（岩土工程专业论文）岩层中抗拔单桩的试验与研究.pdf

函南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 ( 随着科学技术的发展和基础设施规模的扩大，抗拔桩在工程中的应 用逐渐广泛。国内外的科技人员对抗拔桩的抗拔性能和破坏机理的研究 也有了不少进展，并提出了一些理论性和经验性的计算公式。但与承压 桩相比，抗拔桩的理论还未趋于完善，也未形成完整的体系，其成果远 不能满足工程的需要，这又在某种程度上限制了抗拔桩的使用。因此其 衍载传递机理、破坏模式和计算方法等问题迄今仍需进一步深入研究。 而对于完全埋置于岩层中的大直径抗拔桩，山于其承载力往往很高，难 以进行现场试验，使其承载力不能被正确估价也不能被充分利用，致使 基础通常设计得过于保守并导致造价偏高。) ：，本文正是考虑目前在嵌岩抗拔桩的理论及工程应用中存在上述问 题，) 结合科研项目以岩层中大直径抗拔桩在上拔荷载作用下的极限承载 力、荷载传递性能以及破坏机理为研究对象，进行了抗拔桩现场静载试 验和室内模型试验，其中模型试验包括三种不同强度的基岩模型材料共 9 根模型桩的抗拔试验。并在试验的基础上进行了有限元分析。通过试 验和计算较为全面地分析了岩层中抗拔桩的传荷性能、桩侧摩阻力的分 布规律和发展过程，以及桩周岩层的变形及破坏模式。得出了桩周岩体 强度对抗拔桩极限承载力、桩侧摩阻力及破坏模式的影响，并针对此类 型桩提出了依据破坏模式及受力机理进行极限承载力的设计计算方法。 f 从而为今后类似工程的设计提供科研依据和施工经验，以推动抗拔桩基 础设计和施工技术水平的迸一步提高。j ， 关键词：抗拔桩；现场试验；模型试验；破坏模式；极限抗拔力 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，u p l i f tp i l e s h a v eb e e nw i d e l yu s e di n p r a c t i c e s c i e n t i s t s i nd o m e s t i ca n d a b r o a dh a v em a d em u c h p r o g r e s s w i t ht h es t u d yo ft e n s i l e b e h a v i o ra n df a i l u r em e c h a n i s m t h e ya l s or a i s es o m et h e o r e t i c a i a n de m p ir i c a ld e s i g nm e t h o d s h o w e v e r ，t h et h e o r yo fu p l i f tp i l ei s f a rf r o mp e r f e c t i o ni nc o n t r a s tt ot h eb e a r i n gp i l ea n dd o e sn o t s a t i s f yt h en e e d so fe n g i n e e r i n gp r o j e c t s t h e r ea r es t i l lm a n y p r o b l e m st ob ef u r t h e rs t u d i e d s u c h a sl o a dt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ，f a i l ur em o d e ，a n dd e s i g nm e t h o d f o rt h eu p l i f tp i l e f u i l ys e ti n t or o c k s t h eu i t i m a t eb e ar i n gc a p a c i t yi s s og r e a tt h a t i t sd i f f i c u i tt op e r f o r mf i e l dt e s t s i nf a c t t h ed e s i g no fu p l i f tp i l ei s m u c hc o n s e r v a t i v ew h i c hr e s u l t si n h i g h c o s tb e c a u s et h e a d v a n t a g eo fb e a r i n gc a p a c i t yc a n tb em a d eg o o du s eo f c o n s i d e r i n gt h ea b o v ep r o b t e m si n r o c ku p l i f t p i l e ，t h i sp a p e r i n v e s t i g a t e st h e u l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t y t h el o a dt r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e