楊 眉，陳久照，李超華，孫志賢

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

實際工程中，一些建、構(gòu)筑物會由于風(fēng)力或者水的浮力等而受到上拔荷載，設(shè)置抗拔樁是常采用的一種解決基礎(chǔ)抗拔或者抗浮的方法，基礎(chǔ)抗拔問題如果處理不好將會帶來非常嚴(yán)重的后果。因此，確定其單樁抗拔極限承載力的大小是樁基礎(chǔ)工程中研究的關(guān)鍵問題。

SHANKER K 等人［1］依據(jù)模型試驗結(jié)果提出了一個在砂類土中預(yù)測抗拔樁極限承載能力的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀ａB建俊等人［2］利用極限平衡法，在假設(shè)滑移面為冪函數(shù)形式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了分層地基中極限承載力的簡化計算公式。馬杰等人［3］通過抗拔樁現(xiàn)場試驗研究了樁側(cè)阻力軟化特性。周俊鵬等人［4］實施了黃土地基上的抗拔與抗壓試驗，分別研究樁的受力性能。羅耀武［5］研究了開挖對抗拔樁極限承載力的影響。孫洋波［6］根據(jù)實驗結(jié)果提出了適用于軟土地區(qū)擴底抗拔樁單樁承載力計算公式。已有的基樁研究，針對某種特定樁型做一系列的單樁抗拔極限承載力破壞試驗得到的經(jīng)驗較少，而鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁在實際工程中應(yīng)用又非常廣泛，因此，本研究針對鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁開展現(xiàn)場極限抗拔試驗，研究其極限抗拔承載力與承載力特征值的比值大小規(guī)律和影響因素，對指導(dǎo)其設(shè)計、施工提供借鑒。

1 等截面抗拔樁的破壞形態(tài)及極限承載力理論取值

影響樁的破壞形態(tài)有多種因素，破壞形態(tài)主要有以下3種［7-9］。

1.1 沿樁土接觸面發(fā)生圓柱型剪切破壞

如圖1?所示，這是經(jīng)常出現(xiàn)的一種破壞形態(tài)?？拱螛吨饕蓚?cè)摩阻力抵抗樁頂荷載，當(dāng)側(cè)摩阻力達(dá)到極限值時，樁土之間的相對位移會逐漸增大，然后達(dá)到臨界值，樁從土中被拔出而破壞。該破壞形態(tài)下的極限抗拔承載力可按式⑴計算［8-10］：

式中：Pu為等截面抗拔樁的極限抗拔承載力（kN）；W為樁的自重（地下水以下取有效自重，kN）；d為樁的樁徑（m）；L為樁的樁長（m）；K為側(cè)壓力系數(shù)；γ為土的有效重度平均值（kN/m3）；φ為樁周土的平均有效內(nèi)摩擦角（°）。

1.2 與樁長等高的倒圓錐臺形剪切破壞

這種破壞形式不常見，其樁身與樁周土的粘結(jié)效果很好，樁在上拔時，樁土之間的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于樁周土體自身的粘結(jié)力，所以在樁上拔過程中，產(chǎn)生倒圓錐臺形剪切破壞，如圖1?所示，一般發(fā)生在軟巖層中和樁長小但樁徑大的抗拔中。這種抗拔樁的極限承載力近似等于樁體自重加上倒錐臺形的土體重量，計算公式如式⑵所示：

Pu=W+Wc⑵

式中：Wc為倒錐臺形土體有效重量（kN）。

1.3 復(fù)合剪切面剪切破壞

復(fù)合剪切面剪切破壞如圖2 所示，這種破壞形式經(jīng)常是土體由一個破壞面開始發(fā)展為多個破壞面，主要發(fā)生在樁長過長和硬黏土土層中。由于樁長較長，從上到下穿過不同的土層，各土層性質(zhì)復(fù)雜，所以各層土與樁之間的粘結(jié)力也不一樣，因此樁上拔過程中，樁周土體會產(chǎn)生多個截面的剪切破壞。

對于圖2?中的剪切破壞，抗拔極限承載力近似等于下半部分發(fā)生圓柱形剪切破壞的樁體樁側(cè)阻力與樁身自重以及樁體上半部分倒錐臺形的土體重量之和，計算公式如式⑶所示：

2 單樁豎向抗拔破壞試驗

2.1 工程概況

本次抗拔樁極限承載力試驗樁共10根，采用預(yù)應(yīng)力管樁和鋼管樁兩種樁型，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樁參數(shù)Tab.1 Test Pile Parameters

2.2 工程地質(zhì)

本場地的地質(zhì)情況，以鉆孔1為例，地層由上至下依次為：

⑴雜填土：黃褐，中密，很濕，可塑，雜色，稍密，主要由混凝土和鉆渣組成，欠固結(jié)，土質(zhì)不均。分層厚度2.6 m。

⑵淤泥質(zhì)土：黃褐，稍密，很濕，可塑，灰黑色，飽和，流塑，含腐殖味，有臭味，下部有較多的砂。分層厚度1.8 m。

⑶細(xì)中砂：黃，中密，飽和，不均勻，灰黑色，分選性較好，松散，粘粒成分較高，石英質(zhì)，顆粒較均勻。分層厚度1.4 m。

⑷粉質(zhì)粘土：雜色，中密，飽和，不均勻，圓，黃褐色，可塑，粘性一般，干強度中等，無搖震反應(yīng)。分層厚度1.2 m。

⑸淤泥質(zhì)土：黃褐，稍密，很濕，可塑，灰黑色，飽和，流塑，含腐殖味，有臭味，下部有較多的砂。分層厚度2.8 m。

⑹粗砂：黃褐色，灰白色，分選性較好，飽和，中密，局部礫砂含量較多，粒徑不均。分層厚度5.1 m。

⑺礫砂：黃褐色，灰白色，分選性較好，飽和，中密，石英質(zhì)，粒徑不均。分層厚度2.0 m。

⑻強風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r：灰黑色，巖石風(fēng)化強烈，巖芯破碎，呈半巖半土狀，局部為碎塊狀。分層厚度1.9 m。

