钢管桩和预应力管桩的极限抗拔破坏试验研究

2022-10-15陈久照李超华孙志贤

广东土木与建筑 2022年9期

杨眉，陈久照，李超华，孙志贤

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州 510500）

0 引言

实际工程中，一些建、构筑物会由于风力或者水的浮力等而受到上拔荷载，设置抗拔桩是常采用的一种解决基础抗拔或者抗浮的方法，基础抗拔问题如果处理不好将会带来非常严重的后果。因此，确定其单桩抗拔极限承载力的大小是桩基础工程中研究的关键问题。

SHANKER K 等人［1］依据模型试验结果提出了一个在砂类土中预测抗拔桩极限承载能力的半经验模型。郦建俊等人［2］利用极限平衡法，在假设滑移面为幂函数形式的基础上推导出了分层地基中极限承载力的简化计算公式。马杰等人［3］通过抗拔桩现场试验研究了桩侧阻力软化特性。周俊鹏等人［4］实施了黄土地基上的抗拔与抗压试验，分别研究桩的受力性能。罗耀武［5］研究了开挖对抗拔桩极限承载力的影响。孙洋波［6］根据实验结果提出了适用于软土地区扩底抗拔桩单桩承载力计算公式。已有的基桩研究，针对某种特定桩型做一系列的单桩抗拔极限承载力破坏试验得到的经验较少，而钢管桩和预应力管桩在实际工程中应用又非常广泛，因此，本研究针对钢管桩和预应力管桩开展现场极限抗拔试验，研究其极限抗拔承载力与承载力特征值的比值大小规律和影响因素，对指导其设计、施工提供借鉴。

1 等截面抗拔桩的破坏形态及极限承载力理论取值

影响桩的破坏形态有多种因素，破坏形态主要有以下3种［7-9］。

1.1 沿桩土接触面发生圆柱型剪切破坏

如图1⒜所示，这是经常出现的一种破坏形态。抗拔桩主要由侧摩阻力抵抗桩顶荷载，当侧摩阻力达到极限值时，桩土之间的相对位移会逐渐增大，然后达到临界值，桩从土中被拔出而破坏。该破坏形态下的极限抗拔承载力可按式⑴计算［8-10］：

式中：Pu为等截面抗拔桩的极限抗拔承载力（kN）；W为桩的自重（地下水以下取有效自重，kN）；d为桩的桩径（m）；L为桩的桩长（m）；K为侧压力系数；γ为土的有效重度平均值（kN/m3）；φ为桩周土的平均有效内摩擦角（°）。

1.2 与桩长等高的倒圆锥台形剪切破坏

这种破坏形式不常见，其桩身与桩周土的粘结效果很好，桩在上拔时，桩土之间的侧摩阻力远大于桩周土体自身的粘结力，所以在桩上拔过程中，产生倒圆锥台形剪切破坏，如图1⒝所示，一般发生在软岩层中和桩长小但桩径大的抗拔中。这种抗拔桩的极限承载力近似等于桩体自重加上倒锥台形的土体重量，计算公式如式⑵所示：

Pu=W+Wc⑵

式中：Wc为倒锥台形土体有效重量（kN）。

1.3 复合剪切面剪切破坏

复合剪切面剪切破坏如图2 所示，这种破坏形式经常是土体由一个破坏面开始发展为多个破坏面，主要发生在桩长过长和硬黏土土层中。由于桩长较长，从上到下穿过不同的土层，各土层性质复杂，所以各层土与桩之间的粘结力也不一样，因此桩上拔过程中，桩周土体会产生多个截面的剪切破坏。