sa n df a i l u r em e c h a n i s mo fr o c kt e n s i o np i l e sd u r i n gv e r t i c a l p u l l o u t l o a d p e r i o d t h r o u g h t h ei n s i t ut e s t ，m o d e lt e s t sa n d n o n - l i n e a re l e m e n ta n a l y z e ，t h e p a p e rs t u d i e d l o a dt r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e s t h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o n ，t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fap i l e s h a f tf r i c t i o na n dt h em o d eo ff a i l u r es u r r o u n d i n gr o c ki nd e t a i l m o d e l t e s t sc o n s i s to fn i n ep i l e ss e ti n t ot h r e et y p e so fb e d r o c km o d e l s t h e p a p e ra l s oi n v e s t i g a t e st h ei n f l u e n c eo fs u r r o u n d i n gr o c ko nu i t i m a t e b e a r i n gc a p a c i t ya n df a i l u r em o d ea n dp r e s e n t sad e s i g nm e t h o do f b e a r i n gc a p a c i t ya c c o r d i n gt o b o t hf a i l u r em o d ea n dm e c h a n i c a i b e h a v i o r t h e r e b y 。t h ep a p e rp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h ef u t u r ed e s i g n o fr o c ku p l i f tp i l e k e yw o r d s ：u p l i f tp i l e ；i n - s i t ut e s t ；m o d e lt e s t ；f a i l ur em o d e u l t i m a t ep u l l o u tc a p a c i t y 亘蜜奎鎏盔兰堡圭竺塞圭兰垡堡室 望! 里l _ - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ l - _ _ _ - - _ _ _ - _ 。一。 1 1桩基础概述 第1 章绪论 1 1 1桩的定义及分类 桩是将建筑物的荷载( 竖向的或水平向的) 全部或部分传给地 基土( 或岩层) 的具有一定刚度和抗弯能力的传力杆件。桩的性质 随桩身材料、制作方法和桩的截面大小而异，有很大的适应性。从 历史发展来看，桩是一种古老的基础形式，也是迄今为止应用最为 广泛的建筑物基础或支护构件。在漫长的人类历史发展过程中，桩 基的类型和工艺都有了很大的发展，特别是近代，由于新型材料和 施工技术的出现为桩基的飞跃创造了条件，已成为高层建筑、大桥、 码头和海洋石油平台等常用的基础形式。从使用功能上看它不仅可 以承受压力、水平力，还可以承受上拔力，因此桩基础正逐渐显示 l 强大的生命力和广阔的发展前景。桩基础按不同的分类标准可以 划分出不同的桩型，现将工程中常见的分类方法列于表1 1 “_ ”。 1 1 2 桩基础的特点和应用范围 桩基础是深基础中一种常用的形式，桩的上部与承台板( 梁) 联结而组成桩基础，上部结构所受荷载通过桩基础传递到土层中。 它能够较好地适应各种地质条件及荷载情况，通常具有承载力大、 稳定性好、变形量小而均匀、且变形收敛快等特性。因此桩基础是 处理软弱地基的一种重要手段，也是桥梁、港口、码头等工程中的 主要基础形式。根据工程的特点，桩可以发挥各种不同的作用，桩 基础一般可应用于以下几种情况： 1 通过桩的侧面和土的接触，将荷载传递给桩周土体，或者将 荷载传到深层的岩土层。它可承受垂直荷载和侧向荷载等。 2 抵抗上拔或倾覆，例如在悬索桥的锚碇桥台处，以及地下水 位以下地下室筏基中的受力或支撑倾覆作用的塔架等。 3 当扩大基础或筏基位于土质接近于不好的土上或下卧有高压 亘塑銮鋈盔兰塑主竺窒生兰丝笙塞 丝! 生 缩性土层时用以控制沉降。 4 提高机器基础下土的刚度，以控制振动的振幅和系统的自振 频率。 5 提高桥台或桥墩的安全储备，特别在潜在的有冲刷问题时。 