桩承载变形特性的荷载传递法

王向军

（华东建筑设计研究总院 地基基础与地下工程设计研究中心，上海 200002）

1 引 言

桩侧注浆抗拔桩作为一种新的抗拔桩类型，通过桩侧注浆改善桩土接触面的摩擦特性从而提高抗拔承载力，具有较高的推广应用价值[2]。文献[3]基于试桩试验成果对桩侧注浆抗拔桩的承载特性开展了初步分析，本文拟对其承载变形特性的分析方法作进一步研究。Geol[4]、孙晓立[5]等将荷载传递法应用到等截面及扩底抗拔桩的受力及变形分析中，不仅可以求得抗拔桩的极限承载力，还可以得到抗拔桩在不同荷载等级下的变形特性。

荷载传递法的准确与否取决于τ-w曲线（桩侧摩阻力与桩土相对位移关系）的准确与否，目前应用较多的τ-w关系形式主要有双曲线、抛物线等一些非线性曲线形式，这些τ-w曲线基本上来自试验实测值，且以室内模型试验或是小尺寸的原位试验居多，而很少来自现场试桩试验，将其应用到实际工程的计算是存在疑问的。

针对上述情况，将上海虹桥综合交通枢纽工程的4组试桩试验的τ-w曲线，以及程明进[1]开展的大型注浆剪切面试验得到的τ-w曲线分别进行归一化处理。归一化方法为:选用极限桩侧摩阻力τult及其相应的临界桩土相对位移 wult作为标准化参数（对于未达到极限状态的τ-w曲线，则用当前试验条件下的最大侧摩阻力值和相应的桩土相对位移值作为标准化参数）。然后，将所有归一化后的τ/τult-w/wult数据合并到一起，采用双曲线函数对其进行拟合，得到一个统一的τ/τult-w/wult双曲线函数关系；最后将该函数式应用到荷载传递法中，可对桩侧注浆抗拔桩的承载变形特性进行分析计算。

2 τ-w曲线的归一化

2.1 现场试桩试验

上海虹桥综合交通枢纽项目开展了4组桩侧注浆抗拔桩的现场试桩试验，试桩桩长均为50.4 m，桩径为700 mm。每根桩设置了4道注浆断面，最底下的注浆断面距桩端5 m，其余各注浆断面之间间距为9 m。试桩场地地质情况如表1所示。

关于本次试桩试验的详细情况可参考文献[3]。本文只列出4根试桩的荷载-位移曲线，及在各自试桩试验后所得到的桩侧各土层的τ-w曲线，见图1、2。

表1 试桩场地土层性质Table 1 Properties of soil layers of test pile site

图1 试桩荷载-位移曲线Fig.1 Q-S curves of test piles

图2 各试桩桩侧各土层的τ-w曲线Fig.2 τ-w curves of each layer of every layer types of uplift piles

总体上看，4根桩各土层的τ-w曲线有如下特征:

（1）当桩土相对位移较小时，各土层的τ-w曲线呈线性增长，且埋深越深的土层，其增长斜率越大。

（2）当桩土相对位移达到5 mm左右时，各土层均出现了非线性现象；埋深较浅的土层比埋深较深的土层更早出现非线性现象。

（3）当桩土相对位移达到10～15 mm左右时，浅层土②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤1-1粉质黏土的τ-w曲线的非线性现象更明显，甚至出现软化现象（桩A607、桩A612）；而埋深较深土层⑦1粉砂夹砂质粉土、⑦夹粉质黏土夹粉砂和⑦2粉细砂的侧摩阻力发挥到很高的水平，但并未出现达到极限状态的迹象。

对图2中各桩的τ-w曲线进行归一化，如引言中所述，选用极限桩侧摩阻力τult及其相应的临界桩土相对位移 wult作为标准化参数（若未达到极限状态，则用当前试验条件下的最大侧摩阻力值和相应的桩土相对位移作为标准化参数，仍记为τult和wult）。表2给出了4根试桩各土层的τult和wult值。

表2 桩侧各土层τult和wultTable 2 Normalized parameters of every soil layer

将图2中各曲线的纵坐标侧摩阻力值除以各自相应的标准化参数τult，横坐标桩土相对位移值除以各自相应的标准化参数 wult，得到归一化后的桩土τ/τult-w/wult曲线如图 3 所示。

图3中可以看出，经过前述方法归一化后，4根试桩各自土层的τ/τult-w/wult曲线虽然没有完全地归一化为一条曲线，但基本上还是处于一定的范围以内。各桩中埋深较深土层⑦夹粉质黏土夹粉砂和⑦2粉细砂土层的归一化效果较差，是由于其在当前试桩荷载作用下，桩土相对位移较小，侧摩阻力尚未充分发挥，其归一化参数并非真正的极限值所造成的，可以看到其基本上位于45°斜线上。若试桩试验能达到极限状态，收集到各土层的极限标准化参数，其归一化效果应当更为理想。

图3 归一化τ-w曲线Fig.3 Normalized τ-w curves of soil layers

2.2 大型直剪试验

程明进[1]开展了模拟桩侧注浆抗拔桩受上拔荷载作用时，桩土相对滑动的大型直剪试验，得到了对桩土剪切面在进行注浆情况下的剪应力与切向相对位移之间的关系。试验时在法向施加了3种不同的法向压力，以模拟不同埋深处土层的剪切位移关系，试验结果如图4所示。

