支盘桩抗拔性能的试验分析与研究 .pdf

煤炭工程 2010 年第9 期 支盘桩抗拔性 能的试验分析与研 究 黄 占芳 刘永强 山东 理工 大学 山东 淄博255049 摘要 论文结合静载荷试验 对抗拔支盘桩进行 了轴力测试 详细分析总结 了在工作状态 时总侧摩阻力 总盘端阻力的发展及分配规律 同时指 出桩径 地基土的性质 支盘设置数量及 竖向间距是影响支盘桩承栽力的主要 因素 得 出的结论为进一步研 究支盘桩的荷载传递规律提供 了参考价值 关键词 支盘桩 抗拔 侧摩 阻力 盘端阻力 承载力 中图分类号 TU47 文献标识码 A 文章编号 1671 0959 2010 09 0094 04 E x p e ri m en t a n al y si s a n d stu d y o n a n ti p u l l i n g p e rf o rm a n c es o f b ra n c h p il e H U A N G Z h an fang L IU Y o ng qi an g Shandong U ni versity of Tec hnol ogy Z i bo 255049 C hi na A b strac t In c om b i nati on w i th th e stati c l oad test an ax i al forc e m easurem en t and test W as c ondu c ted on the anti p ul l i ng ranc h p i l e and the d evel op m ent an d di stri buti on l aw of the total si d e fri c ti on resi stanc e and bul b en d resi stan c e i n th e w orki ng status W as analyzed i n detai l and su m m ari zed T he p aper proposed th at the pi l e d i am eter th e foun dati on soi l property the b ran c h pi l e num ber and verti c al span w ould b e the m ai n fac tors affec ted to the l oadi n g c ap ac i ty of th e b ranc h pi l e T he c onc l u si on obtai ned c ould provi d e th e refere nc e value to the further stu dy on the l oad i ng tran sm i ssi on l aw of the branc h pi l e K eyw ords b ran c h pi l e anti p ul l i ng si de fri c ti on resi stan c e p i l e en d resi stanc e l oad i n g c ap ac i ty 普通等截面桩基础抗拔力是由桩侧摩擦阻力及桩身自 重提供的 造价较高 其抗拔力较小 与此相 比 支盘桩 不仅有桩侧表面摩擦提供抗拔力 而且变截面处的承力支 盘 也扩大了桩 一土 间的接触 面积 最重 要的是 可 以在 桩 体设置多个支 盘 与扩底桩相比又大大增加了端承面积 提供了较大的端承抗拔阻力 并能充分利用盘顶以上土体 的自重 因而支盘桩具有很好的抗拔性能 而且其抗拔承 载力十分稳定 施工方法也比较成熟 虽然 目前已有文献 报道利用支盘桩抗拔可以节约投资 但由于目前对支盘桩 抗拔机理及工程性 状方 面的研究 还较少 人 们对其 认识 不 足 导致抗拔支盘桩在工程上的应用较少 因此对支盘桩 进行上拔荷载作用下的研究是非常必要的 