6 在海工结构中，把水面以上的荷载经过桩传到下卧土层内a 这是一种部分埋入桩，既要承受垂直荷载又要受侧向荷载。 表1 1桩基础的分类方法 分类依据 桩型主要特征 摩擦桩 枇r j 叠盲荷载主罂由桩侧靡阻力提供 摩擦端承桩桩的极限荷载主要由桩端极限阻力提供 荷载传递机理 端承桩 擗r 垂盲荷戴主瑶由桩端阻力提供 端承摩擦桩桩的极限荷载主要由桩侧极限阻力提供 承压桩桩在轴向以承受压力为主 以承受上拔力为主的桩，单位面积的摩阻力 抗拔桩 小于承压桩 使用功能 桩和桩侧土共同承受水平荷载，桩的水平承 水平受荷桩 载力与桩的水平刚度及土体水平抗力有关 桩的设计应同时考虑竖向和水平两个方向 复合受荷桩 的承载力 排土桩桩打入或压入土中而使桩周土受到排挤 少量排土桩 士可进入桩的空心截面或螺旋钻进，有少量 成桩排士效应 排土 采用钻孔或挖孔将土挖除或钻孔置桩。不排 不排土桩 土 主动桩桩身所受土压力因桩主动变位而产生 桩土相互作用 沿桩身一定范围内承受侧向土压力或负摩擦 被动桩 力 竖桩 桩为竖向设置 成桩方向 斜桩桩为斜向设置 柱下独立基础，几乎没有调整差异沉降的能 桩一柱基础 力 框架柱基础，荷载通过基础梁传递给柱，整 桩一梁基础 体刚度较好 桩顶结构形式桩墙基础 剪力墙或实腹筒壁下的基础 桩二筏基础 通过整块钢筋混凝土板把柱一墙集中荷载分 配给桩 利用地下空箱结构把上部荷载分配给桩，刚 桩一箱基础 度大 亘壹窑塑盔兰巫主堡塞兰兰焦迨窒 星呈至要一 1 2 抗拔桩概述 1 2 1抗拔桩的特点和应用范围 抗拔桩即承受上拔力的桩，是桩基础的一种重要形式。从施工 方式上看，抗拔桩与一般抗拔的重力式基础不同之处在于：它通常 不需要先开挖基坑，埋设后又回填等施工工序。从受力性能上看， 重力式基础的抗拔承载力主要取决于回填土的土料及其压实质量。 其中首先取决于回填土的抗剪强度；其次，若基础的上拔容许变位 屉要求严格控制时，还取决于回填土的压实密度及变形模量。而抗 拔桩基础，无论是打入桩还是钻孔( 包括人工挖孔，机扩孔、爆扩 孔) 灌注桩，桩周土棚对地未受扰动或扰动较少，其强度和变形与 原状土相差不太大。因此，桩承受上拔荷载时，桩周土能发挥其原 状时的强度和变形特性。这就是抗拔桩基础的主要优点之一w 。 随着科学技术和生产的发展，需要采用桩基础承受较大的上拔 荷载的结构日益增多，其应用范围主要有以下几个方面1 ： 1 高压输电线路塔基； 2 高耸结构物( 炼汕厂和化工厂塔罐电视和电讯川的塔牲结 构等) ； 3 海洋石油的钻井平台或潜水系泊系统的桩基； 4 抵抗巨大水平荷载的叉桩结构，如码头、桥台、挡土墙下的 桩基： 5 承受巨大上托力的基础，例如泵房、船闸、游泳池、地下油 罐、地下室、车库等结构物的基础： 6 特殊地区的建筑物，如地震荷载作用下的建筑物的桩基，膨 胀土及冻胀土建筑物桩基； 7 ，桩静荷载试验的锚桩，索道桥和斜拉桥中的抗拔桩基础都属 此： 1 2 2 抗拔桩研究现状及存在问题 自6 0 年代以来，国内外的科技人员对桩的抗拔性能和破坏机理 亘童銮望盔兰堡主堑窒尘主垡迨塞 茎! i ! 一_ _ _ _ _ _ _ l l - _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ _ _ _ 。一 的研究有了不少进展。国外大都从室内模型试验着手研究，也积累 了一定的现场试验数据，并提出了不少经验性的和理论性的计算公 式：国内在近十年来也开展了一定的工作。但因涉及抗拔桩承载力 的因素还未充分掌握其规律，与抗压桩相比，抗拔桩的理论未趋于 完善。特别是在国内外现有的设计规范中关于抗拔桩的最新研究成 果均未见有反映，说明这些成果还不成熟，需积累更多的实测资料。 迄今为此，工程界仍认为对岩石中抗拔桩的抗拔能力只能作粗略的 估算。只有通过现场试验才能得出确切的破坏形态和较符合实际的 抗拔桩抗拔能力m 。现在抗拔桩基础常用的设计方法只能套用承压桩 的设计方法，即以桩的抗压侧阻力值导入一个经验折减系数作为抗 拔侧阻力值，以估算抗拔极限承载力。尽管这种方法不够妥当，但 鉴于目前的研究现状，还不得不参考对抗压桩的设计成果。 丹麦规范认为，一般应通过拔桩试验来确定，只有对规范中规定 的低等级和正常等级工程才容许用一般所谓静力公式估算w 。 日本港湾协会编的港口设计标准对确定打入桩抗拔承载力有 比较详细的规定。原则上要求通过拔桩试验以求得单桩的抗拔承载 力，不得已时才根据静力公式计算，对于软粘土中的抗拔桩，规范 认为压入时和上拔时的桩侧摩阻力数值基本一致，而桩端阻力又很 小，也可根据压桩试验结果来确定抗拔承载力w 。 我国公路桥涵设计规范仅容许桩在荷载组合作用时才能承受拉 力，并按下列公式确定其承载力“1 ； 0 】= o 3 u l 印+ g 式中 只 一荷载组合作用时单桩轴向受拉容许承载力； “一桩壁土的平均极限摩阻力； u 一桩的周长： 一桩在局部冲刷线以下的长度； g 桩身重力。 瑞典公路局施工规范规定，只有在特殊荷载时才容许产生拉力。 并规定当桩长5 m 时其最大容许拉力为l o k n ，当桩长7 m 时为2 0 k n ； 当桩长1 2 m 时，则为4 0 k n ，但规范中未指明桩径的大小。