嵌岩桩抗拔特性现场试验研究

2018-08-01马建林林大富张文涛孙珍茂

铁道建筑 2018年7期

杨柏，马建林，林大富，张文涛，孙珍茂

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2.四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都 610016)

随着社会经济的发展，抗拔桩被广泛应用于高层建筑、地下空间、输电线路、海上风电等工程实践中。相应地，国内外很多学者通过模型试验、现场试验以及理论分析等相关方法对抗拔桩的承载力以及承载力的影响因素等作了大量的研究，取得了一定的成果。

文献[1-6]构造了破裂面方程，提出了单桩极限抗拔承载力计算公式。文献[7-13]通过试验研究了抗拔桩承载力的影响因素，包括长径比、桩型、桩表粗糙度、砂土密实度、桩施工方法、加载方式和土的黏聚力、内摩擦角等。郭建光等[14]通过现场试验发现桩与围岩相互作用在不同受力状态下表现出不同特点,抗压摩阻力特征值大于抗拔摩阻力特征值，抗压摩阻力与抗拔摩阻力之比在1.85左右，并作了理论解释。袁文忠等[15]通过模型试验分析了嵌岩桩的承载特性，揭示了岩基强度和完整性对抗拔承载力影响很大。何剑[16]通过现场试验发现增加桩岩黏聚力，可以提高桩的抗拔承载力。王耀辉等[17]通过模型试验发现抗拔桩的承载力极大地取决于桩岩界面的摩阻特性。何思明等[18]研究了抗拔荷载与弹性极限抗拔荷载的关系对桩侧阻力和荷载-变位曲线的影响，当抗拔荷载低于弹性极限抗拔荷载时，桩侧阻力呈指数规律分布，荷载-变位曲线呈线性变化；当抗拔荷载大于弹性极限抗拔荷载时，桩侧阻力分为2段，其中脱黏段上侧阻力均匀分布，黏结段上侧阻力呈指数规律分布，荷载-变位曲线呈非线性规律变化。唐孟雄等[19]提出等截面桩在单层地基中极限抗拔力的计算公式并发现岩层黏聚力、岩层摩擦角对极限承载力的影响很大。万东立等[20]结合泸州长江二桥现场试验，发现桩周岩层的强度、完整性对抗拔桩承载力的影响至关重要。吴兴序等[21-22]分析了泸州长江二桥现场工程桩试验结果，提出了岩层中抗拔桩承载力计算方法，重点考虑成桩方法、桩径和岩层完整性对极限抗拔承载力的影响。董金荣[23]基于现场试验，得出抗拔桩的荷载-位移曲线的变化性状与嵌岩的深度和岩石的风化程度有关，同时认为需要慎重考虑桩岩界面接触粗糙度对嵌岩摩阻力发挥的作用。

随着电力事业的发展，西南地区的输电线路越来越多地在山区中走线，而针对西南地区“上土下岩”地质条件的研究偏少。为此，本文依托国家电网路平—富乐500 kV双回线路工程中极限载荷试验，针对该工程中的等截面抗拔桩，对嵌岩抗拔桩的极限承载力、桩身轴力、桩侧阻力等进行分析，以此来研究等截面嵌岩抗拔桩的承载特性。

1 试桩试验概况

1.1 工程概况及地质条件

根据现场地质勘查报告，主要地层如下：粉质黏土，厚约0.3～3.0 m，呈可塑～硬塑状；强风化砂岩，厚约0.5～3.0 m，属极软岩；中风化砂岩，持力层，未揭穿。抗拔桩地质剖面见图1，岩土层物理力学性能指标见表1。

图1 试桩地质剖面

表1 岩土层物理力学性能指标

1.2 试桩概况

本文以抗拔桩极限载荷试验中的3根等截面桩为例，对位移及抗拔特性进行研究分析。试桩尺寸及嵌岩情况见表2。

表2 抗拔桩尺寸 m

试桩采用机械旋挖成孔，C30混凝土灌注成桩。试验中采用JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》推荐的慢速维持荷载加载法加荷。为确定各桩的抗拔极限承载力，试验加载至破坏或出现不可再加载的情况为止。现场采用2根同径工程桩作为反力支座，为试验桩提供反力，在每个支座上安放1个 6 000 kN千斤顶。

为削弱加载时出现偏心荷载的影响，本次试验在桩顶设置1.5 m×1.5 m×1.5 m桩帽，抗拔桩的主筋伸入桩顶上部设置的钢筋混凝土的桩帽，通过桩帽把上拔力传递给试桩。