对于图2⒜中的剪切破坏，抗拔极限承载力近似等于下半部分发生圆柱形剪切破坏的桩体桩侧阻力与桩身自重以及桩体上半部分倒锥台形的土体重量之和，计算公式如式⑶所示：

2 单桩竖向抗拔破坏试验

2.1 工程概况

本次抗拔桩极限承载力试验桩共10根，采用预应力管桩和钢管桩两种桩型，详细参数如表1所示。

表1 试验桩参数Tab.1 Test Pile Parameters

2.2 工程地质

本场地的地质情况，以钻孔1为例，地层由上至下依次为：

⑴杂填土：黄褐，中密，很湿，可塑，杂色，稍密，主要由混凝土和钻渣组成，欠固结，土质不均。分层厚度2.6 m。

⑵淤泥质土：黄褐，稍密，很湿，可塑，灰黑色，饱和，流塑，含腐殖味，有臭味，下部有较多的砂。分层厚度1.8 m。

⑶细中砂：黄，中密，饱和，不均匀，灰黑色，分选性较好，松散，粘粒成分较高，石英质，颗粒较均匀。分层厚度1.4 m。

⑷粉质粘土：杂色，中密，饱和，不均匀，圆，黄褐色，可塑，粘性一般，干强度中等，无摇震反应。分层厚度1.2 m。

⑸淤泥质土：黄褐，稍密，很湿，可塑，灰黑色，饱和，流塑，含腐殖味，有臭味，下部有较多的砂。分层厚度2.8 m。

⑹粗砂：黄褐色，灰白色，分选性较好，饱和，中密，局部砾砂含量较多，粒径不均。分层厚度5.1 m。

⑺砾砂：黄褐色，灰白色，分选性较好，饱和，中密，石英质，粒径不均。分层厚度2.0 m。

⑻强风化炭质灰岩：灰黑色，岩石风化强烈，岩芯破碎，呈半岩半土状，局部为碎块状。分层厚度1.9 m。

⑼微风化炭质灰岩：灰黑色，隐晶质结构，层状构造，岩芯较完整，岩芯呈短柱状，长柱状，局部为机械搅碎呈块状，锤击声脆，RQD=81%。分层厚度1.4 m。

2.3 试验方案设计

本试验为破坏性试验，得到抗拔桩在上拔过程中的荷载-位移曲线，位移-时间对数曲线，从而确定单桩竖向抗拔极限承载力。试验加载方法采用慢速维持荷载法，当桩顶上拔量速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。加载采用逐级等量加载，每级加载量取分级荷载；如加载至静载试验最大荷载值仍未发生破坏，则继续按照分级荷载逐级加载，直至破坏。卸载按照《建筑地基基础检测规范：广东省规范DBJ/T 15-60—2019》执行。

2.3.1 受力主筋设计受力主筋设计如式⑸所示：

式中：Nt为钢筋的极限抗拉承载力（N）；d为钢筋直径（mm）；fsk为钢筋抗拉强度标准值（N/mm2）。

本轮试验采用钢筋HRB400，直径d为25 mm，极限强度标准值为540 N/mm2，计算出单根钢筋的极限抗拉承载力为264.93 kN。

以钢管桩受力主筋设计为例，根据静载试验荷载值，考虑到钢筋需要搭接并可能会弯折一定角度，将最大试验荷载乘以安全系数1.2，计算所需钢筋数量如表2所示。

表2 受力主筋设计Tab.2 Design of Stressed Main Reinforcement

2.3.2 钢筋焊接搭接计算长度

钢筋接头焊缝的抗剪承载力设计值按式⑹计算：

式中：Rf为钢筋接头焊缝的抗剪承载力设计值（N）；h为焊缝厚度（mm），约按0.3 取用；l为钢筋搭接焊缝长度（mm）；ft为焊缝抗剪强度设计值（N/mm2），对HRB400级钢筋取用200 N/mm2。

为保证焊缝具有足够的抗力，应使Rf＞Nt，则有：

单面焊接长度为7.1d，双面焊为4d，d为25 mm。由于搭接到桩体上，并考虑实际的一些操作因素，比如焊接不满焊，操作不熟练，焊接参数选择不当，为改善钢筋搭接根部热影响而局部减薄焊缝等，钢筋焊接长度还应根据实际情况乘以安全系数2.0～2.5，因此焊缝长度建议为8d（200 mm）及以上，焊接长度还可根据实际需要再适当增长。

2.4 试验结果

本次试验桩抗拔结果如表3所示。

从表3 可以得到，6 根钢管桩的试验极限值与承载力特征值的比值平均值为3.05，介于2.1 倍～3.8 倍，但都高于2 倍，而4 根预应力管桩相应的比值为2.3，介于1.8倍～2.6倍。由此可以知道，钢管桩的设计安全系数实际高于预应力管桩，具有2 倍承载力特征值左右的安全空间，而预应力管桩受力设计也具有1.3 倍承载力特征值左右的安全空间。