粘土中摩 要壶窑鎏盔堂塑尘竺塞皇兰焦迨塞 墨! | l - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ - - _ - _ _ - _ - _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一一 一 擦桩的抗拉强度一般与其受压承载力大致相同，其最大容许拉力出 桩周土的容许粘着力决定，瑞典公路局规定最大容许拉力为4 0 k n “。 从国内外大量的研究成果看，对岩层中抗拔单桩的研究还很不 成熟。目前嵌岩抗单拔桩所面临的问题主要有：第一，由于对嵌岩抗 拔 ：| 1 1 的认u 基本上停刚在依靠现场试验的阶段，而嵌岩抗拔桩的承 载力往往很高，难以进行现场试验，工程中完整的试验资料又极少， 因而对岩基的受力变形机理与破坏模式了解十分不够；第二，在嵌 岩抗拔桩的设计和使用中缺乏类似的经验可循，又没有具体的规范 可查，不能合理确定桩基的各主要设计参数。 1 3 本论文立题意义和研究内容 近年来，随着西部经济的崛起和国家发展战略的向西转移，四川i 地区大型桥梁的修建日益增多，各种各样的新型桥跨结构不断涌现。 在山区修建桥梁，出于地形的限制，常常需要采用一些特殊的桥跨 结构，与此相适应的一些特殊的基础结构型式也就应运而生了。泸 州长江二桥是属于国道3 2 1 线隆昌至纳溪高速公路上一座跨越长江 的特大型桥梁。该桥桥跨的主要结构类型为预应力混凝土连续刚构， t e 6 夸跨径为2 5 2 m ，山于跨径火儿严重不对称。施工复杂，技术要求 高，为求得桥梁的整体平衡，在桥的一端设置锚碇桥台，由桥台自 重和抗拔桩共同承受桥台所受到的强大上拔力。而锚碇桥台能否提 供足够的抗拔力关系到全桥的成败，故需进行抗拔桩的抗拔试验， 以检验设计的正确性并为同类设计提供经验和数据。然而目前国内 外对抗拔桩的研究尤其是有关岩层中抗拔桩的资料还很欠缺。因而 本课题为进一步分析嵌岩抗拔桩的传荷性能及岩基破坏机理提供更 多数据和经验，对嵌岩抗拔桩的进一步研究有着深远的意义。 本论文幽现场原型抗拔桩静载试验、抗拔桩室内模型试验和抗 拔桩的理论分析研究三个主要部分组成。本课题现场试验于1 9 9 9 年 5 月结束。由于试验前对抗拔能力估计不足，两根试桩均未拔到破坏 极限。为弥补现场试验的不足，经有关方面协商确定在现场试验的 基础上进行室内模型试验，同时进行了有限元分析。通过试验研究 和数值分析，论文主要研究了岩层中抗拔桩桩侧摩阻力分布规律、 荷载传递和破坏机理，由此提出了该类型抗拔桩单桩竖向抗拔承载 耍童窑塑盔兰塑主婴窒生堂焦迨塞 星曼| l - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ l _ _ - _ _ l _ - i _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - 。一。一 力的计算方法。其中的数值分析部分，由于时间有限本人并未亲自 计算。然而为使论文更为完善以资和试验结果进行对比，转摘了课 题组所得结论。 一一 亘壹奎鎏盔兰塑主塑窒兰兰焦迨壅兰二j 一 _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ - _ - l _ _ - _ _ - _ l _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - 一 一 第2 章抗拔桩现场静载试验 2 1桩基试验概述 桩基试验研究的传统方法仍不外乎是现场静载试验和室内缩尺 模型试验。近年来，还有动力试验法和根据地基土的室内力学性能 指标试验所做的有限元分析等。下面简述这几种方法“”a 1 现场静载试验桩的现场静载试验虽然较麻烦且费钱费 时，但 j f 于它能较可靠地确定桩基的设计参数和桩的承载力，所以 至今在国内外仍广泛采用，且任何替代方法都还没有成熟到可不用 它作为对比标准的程度。目前，现场静载试验研究的主要内容要有 以下几个： 1 ) 研究桩内力和位移的计算方法在水平力和力矩作用 下桩基发生水平位移和转动，桩的侧面和承台坐板侧面土壤产生 抗力，其抗力分布规律和大小，一直是争论和研究的焦点。依照 土抗力假定分布图式的不同，有多种计算内力和位移的方法。实 际上随土类和性质的不同，土抗力分斫i 规钭j 是有差别的。究竟采 用何种土抗力分布图式为宜，就需通过桩的水平荷载试验，积累 土的抗力分布规律和数值资料。 2 ) 确定桩承载力计算公式摩擦桩单桩极限承载力计算 公式，不论是铁路桥梁设计规范还是公路桥梁设计规范所引者均 为半经验半理论公式，主要原因是影响单桩极限承载力的因素多 而复杂，如试桩地质资料欠准确，桩的入土深度的影响较难考虑， 砂性土和碎卵石类土的资料较少等等，所有这些都影响了所制定 的极限摩阻力值的准确性和代表性。 支承于岩层上和嵌入岩层内的柱桩除与整体岩块的力学性 质有关外，还应考虑并主要取决于岩体的结构状态，即取决于岩 层是否有临空面、岩层裂隙发育程度、走向及填充物性质等。对 钻孔桩还需考虑清孔的影响。铁路桥涵规范的公式是综合国内外 钻孔桩容许承载力公式而得到的，所考虑的清孑l 影j 相的资料根据 不多，对嵌入岩层内的桩未考虑桩底支承力随嵌入深度增加的变 堕童奎鎏查兰堡主塑塞竺兰笪笙塞 苎呈至要一 化。