2 试验结果分析

2.1 荷载-位移曲线

上述试验得到的3根试桩的桩顶荷载-位移关系曲线见图2，极限荷载试验结果见表3。

图2 上拔荷载与桩顶位移关系曲线

表3 各桩极限荷载试验结果

由图2可知，3根试桩的荷载-桩顶位移曲线均为陡变型。以12#桩为例，桩顶在承受单桩竖向极限抗拔承载力的前一阶段，曲线基本呈线性，试桩在最后一级荷载作用下桩顶位移37.4 mm，超过前一级荷载作用下桩顶位移(5.4 mm)的5倍，认为试桩破坏。3根试桩所处岩土层相同，嵌入土层和强风化砂岩层的桩长一样，嵌入中风化砂岩层的桩长不一样。上拔荷载相同时，嵌入中风化岩层最长的14#试桩的桩顶位移最小，嵌入中风化岩层最短的12#试桩的桩顶位移最大。

由表3可知，12#桩极限荷载、桩顶位移分别为 4 123.7 kN,35.9 mm。13#桩极限荷载、桩顶位移分别为 8 445.1 kN,18.8 mm。14#桩极限荷载、桩顶位移分别为 10 445.3 kN,17.6 mm。可见，在相同的岩土层中增加桩长能显著提高抗拔桩的极限承载力，且能够有效地减少桩顶位移。

2.2 桩身轴力曲线与桩侧阻力曲线

依据各量测截面处的钢筋计应力，第i量测断面在第j级荷载作用下的桩身轴力Nij为

(1)

第i～i+1量测断面之间在第j级荷载作用下的桩身侧阻力fij为

(2)

式中：σij为第i量测断面钢筋应力计在第j级荷载作用下的应力；Asi为第i量测断面钢筋总面积；Ec为桩身混凝土弹性模量；Es为钢筋弹性模量；Aci为第i量测断面混凝土面积；Ai为第i～i+1量测断面之间的桩侧面积；N(i-1)j为第i-1量测断面在第j级荷载作用下的轴力。

抗拔桩桩端处的轴力实际应该为混凝土与持力层之间的黏结力和受拉作用下产生的负压力之和，数值较小且难以测试，故本文假设桩端轴力为0，且对桩端到上一个测点的桩身侧阻力不做分析。图3为3根试桩在各级荷载作用下桩身轴力-深度曲线。

图3 各级荷载作用下桩身轴力-深度关系曲线

由图3可知：在各级上拔荷载作用下，桩身轴力沿深度逐渐减小，并且在不同岩土层中减小速率各异。在土层中，桩身轴力衰减缓慢；进入强风化砂岩层后，衰减速率显著提高；进入中风化砂岩层后，衰减速率急剧增加。随着荷载的增加，上覆土层中轴力曲线斜率开始趋于稳定，同时岩层中桩身轴力曲线斜率不断增大。

网络密度指网络中各节点之间联系的紧密程度，节点之间联系越多，网络密度就越大[12]。经计算分析，三峡旅游流的网络密度为0.248 3，表明大三峡旅游地区景区存在一定的网络联系，但部分节点联系不紧密。从节点中心性来看，三峡旅游流主要向解放碑、白帝城、小三峡、神女峰、三峡大坝、三峡人家、恩施大峡谷几个景区聚集，以传统三峡旅游游线景区为主，与三峡腹地景区联系较少，与三峡周边极富吸引力的旅游目的地如九寨-黄龙联系较少，与其他景区节点的旅游联系也较弱，区域旅游整体发展出少数景区集聚现象，

根据受力平衡原理，桩身轴力曲线在一定程度上可以反应桩侧土体提供的抗拔力。以13#桩为例，随着上拔荷载的逐级施加，土层提供的抗拔承载力由38.5%逐步降低至9.8%；强风化砂岩层提供的抗拔承载力先由15.6%逐步降低至8.9%；中风化砂岩层提供的抗拔承载力由45.9%逐步增加至81.3%。同样的现象也表现在12#试桩与14#试桩。说明随着上拔荷载的施加，土层与强风化岩层提供的抗拔力很快达到极限，中风化岩层提供的桩侧阻力逐步发挥，提供的抗拔力比例逐步加大，对试桩的抗拔起到主要作用。