1 支盘桩的抗拔机理 支盘桩 的抗拔作用机理如图 1 所示 一 般当桩顶承受上拔荷载时 桩身开始承受拉力 当 荷载到达一定值并大于桩身 自重时 桩土出现相对位移 而摩阻力从上往下逐渐地发挥 在荷载不断增大时顶盘首 先发挥承载力 然后是向下第二个盘 依次向下发展 因 十 图 1 支盘桩的抗拔作用 此不同的盘发挥承载力是有时间效应的 各盘达到极限承 载力的时间是不同的 桩侧的摩阻力先于支盘承载力的发 挥 桩侧摩阻力先达到峰值并进入软化阶段 支 盘在达 到极限承载力时 所需的相对位移较大 支盘桩在变截面 处轴力发生突变 因此对支盘桩来说 支盘的位置不同 其抗拔着力点不 同 相应的轴力分布曲线也不同 故合理 设置支盘并控制好支盘的问距 将有利于提高抗拔承载力 对抗拔支盘桩荷载传递的研究是该桩抗拔承载力研究 的重要内容 研究该桩的荷载传递过程 就是研究在上拔 收稿 日期 2010 01 17 作者简介 黄占芳 1978 一 女 山西临汾人 讲师 2005 年毕业于太原理工大学岩土工程专业 现在读岩土工程博 士研究生 山东理工大学任教 主要从事土力学与基础工程的研究 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年第 9 期 煤炭工程 荷载作用下 桩侧摩阻力 盘端摩阻力是如何分担桩顶荷 载 的 两者相互 间的干 涉影 响关 系 两者 的发 挥过程 和分 布规律 以及影响荷载传递的主要因素等 只有对上述各 方面作深入的分析研究 才能对支盘桩的抗拔性能有所认 识 为了分析和阐明支盘桩 的荷载传递机理 本文结合工 程实践 对抗拔试桩进行了静载荷试验 并对其试验结果 进行了系统的分析 2 支盘桩抗拔试验及其结果分析 2 1 试桩概 况 本次试验结合山西省通信公司拟建山西通信信息技术 研发综合楼桩基础工程进行 建筑桩基采用混凝土灌注桩 并采用扩底后压浆和支盘工艺 设计桩径 700m m 根据设计要求 竖向抗拔桩施工工艺为挤扩支盘 盘径 1 4m 试桩设计桩长为 31 3m 桩顶位于标高 0 0m 以 下 1 5m 单桩竖向抗拔极限承载力标准值不小于3000kN 试桩桩身设两个盘 盘高 1 3m 上盘位 于桩顶以下 18 3m 处 下盘位于桩顶 以下 24 3m 处 以承力盘最 大直径 处计 位置见 图 2 图 2试桩应 力计布置 图 为了测定抗拔支盘桩 的荷载传递特性 试桩施工过程 中 分别在桩身对称的两根主筋上安装了钢筋应力计 因 此同一截面上有两个测点 共有 7 个截面 14 个测点 应力 计布置情况详见图2 2 2 试 验方 法 本次试验采用的是静载荷试验的方法 反力架加载设 备 在整个的试验 过程 中严格 按照试 验 的规程进行 确 保 试验结果的参考价值 静载荷试验是揭示桩的荷载传递规律的重要的方法之 一 通过对载荷试验测得数据的整理 才能充分说明和验 证桩的受力特性和变形性状 本试验是对挤扩支盘桩进行 抗拔 在整个试验过程 中理论上桩端阻力是不存在的 所 以在对试验数据的整理和计算中只考虑侧摩阻力和支盘阻 力 2 3 试 验 结果 2 3 1上拔荷载与位移 Q s 关系曲线的分析 试桩加 载至 3000 kN 桩 顶总 上 拔量 17 793m m 达 到 预定加载终值 停止加载 上拔位移和相对应的荷载关系 见图 3 J 一 一 O 1O 0o 2 x 0 N 图 3 抗拔试桩 Q S 曲线 由于工程设计的需要 试桩的最大加载量和上拔量受 到限制 因此该桩未加载至极限荷载 从上图可 以看 到 上拔荷载与位移的关系曲线较为平缓 均未出现陡降段 在上拔荷 载 小 于 18 kN 时 上拔 荷 载与 位移 呈 直线 平缓 状 说明土体变形 处于 弹性变 形 阶段 当上拔力 大 于 1800kN 时 曲线斜率稍为变陡 土体中出现弹塑性变形 在最大上拔荷载作用下 桩顶位移量仍然不是很大 说明 试桩所受的上拔荷载均未达到极限值 而是随着上拔位移 量的增加保持同步增加 