另外，目前所有钻孔桩容许承载力公式都采用岩石单轴极限 强度作为计算的基本参数，其取值大小对承载力有决定性影响。 正是由于上述几个方面的问题，需要有计划地开展各种地层中单 桩及群桩的现场静载试验和研究，以逐步解决上述问题。 2 室内模型试验模型试验是目前研究桩基问题的常用方 法。 模型试验的主要优点是： 1 ) 可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界环境的影响； 2 ) 可以突出主要因素而略去次要因素和进行重复试验，有利于 验证或校核新的理论； 3 ) 与直接试验相比，节省人力、物力和时间； 4 ) 对某些正在设计的结构，可利用模型试验来比较试验设计方 案的合理性： 5 ) 当所研究的对象尚未或难以建立数学模型时，模型试验可能 是最重要的研究手段。 模型试验的主要局限性是： 1 ) 一般结构模型试验的试验周期长、工作量大，大比例模型试 验更是如此； 2 ) 相似条件难以完全满足； 3 ) 直接对小比例模型( c ，) 进行量测时，尺寸效应( 如应 变片面积的影响) 不可忽视； 3 动力试验法用动力法确定单桩极限承载力和检验基桩结 构的完整性，是近年来国内外在桩基研究中取得较大进展的一个方 面。其原因由于桩的静载试验费时费工，经费也大，再加之近年来 桩所具有的承载力已达到用静载试验难以检验的程度。工程的需要 迫使人们寻求其它途径，而动力试桩法就是此种途径之一。 4 有限元分析法有限元法的特点是可以考虑桩周围土的非 线性的应力应变关系，并可由有限元计算程序算出分级加载时桩和 土中应力应变数值和变化，从而加深认识桩土间的荷载传递规律与 破坏机理。如i 9 7 1 年美国r d 埃利森作了受垂直荷载的单桩有限元 分析以探讨钻孔桩的荷载传递与变形机理：1 9 7 4 年西德学者作了桩 顶受有水平荷载的大直径钻孔灌注桩的有限元计算，桩和地基土共 亘蜜銮望盔兰塑主竺塞兰兰垡迨塞 j 塑星- _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ - - _ _ - _ l _ - _ l _ _ - l _ 一 划分为1 0 5 6 个单元( 四面体) 7 3 2 个结点，计算中关有2 1 9 6 个未知 的结点位移；1 9 7 5 年日本对5 0 根直径i m ，长3 0 m 的钢桩基础作了 在水平力作用下的有限元分析。国内近年来也用有限元计算单桩垂 直承载能力，取得一定的进展。 2 2 单桩竖向抗拔静载试验 2 2 1试验场地及工程地质条件 泸州长江二桥是属于国道3 2 1 线隆昌至纳溪高速公路上的一座 跨越长江的特大型桥梁，该桥桥跨的主要结构类型为预应力混凝土 连续刚构，主跨跨径为2 5 2 m ，跨径大且严重不对称。为求得桥梁的 整体平衡，在桥的纳溪一端设置锚碇桥台，由桥台自重和桥台下的 l8 根预应力抗拔桩共同承受桥台所受到的巨大上拔力。 为了考察岩层对抗拔桩抗拔能力的影响，试验场地选择在锚碇桥 台的台位处，在桥台的桩群中心和桥台的路基内各设置一根试桩， 其平面布置见图2 一l 。路基下的岩层主要为中细砂层，桥台基坑下 的岩层主要为泥质粉砂层。试验场地已开挖到设计标高，从地质资 料可知场地处的岩体完整性好，岩石新鲜，但泥质粉砂岩具有脱水 风化特征，而路基处试桩附近的岩层受爆破影响其完整性有所降低。 锚碇桥台场地出露及钻孔揭露地层有新生界第四系全新统和中 生界侏罗系中统砂溪庙组，现分述如下： 1 ) 新生界第四系全新统崩积层( q 。) ： 块石，属临时堆积，即将清运出场地。 2 ) 中生界侏罗系中统砂溪庙组( j ，：) ： 泥质粉砂层及中细砂不等厚互层。 岩层特性分述如下： 泥质粉砂层：紫红色，矿物成分以石英、长石为主，云母及粘土 矿物次之，泥质钙胶结，厚层状构造，粉粒结构，局部细粒相对集 中( 紫红色) ，局部含蓝灰色泥质团块及少量灰白色豆状钙质结核， 偶见4 0 。6 0 。，7 5 。8 0 。两组节理，节理面闭合，局部微冲张， 填充黑色及灰白色钙膜，岩体完整性好，风化微弱。 中细砂岩：紫灰一灰黄色，矿物成分以石英、长石为主，云母次 之，钙质胶结，厚层状结构，中细粒结构，层理较发育倾角约2 0 。， 亘壹銮鎏盔兰堡主竺塞生兰垡笙塞 兰1 2 2 l _ i - _ - - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ - _ l _ - - l _ _ - l _ l - _ _ _ - _ _ _ _ 一 局部紫红色粉砂质及粗粒含量集中，局部砾岩透镜体发育，局部夹 白色钙质结核，偶见倾角4 5 。和 5 。的节理，节理面微张。充填褐 黄色钙膜，岩体完整，风化微弱。两根试桩处的地质柱状图如2 2 中的a ) 和b ) 所示。 图2 1 试桩平面布置图 单位：“ 卫2 9 i5 伤块石土 卫2 8 75 中细砂岩 泥质粉砂岩 r 习 l i j 卫2 4 6 a ) 1 号桩 图2 2 试桩处地质柱状围 泥质粉砂岩 b ) 2 号桩 2 2 2 现场试验目的 相对受压桩而言，抗拔桩受荷机理的研究还不成熟，而岩层中抗 引h | 图阏 亘蜜銮鎏盔兰塑圭塑壅生兰堡笙塞 笺! ! 