直剪试验结果各曲线的标准化参数如表 2所示。

图4 大型直剪试验τ-wFig.4 τ-w curves of large scale direct shear tests

表2 大型剪切面试验归一化参数表Table 2 Normalized parameters of large scale direct shear tests

与2.1节中对现场试桩试验结果进行归一化处理的方法一致，采用表2中的数据对图3中各围压情况下的试验曲线进行归一化，结果如图5所示。

图5 大型直剪试验结果的归一化τ-w曲线Fig.5 Normalized τ-w curves of large scale direct shear tests

从图5可以看出，与现场足尺试验结果相比，由于直剪试验可以人为控制达到极限破坏，因此直剪试验得到的归一化效果都比较理想，归一化后各曲线基本上较为接近。

3 归一化数据的双曲线拟合及荷载传递法的验证

3.1 归一化数据的双曲线拟合

从试桩试验和直剪试验各自的归一化曲线形状看，归一化后的各τult-wult曲线基本呈双曲线模式，因而拟考虑采用双曲线函数对其进行拟合。考虑到拟合曲线的准确性，在采用双曲线拟合时，未考虑图2中现场足尺试验中⑦夹粉质黏土夹粉砂层，⑦2粉细砂土层的τult-wult曲线数据。

首先，将图3和图5中的归一化数据合并于图6。为便于区别，将各归一化曲线重绘为散点形式；然后采用双曲线函数y =进行拟合，其中双曲线函数满足条件a+b=1。

图6 归一化τ-w数据点的双曲线拟合Fig.6 Fitted hyperbolic curve of normalized τ-w data

拟合曲线如图6所示。拟合后，各土层统一的桩侧土荷载位移关系可表示为

3.2 荷载传递法的验证

将式（1）运用到荷载传递法，对上海虹桥综合交通枢纽桩侧注浆抗拔桩试桩结果进行计算。

图7所示为本文计算方法与实测值的比较。其中桩身轴力分布曲线比较了桩顶上拔荷载分别为1600、3200、5400、8000 kN四种情况，桩侧摩阻力则比较了5400 kN和8000 kN两种情况。

图7 荷载传递法计算结果实测值的比较Fig.7 Comparison between calculation results of load transfer method and measured data

从图7桩顶的Q-S曲线、各级荷载作用下的桩身轴力分布曲线以及桩侧摩阻力分布曲线的比较中可以看出，本文荷载传递法计算结果与试桩实测值是比较接近的。

4 工程应用

文献[1]介绍了上海白玉兰广场工程的9根桩侧注浆抗拔桩的现场足尺试验，试桩有效桩顶埋深为22 m，有效桩长为43 m，桩径为700 mm。采用4道注浆断面，最底下的注浆断面距桩端5 m，其余各注浆断面之间间距 10 m。采用本文荷载传递法，计算的桩顶荷载位移曲线与实测结果的比较如图8所示。

图8 工程案例计算结果Fig.8 Calculation results of project case

图8中的实测值为各桩侧注浆抗拔桩实测值的平均值。从图中可以看出，本文方法计算结果与实测值之间是比较吻合的，再次表明本文方法可适用于桩侧注浆抗拔桩承载变形特性的计算分析。

5 结 论

本文基于试桩试验实测得到的τ-w曲线，对其进行归一化处理，将其运用到荷载传递法中，用以预测桩侧注浆抗拔桩的承载变形特性。得到如下几点结论:

（1）通过背景工程与工程案例的验证，本文荷载传递法计算结果与工程实测值较为接近，表明将其用于桩侧注浆抗拔桩承载变形能力的计算是可行的，具有一定的工程实用价值。

（2）由于本文方法基于的样本数量有限，将来若能收集到足够多的上海地区的桩侧注浆抗拔桩实测资料，就可以得到更准确的各土层统一的归一化τ-w函数，这样用荷载传递法预测分析上海地区桩侧注浆抗拔桩的承载及变形特性的可靠性将大大提高。

[1]程明进. 桩侧后注浆接触面特性试验研究与抗拔桩受力变形分析[D]. 上海:同济大学,2010.

[2]王卫东,吴江斌,王向军. 桩侧注浆抗拔桩的试验研究与工程应用[J]. 岩土工程学报,2010,32(2):284－289.WANG Wei-dong,WU Jiang-bin,WANG Xiang-jun.Full-scale tests and application of side-grouting uplift piles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(2):284－289.

[3]吴江斌,王卫东,王向军. 软土地区多种桩型抗拔桩侧摩阻力特性研究[J]. 岩土工程学报,2010,32(2):93－98.WU Jiang-bin,WANG Wei-dong,WANG Xiang-jun.Side resistance properties of multiple uplift piles in soft soil area[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(2):284－289.

[4]GEOL S,PATRA N R. Prediction of load displacement response of single piles under uplift load[J]. Geotechnical and Geological Engineering,2007,(25):57－64.

[5]孙晓立,杨敏,莫海鸿. 利用荷载传递法计算扩底抗拔桩的位移[J]. 岩土工程学报,2008,30(12):1815－1820.SUN Xiao-li,YANG Min,MO Hai-hong. Displacement of base-enlarged tension piles caculated by load transfer method[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(12):1815－1820.