并呈现 抗拔后劲 的现象 故 该桩的单桩竖向抗拔极限承载力均大于或等于 3000kN 2 3 2不同轴力随深度变化曲线的分析 本次试验采用钢 弦式钢 筋应 力计测 试桩 身轴力 试 桩 施工前 在桩的两根对称主筋上布置应力计 应力计与主 筋间通过搭接焊连接 当桩进行静载试验时 钢筋应力计 中钢弦的振动频率就会发生变化 用 GPC 一2 型钢弦频率 测定仪测出钢弦的频率变化就可得出钢弦的受力大小 通 过下面方法 计算出桩身轴力 第一步 根据厂家提供的 GJL 2 型钢筋应力计工作直 线方程表求出应力计上受的拉力 第二步 假设某一截面上钢筋和混凝土的应变是相同 的 利用公式 N i d n FsAs 1 得出桩身某截面轴力 式中 i 第 i 级荷载下第 截面桩身轴力 分别为混凝土和钢筋的弹性模量 M Pa Ac 混凝 土的截 面积 As 应力计的截面积 95 m 0 E 鲫 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 煤炭工程 2010 年第 9 期 As 单根钢筋的截面积 n 桩中钢筋 的根数 取 n 14 本次试 验 中 试 桩 混 凝 土 等 级 为 C35 近似 取 E c 3 15 10 M Pa 应力 计钢筋 采用 O 12 钢筋 采用 14 根 0 32 近似取 2 0 x 10 M Pa 根据式 1 分别计算出各级荷载下桩身各截面处轴力并 绘制其轴力图见图4 轴 力 l N 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 厂 r y l 产 t f 7 参 图 4 试桩桩身轴力 随深度的分布 一 60 0 目 一 9 0 0 士 12 O O 1 5 0 O 1 8 O O 鲁 2 l O O i 2 4 0 0 一 2 7 0 0 一 3 0 0 0 由图4 看出 挤扩支盘桩在上拔荷载作用下轴力分布 曲线类似于直桩的抗拔轴力分布曲线 即轴力随着深度的 增加而递减 这点可以从上拔荷载作用下桩的受力分析得 到 所不同的是 在支 盘位置处 轴力发 生 了急 剧变 化 轴 力明显 降低 其损 耗的轴 力完全 由支 盘所承担 从 而使得 支盘桩在上拔荷载作用下的荷载传递特性比直桩发生了显 著变化 为了更清楚的看到这一点 下面将从支盘阻力和 桩侧摩阻力两方面加以分析 2 3 3支盘阻力及侧摩阻力 各级荷载下 桩身某段分担的荷载值由下式计算 F i i 一 i Z 2 式中 F i 为第i 级荷载下桩身截面 到 z段分担的 荷载 N 特别地 当 及 I截面分别位于承力盘上下时 F i 即为该承力盘在第 级荷载下分担的荷载值 N i 为第 i 级荷载下第 截面桩身轴力 i 1 为第i 级荷 载下第 1 截面桩身轴力 由式 2 计算出桩身各段分担的荷载值汇总见图 5 支 盘分担荷载百分 比见图 6 直桩段分担荷载百分 比见图 7 图 6 反 映 了各 承力 盘在各级 荷载作 用下所分 担的荷载 值 可以清楚的看到 在加荷初期 总荷载主要 由侧摩阻 力承担 支盘只承担很小一部分 当荷载为 600kN 时 支 盘只承担 3 67 随着桩顶荷载的加大 支盘承担的荷载 逐渐增大 当荷载 加到 1800kN 时 上 盘 承担 荷载 突 然增 大 承 担 荷 载 百 分 比 由 9 33 增 加 到 2100kN下 的 16 29 而当荷载加至最大荷载 3000kN 时 上盘承担的 荷载百分 比较上一级荷载有减 小趋势 从 23 8l 降至 23 63 此 时 下 盘 承 担 荷 载 的 百 分 数 明 显 增 大 由 14 81 增至 18 40 从曲线看出 桩顶荷载加至接近最 大值时 上盘承担荷载值趋于下降 而下盘承担的荷载值 9 6 Z 啦 丑 上 掣 靶 一一 士 口 口 l o 卢 d P t 生 毒 P 电 十O 16 7m 段 19 2 2 7 m 段 叫 一25 30 3m 段 口 总摩阻力 O i 