里 拔桩的研究更是欠缺。因此通过直接的静载试验来确定单桩抗拔承 载力显得更有必要。由于该桥技术复杂程度高，锚碇桥台能否提供 足够的抗拔力关系到全桥的成败，而位于岩层中的抗拔桩的抗拔力 计算又无规范可查，故需进行抗拔桩的抗拔试验，以检验设计的正 确性，并为今后同类型桩的设训和施工提供有用的参数和经验。 本抗拔桩现场试验的目的是： 1 研究试桩的单桩抗拔极限承载力； 2 分析试桩内力沿桩身的分布规律； 3 分析试验场地处摩阻力沿桩身的分布规律； 4 分析抗拔桩的破坏模式和传荷机理； 5 山试验结果推算工程桩的抗拔极限承载力。为岩层中抗拔桩 的工作机理和设计计算方法的进一步研究积累经验和数据。 2 2 3试验方案 试验桩共设置两根，处于微风化岩层中，采用人工挖孔。整个 桩身形成凸凹不平的锯齿型，如图2 3 所示。试桩采用与工程桩相 同的f 方形截面形式，边长为1 5 m ，桩长分为l o 0 m ( 不设扩大头) 和l5 5 m ( 设扩大头) 两种。试验桩沿桩长选择了5 个截面埋设钢筋 计以测试受拉钢筋应力。其中桩底和靠近地面处各设2 个钢筋计， 其余断面各设4 个钢筋计。具体布置见图2 4 。 1 反力系统反力系统按提供2 0 ，0 0 0 k n 的上拔力考虑，采 用两片主梁并列的形式，该主梁为组合式钢箱梁，主梁下设c 3 0 混 凝土支墩，其表面下设霹一层由8m m 的钢筋网。基准系统根据现场的 情况采用两根1 6 号槽钢。试桩的预应力钢绞线通过盖帽与主梁连接， 千斤顶设置在主梁与盖帽之间。反力系统的布置见图2 5 。本次试 验采用4 个6 0 0 吨的千斤项，4 个千斤顶用多通管与油泵相连，保证 了其同步工作。 2 测量装置试桩中埋设钢筋计，沿桩的长度共设置5 个截 面。钢筋计应力采用7 v l3 数据采集仪测试。桩身位移用布置于桩项 的4 个百分表量测，用两个百分表监控反力梁的挠度。百分表以磁 性表座固定在基准梁上。 亘童奎鋈盔堂堡主堡塞生兰垡笙塞一丝三兰| l 图2 _ _ 3 桩身的锯齿形边界示意圈 ， ， 地面 暑 n 钢筋计 试舭 p e a ) 平面单位： 锚具 b ) 立面单位： 图2 5 试验装置布置图 凝土支墩 亘塑奎些盔兰塑主竺塞生堂笪迨塞 蔓! i 夏 2 2 4试验过程 整个试验步骤按相关规范的有关规定进行，根据设计要求确 定最大加载上拔力为2 0 ，0 0 0 k n ，试验时荷载分为1 0 级逐级施加，采 用慢速维持荷载法。试验稳定标准以l h 内的上拔量不超过0 1 m m 、 并连续出现两次为准。 试验过程中，当出现下列情况之一时，即可终止加载。： 1 )上拔荷载为桩受拉钢筋总极限承载力的o 9 倍时； 2 )某级荷载下，桩顶上拔位移量为前一级荷载作用下的5 倍； 3 )试桩的累计上拔量超过1 0 0m m ； 整个试验过程中，不仅对试桩的上拔量进行了观测，而且对桩 周地面土的变形情况和桩身外露部分的异常情况进行了观测记录。 加载过程中，1 号试桩当加载至1 2 ，0 0 0 k n 时，由于千斤顶行程不够， 在完成该级加荷后，就卸载至零，对千斤顶位置和反力系统作了调 整后再次加载。加载至1 8 ，0 0 0 k n 时，4 个千斤顶行程已接近极限， 稳定后，就开始卸载试验。2 号试桩荷载加至2 0 ，0 0 0 k n 时，已将近 达到反力系统的极限，故在桩身位移稳定后即开始卸载。 2 2 5 试验资料分析整理 1 桩身轴力分析由实测截面处的钢筋计应力可以求出桩 身各截面间的相互作用力m ： i = 彳“口“+ 生e h a ( 2 1 ) d g 式中 盯。一第i 个截面处钢筋计的应力； a 。一第i 个截面抗拔主筋的截面积； e 。一抗拔主筋弹性模量； e 。一桩身混凝土弹性模量； 以一桩身混凝土净截面积； 根据试桩桩身各截面在不同荷载时的钢筋计读数，计算得到的 两根试桩各截面在各级荷载下的轴向力数值见表2 1 和表2 2 ，其 沿深度的分布形式如图2 6 。 亘塞銮鎏盔兰塑主塑塞竺兰焦丝塞 差! ! i l - _ - _ _ _ - - _ _ - - _ _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - l _ _ _ - l _ _ _ - _ _ - 一一 i i 。i l i 。i i 墨垫 酞擘 渗t 7 p = 2 0 m n 丽 p - - 4 m n - ) t 号桩 b ) 2 号桩 图2 - 6 试桩在各级荷载作用下的轴向力；_ 旨桩身的分布 表2 11 号桩各级荷载下桩身轴力 ( k n ) 深度荷载 ( i 1 1 )2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 01 4 0 0 01 6 0 0 01 8 0 0 0 2 5- 3 9 05 8 5- 7 8 0一1 1 7 l1 3 6 6一1 7 5 62 1 4 7- 2 3 4 22 9 2 8 4 56 7 9- 9 7 0一i5 5 22 0 372 6 1 93 1 0 43 4 9 24 0 7 44 8 5 0 6 51 1 2 7 1 8 7 93 1 9 43 7 5 