⑼微風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r：灰黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯較完整，巖芯呈短柱狀，長柱狀，局部為機械攪碎呈塊狀，錘擊聲脆，RQD=81%。分層厚度1.4 m。

2.3 試驗方案設(shè)計

本試驗為破壞性試驗，得到抗拔樁在上拔過程中的荷載-位移曲線，位移-時間對數(shù)曲線，從而確定單樁豎向抗拔極限承載力。試驗加載方法采用慢速維持荷載法，當(dāng)樁頂上拔量速率達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時，再施加下一級荷載。加載采用逐級等量加載，每級加載量取分級荷載；如加載至靜載試驗最大荷載值仍未發(fā)生破壞，則繼續(xù)按照分級荷載逐級加載，直至破壞。卸載按照《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范：廣東省規(guī)范DBJ/T 15-60—2019》執(zhí)行。

2.3.1 受力主筋設(shè)計受力主筋設(shè)計如式⑸所示：

式中：Nt為鋼筋的極限抗拉承載力（N）；d為鋼筋直徑（mm）；fsk為鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）。

本輪試驗采用鋼筋HRB400，直徑d為25 mm，極限強度標(biāo)準(zhǔn)值為540 N/mm2，計算出單根鋼筋的極限抗拉承載力為264.93 kN。

以鋼管樁受力主筋設(shè)計為例，根據(jù)靜載試驗荷載值，考慮到鋼筋需要搭接并可能會彎折一定角度，將最大試驗荷載乘以安全系數(shù)1.2，計算所需鋼筋數(shù)量如表2所示。

表2 受力主筋設(shè)計Tab.2 Design of Stressed Main Reinforcement

2.3.2 鋼筋焊接搭接計算長度

鋼筋接頭焊縫的抗剪承載力設(shè)計值按式⑹計算：

式中：Rf為鋼筋接頭焊縫的抗剪承載力設(shè)計值（N）；h為焊縫厚度（mm），約按0.3 取用；l為鋼筋搭接焊縫長度（mm）；ft為焊縫抗剪強度設(shè)計值（N/mm2），對HRB400級鋼筋取用200 N/mm2。

為保證焊縫具有足夠的抗力，應(yīng)使Rf＞Nt，則有：

單面焊接長度為7.1d，雙面焊為4d，d為25 mm。由于搭接到樁體上，并考慮實際的一些操作因素，比如焊接不滿焊，操作不熟練，焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，為改善鋼筋搭接根部熱影響而局部減薄焊縫等，鋼筋焊接長度還應(yīng)根據(jù)實際情況乘以安全系數(shù)2.0～2.5，因此焊縫長度建議為8d（200 mm）及以上，焊接長度還可根據(jù)實際需要再適當(dāng)增長。

2.4 試驗結(jié)果

本次試驗樁抗拔結(jié)果如表3所示。

從表3 可以得到，6 根鋼管樁的試驗極限值與承載力特征值的比值平均值為3.05，介于2.1 倍～3.8 倍，但都高于2 倍，而4 根預(yù)應(yīng)力管樁相應(yīng)的比值為2.3，介于1.8倍～2.6倍。由此可以知道，鋼管樁的設(shè)計安全系數(shù)實際高于預(yù)應(yīng)力管樁，具有2 倍承載力特征值左右的安全空間，而預(yù)應(yīng)力管樁受力設(shè)計也具有1.3 倍承載力特征值左右的安全空間。

表3 試樁抗拔結(jié)果Tab.3 Uplift Results of Test Piles

觀察鋼管樁的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著樁的承載力特征值增大或者入土樁長的增加，試驗極限值與承載力特征值的比值反而越小的趨勢；預(yù)應(yīng)力管樁的數(shù)據(jù)表明，隨著樁的承載力特征值增大，該比值并無明顯增大或減小的趨勢。

在本試驗中，鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)生抗拔破壞時，最大上拔位移均基本處于30～40 mm，具有統(tǒng)一性，可為設(shè)計提供參考。

3 結(jié)論

本文通過開展對6 根鋼管樁和4 根預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔破壞試驗，研究發(fā)現(xiàn)：

⑴對于鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁，按照經(jīng)驗，極限抗拔力取承載力特征值的2 倍是合理的，鋼管樁取2 倍值偏保守，承載力特征值較小的鋼管樁相對特征值較大的鋼管樁具有更大的安全系數(shù)。

⑵ 鋼管樁的抗拔極限值與承載力特征值的比值，隨著承載力特征值的增大呈現(xiàn)出越小的趨勢，而預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔極限值與承載力特征值的比值并無明顯增大或減小的趨勢。

⑶入土樁長對于鋼管樁試驗極限值與承載力特征值的比值影響較明顯；本試驗場地，鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)生抗拔破壞時，最大上拔位移均基本處于30～40 mm，具有統(tǒng)一性。