在极限荷载作用下，3根试桩的各岩土层提供的抗拔力比例见表4。

由表4可知：在极限荷载作用下嵌入中风化岩层的桩身越长，其提供的抗拔力比例越高。3根试桩的中风化砂岩层平均提供了83.2%的抗拔力，说明岩性是影响抗拔桩极限承载力的重要因素。就平均值而言，相同厚度各岩土层提供的抗拔力的能力比为土层∶强风化砂岩∶中风化砂岩=1∶3.8∶9.3。

表4 极限荷载作用下各岩土层提供的抗拔力比例

图4为3根试桩在各级荷载作用下桩侧阻力-深度曲线。

图4 各级荷载作用下桩侧阻力-深度曲线

由图4可知：在各级上拔荷载作用下，各测点的桩侧阻力随着上拔荷载的增加而逐步发挥，但是在不同岩土层中各测点的阻力值的增量各异。以12#试桩为例，在土层中，各测点的阻力值的增量为31.7～64.0 kPa；在强风化岩层中，各测点的阻力值的增量为101.2 kPa ；在中风化岩层中，各测点的阻力值的增量为365.0～371.3 kPa 。在每级荷载作用下，桩侧阻力都会出现峰值点或者最大值点，且该点会随着荷载的施加发生偏移。以14#试桩为例，在1,2级荷载作用下，桩侧阻力峰值点出现在5.5 m处，该峰值点也是当级荷载下的最大值点；当施加到3级荷载后，桩侧阻力的峰值点消失，最大值点下移至6.0 m处。13#试桩的情况与14#试桩相似，12#试桩的桩侧阻力峰值点一直位于3.5 m处，未发生偏移。整体上随上拔荷载的增加而增大，岩层中的桩侧阻力远高于土层。

在极限荷载作用下，各岩土层桩侧阻力见表5。可知，就平均值而言，各岩土层的桩侧阻力比为土层∶强风化砂岩∶中风化砂岩=1∶3.8∶8.8。这与上述相同厚度各岩土层提供的抗拔力的能力比基本一致，中风化砂岩层的比例不等，是因为这里未考虑桩端到上一个测点间的桩侧阻力。

表5 极限荷载作用下各岩土层桩侧阻力 kPa

3 试桩侧阻力试验值与规范值对比

现行JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中采用抗压桩的设计计算方法计算抗拔桩单桩的抗拔极限承载力，乘以抗拔系数。本次试验场地的岩土层桩的极限侧阻力根据JGJ 94—2008取值，土层取66～82 kPa，强风化岩层取140～220 kPa，抗拔系数可以取最大值0.8。表6为桩侧阻力试验值与规范值的比较，这里规范值取最大值，规范中并未给出中风化砂岩的桩侧阻力，根据一般设计原则，中风化砂岩的桩侧阻力参照强风化砂岩取值。规范值在与试验值比较前需乘以抗拔系数。

表6 抗拔侧阻力试验值与规范值比较

由表6可知，桩侧阻力试验值高于规范值。在土层中，两者较为接近，但是强风化砂岩桩侧阻力的试验值是规范值的1.83倍，在中风化砂岩中更是达到了4.22倍，这说明就本试验区域而言，规范中提供的桩极限侧阻力标准值较为保守。建议对于较大规模的建设项目，应先进行现场试验，测试各岩土层的极限抗拔侧阻力。这不仅能科学合理地进行桩基设计，也能节省大量的人力和财力。

4 嵌岩深度对极限抗拔承载力的影响

本试验3根试桩的桩径、岩土层性质、施工工艺等条件基本一致，唯有嵌入中风化砂岩的桩长不一致，而这直接影响了试桩的极限抗拔承载力。图5为嵌入中风化砂岩的深度-极限抗拔承载力关系曲线。

图5 嵌入中风化砂岩的深度-极限抗拔承载力关系曲线

由图5可知，随着嵌入中风化砂岩深度的增加，极限抗拔承载力呈近线性增加。13#试桩较之12#试桩，嵌入中风化砂岩深度增加了1.1 m，增幅84.6%，极限抗拔承载力增加了 4 321.6 kN，增幅104.8%；14#试桩较之13#试桩，嵌入中风化砂岩深度增加了0.9 m，增幅37.5%，极限抗拔承载力增加了 2 000.2 kN，增幅19.1%。

综合上述表4可知，嵌岩桩的极限抗拔承载力绝大部分由嵌入中风化砂岩部分桩身承担。且由表5可知，在同种岩土层中，不同试桩的平均侧阻力较为接近，所以试桩嵌入中风化砂岩越深，其桩身与岩层的接触面积越大，导致极限抗拔承载力越大且呈近线性增加。