84 5 1 05 6 3 7 一6 0 1 3 7 1 4 17 8 9 2 8 51 1 9 32 3 8 33 8 5 64 7 6 75 5 8 76 17 36 8 0 67 8 2 l一9 1 8 4 9 57 4 11 1 1 l1 4 8 22 2 2 33 3 3 45 2 9 0 6 4 0 0 7 4 9 87 5 2 3 表2 22 号桩各级荷载下桩身轴力( k n ) 深度荷载 ( m )4 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 01 4 0 0 0 1 6 0 0 0 1 8 0 0 02 0 0 0 0 2 56 31 6 9- 2 5 4- 2 9 7- 4 4 6- 5 9 4 7 0 0 7 8 5 8 9 2 4 51 7 1 - 3 5 76 2 3- 8 0 61 0 2 01 2 3 51 4 5 11 6 1 217 8 4 6 57 2 3 1 4 4 62 4 6 7- 3 7 8 75 1 0 6- 6 3 8 27 6 5 97 6 5 99 3 6 1 8 51 2 4 717 0 43 2 8 43 8 2 4 4 5 5 9 4 7 5 7 一4 8 2 2 4 8 2 24 4 1 0 9 51 0 6 11 4 8 21 9 2 22 0 4 22 0 4 22 7 6 43 3 8 43 9 0 44 2 3 7 o 2 4 6 8 o ( 山) j 5 j 骚 亘壹窑鎏盔兰堡主堑窒生兰丝迨奎 兰! 呈2 l 由图可以看出，两根试桩的轴向力分布具有明显的规律性。试 验中两根试桩的着力点均在桩的下部。钢筋计量测结果表明，着力 点以下桩身各截面均为拉应力。说明两根试桩的下部均为受拉钢绞 线的锚固段。经过试桩下部锚固段的作用，上拔力传递到试桩上， 桩身着力点以上各截面均承受压应力，并且在着力点附近，各截面 轴向压力较大。在上拔力沿桩身向上传递的过程中，必须不断地克 服由于桩岩相对位移作用在桩壁上向下的摩擦嵌固力。因此，桩身 各截面轴力沿桩身向上逐渐减少，这与理论分析相符。 在桩的着力点附近，桩身内力变化急剧，从钢筋计应力分布情 况可以看出，即使在桩身同一截面，应力分布也不均匀。 从轴向力分布图还可看出，桩身各截面的轴向力随着所施加的 外荷载增加而增加，且增加的幅度与外荷载增加的幅度比例基本上 是相同的。这说明不但桩身的大部分截面在弹性范围内工作，而且 桩周岩层的阻抗作用也是线性的。 在桩身最下部钢筋计截面上仍有相当大的拉应力，说明在桩底 可能存在着较大的拉力。l 号桩由于桩身的实际着力点更靠近桩底， 表现得更明显。分析认为桩底拉应力的产生主要在于清孔较为彻底， 桩底与周围岩层之间的粘接牢固，桩侧混凝土与周围岩层紧密咬合， 整个桩体与周围岩层形成一个整体，从而提高了桩的抗拔极限承载 力。 2 桩侧摩擦嵌固力由上述求得的桩身截面轴力，根据图2 7 所示的计算示意图，推求桩周各段所受的摩阻力r ： e = 。一 ( 2 2 ) 则该段岩层单位面积的平均摩擦嵌固力： z = 旦u h , ( 2 3 ) 式中 ，一桩侧平均摩擦嵌固力： u 一桩身周长： 矗。一桩身分段计算长； 计算得到的两根试验桩桩身截面在各级荷载作用下的桩侧摩擦 嵌固力数值见表2 3 和2 4 ，其沿深度的分布如图2 8 。 要蜜奎塑盔兰塑主竺窒生堂丝鎏茎 蔓! 堡 抗拔 桩 重 f p 以 图2 7 摩擦力计算示意图 申。 n i + 表2 31 号桩各级荷戴下桩侧摩擦嵌固力( k n m 。) 荷载( k n ) 深度( i i i ) 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 01 4 0 0 01 6 0 0 01 8 0 0 0 0 2 52 5 43 8 15 0 87 6 28 8 91 1 4 81 3 9 4 15 2 1 1 9 0 4 2 5 4 52 3 53 0 76 i 66 9 6j 0 0 51 0 7 6j 0 7 41 3 8 j1 5 3 2 4 5 6 53 6 67 4 81 3 4 21 4 0 41 5 4 52 0 7 02 0 6 6 2 5 0 8 2 4 8 9 6 5 8 。54 93 8 14 9 97 6 28 1 34 0 45 9 95 1 39 7 5 8 5 9 51 0 17 7 81 0 2 01 5 5 31 6 6 78 2 61 2 2 91 0 4 51 9 9 3 表2 42 号桩各级荷载下桩侧瘁擦嵌图力( k n m ) 荷载( k n ) 深度( i 1 1 ) 4 0 0 06 0 0 0 8 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 0 1 4 0 0 0 1 6 0 0 01 8 0 0 02 0 0 0 0 o 一2 53 9 11 0 41 5 61 8 22 1 4 3 6 5 4 3 o 4 8 25 4 8 2 5 4 58 31 4 4 2 8 3 3 9 14 4 2 4 9 35 7 76 3 56 8 6 4 5 6 54 2 08 3 11 4 0 82 2 7 53 1 1 83 9 2 84 7 3 9 5 3 3 05 7 8 3 6 5 8 51 5 6 32 1 9 5l7 2 31 8 4 017 9 82 2 0 32 7 1 0 3 6 4 74 7 9 8 8 5 9 5 3 0 13 6 0 2 2 2 72 8 9 14 0 8 43 2 3 62 3 3 31 2 4 42 8 1 西南交通大学硕士研究生学位论文；盟7 理 摩阻(kpa)摩阻(kpa) 05 01 0 01 5 0200_25001 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 05 0 0 6 0 0 1 9 , ) 1 号桩 b ) 2 号桩 图2 - 8 试桩在各级荷载作用下摩擦嵌固力分布图 由图2 7 可知，1 号试桩的摩擦嵌固力沿桩长分布较均匀，2 号 试桩的摩擦嵌固力分布呈上小下大的趋势。这也符合c o a t e s 和y u 的有限元分析结果，c o a t e s 和y u 认为，沿抗拔桩长度结合应力r 的 理论变量为抗拔桩与地基的弹性模量反e 比的函数。即弹性介质中 理想抗拔桩桩一岩结合应力的分布取决于抗拔桩弹性模量e 。与地基 弹性模量e ，之比。比值愈大应力分布愈均匀m ，。当然这是一种过于 理想的情况，必须使桩侧壁与桩周岩土层不存在任何局部脱开( 剥 离) 、滑移，而且岩体中不存在任何节理裂隙。 分析现场试桩的摩擦嵌固力可知，其结果与理论分布和已有的 经验分布相吻合，证明了现场测试结果的可靠性，为工程桩的设计 提供了重要的参数，并为今后同类型抗拔桩的设计施工提供了经验。 两试桩在最大加载量时的平均摩擦嵌固力分别为： 1 号试桩：，。= ( 1 8 0 0 0 1 5 1 5 x f o x 2 5 ) ( 1 5 4 x 1 0 ) = 2 9 0 5 6 k p a 2 号试桩：7 一= ( 2 0 0 0 0 1 5 x 1 5 x l o x 2 5 ) ( 1 5 x 4 x l o ) = 3 2 4 6 k p a 尽管1 号试桩的桩底存在较大的粘接拉力，但由于该处的桩身 截面轴力变化激烈，粘接力的大小不易估算，。故上述计算中未考虑 此拉力的影响。 0 2 4 6 8 o e一龄鹾 一 亘壹奎垄盔兰塑主堕壅生兰堡迨塞 墨：堡噩一 _ - _ l _ _ _ _ _ - - - - _ _ - _ _ _ _ - - l _ _ _ l _ - _ - - _ _ _ l _ _ _ _ - _ - 。一。 由于施工中采用人工挖孔的方法，桩身游深度形成锯齿形变截 面，该曲面边界有效地加强了岩层对桩身的嵌固握裹作用。因而， 桩与岩层之1 4 的相互作用不宜再看作为简单的摩擦力，而应是摩擦 力、嵌固力与粘接力的综合，故采用桩侧摩擦嵌固力这一提法。 3 试桩抗拔承载力图2 9 绘制出了两根试桩的荷载- 位移 曲线。由图可以看出，两根试桩在最大加载量时的位移均不足1 咖， 且基本上呈线性状态发展，从轴力图和和摩擦嵌固力图可以看出， 桩的抗拔能力还有较大的潜力。故可断定两根试桩的极限抗拔力均 大于2 0 ，0 0 0 k n 。 o 2 4 6 81 01 21 4 荷孰8 p ( 2 m o n 2 ) 2o 2 4 6 81 0 1 21 焉莪f 船咝 o o 0 1 0 2 喜 百 o 4 a ) 1 号桩 0 0 0 1 0 2 l 誊0 4 b ) 2 号桩 图2 9 试桩的荷载一位移关系曲线 试验中由于加载设备所限，试桩未能达到破坏状态。一般认为， 当试桩的位移很小以至于难以由此推求试桩的极限荷载时，可根据 试验时桩土体系的反应由试桩的容许位移推求试桩的容许荷载或容 许承载力，或利用荷载一位移曲线的数学描述公式预测其极限承载 力，如双曲线法、抛物线法、指数曲线法n ”“、幂函数法等“”。这些 方法各自依据对荷载位移关系的不同假设，卣试验数据对理论曲线 进行拟合以求出极限荷载来。但本次试验的两根试桩在加载的末段 没有呈现出位移加速的特点，特别是2 号试桩，在最后几级荷载时 竟出现了零位移，因而试桩的位移随荷载作用的发展趋势难以判明， 故不宜采用上述方法。 亘壹奎望盔堂塑主坚塞生兰丝笙窒 兰! ! 要 - _ l _ - - _ - i _ _ - - - - - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ - l _ _ l - - l _ _ _ l - - - _ _ - - _ _ _ _ - 。一 2 3抗拔桩现场试验结论 通过对现场试验资料的研究分析，可以得出以下结论： 1 两根试桩在达到最大加载量时的位移均小于1 咖。且其曲线 仍呈线性发展趋势，即桩身仍处于弹性受力阶段，并且从轴力图和 摩擦嵌固力图可以看出，桩的抗拔能力还没有充分发挥，固可断定 两根试桩的极限抗拔承载力均大于2 0 ，0 0 0 k n 。 2 由于试桩桩身与基岩结合良好，有效利用了岩层对试桩的握 裹粘接作用，所以试桩在上拔荷载的作用下位移极小。因为工程桩 与试桩的地质及施工条件均相同，而且在桩端设置了扩大头，所以 可以推断，工程桩在设计荷载作用下的位移不会太大，也不会对桥