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 桩顶荷载 kN 图5试桩直桩段侧摩阻力随荷载变化 n 直 f r l 上盘 下盘 A 两盘 一 总摩阻力 O l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 桩顶荷载 l N 图 6 3 试桩支盘和总侧摩阻力荷载分担值 日 一日 日 错 l 0 16 7m 段 19 22 7m 段 25 3 0 3m 段 O 100 0 2 000 30 00 400 0 桩顶荷载h N 图7 3 各桩段侧摩阻力占桩顶荷载的百分比 趋于上升 这正说 明 随着桩 顶荷 载的加 大 上面 的承力 盘先受力而下 面的承力 盘滞后 这 也充 分说 明 支 盘在上 拔荷载作用下 对其上端土体产生压应力 土阻力明显增 加 作为其反作用力使得支盘阻力也随之增加 且上拔位 移越大则其增长速率越快 甚至快到极限荷载时支盘阻力 可达到上一级荷载下的2 倍左右 这一现象可以这样解释 当荷载较小时 桩顶上拔荷载主要由盘上直桩段产生的侧 摩阻力来承担 但随着荷载的增加 桩侧摩阻力达到极限 桩顶所增加的荷载首先主要由靠近桩顶的支盘承担 当上 盘承担的荷载达到极限时 下盘才开始充分发挥作用 这 也说明挤扩支盘抗拔桩各支盘承担荷载存在时间效应 这 种荷载传递的规律基本上符合理论并且也验证了前人研究 O O O O O O O O 0 O 0 加 舳 加 O O O O 0 D 0 D D 枷瑚 枷姗 z 雹 龃 O 5 O 5 O 5 O 5 0 0 0 吕 加 如 如 加 0 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年第 9 期 煤炭工程 所得 到的一些结论 从图7 还可以看到 在加载的初始阶段 截面 1 以上 的总侧摩阻力承担桩顶总荷载的 80 以上 随后其增长缓 慢 桩顶荷载加至 2400 kN 时 侧摩阻力即将达到极限值 从 曲线看 之 后 呈平 缓趋 势 而其他 段 和 此段 恰 好相 反 开始时曲线变化较缓慢 而到了2700 kN 以后 曲线有上升 的趋势 在这几段 中平均侧摩阻力始终是从上至下依次减 小 这说明在整个加载过程中上盘以上直桩段的侧摩阻力 已达到极限 而其他段均未达到 加载初期 总侧摩阻力 占总荷载的比例较大 随后逐渐减小 支盘阻力 占总荷载 比例是先小后大 这证明了支盘和侧摩阻力之间存在互补 关系 而且在时间效应上看 往往是上部桩侧摩阻力先达 到极限值之后支盘和其下部摩阻力才会有效地发挥其各 自 的作用 3 影响支盘桩抗拔承载力的因素 3 1 桩 径 对支盘桩 抗拔 承 载力 的影响 挤扩支盘桩承载力之所以比直杆桩有较大幅度的提高 主要是支 盘端 承力 起很 大 作用 因此 为 了提 高 承载 力 单纯加大支盘桩的桩径和加大摩擦直杆 的桩径一样 是不 经济的 另外 混凝土的极限承载力提高的值都随桩径的 增大而减少 在桩 长 支盘 数一 样的情 况下 直 径大 的桩 承载力更高 3 2 挤扩 地基 土对 支盘桩 抗拔 承载 力的 影响 在挤压支盘过程 中 使 支盘 周 围地基土 受压 密作用 承 载力提高很多 这是 由于桩侧摩阻力极限值增大的缘故 多分支承力盘成型挤密的效果明显 同样提高了支盘桩的 承载力 3 3 支盘设 置 数 量及 间距 对 支盘桩 抗 拔 承 载 力 的 影响 在允许设置支 盘的 土层 中 支 盘数越 多桩 的承载 力就 越 高 但并非可 以无限 制地设 置支盘 支 盘设 置过多 将延 长施工时间 降低成孔质量 同时分支盘距太近将影响其 他 已成支盘 而支盘 对地基 土压力 的重叠 效应 可能使 多设 的支盘不起作用 也影响了桩承载力的提高 支盘竖向间 距适当增加 能充分发挥支盘的承载作用 根据试验研究 表明 盘与盘的竖向最小问距应大于4d d 为桩径 4 结论 通 过挤 扩支盘桩抗 拔 的现场静 载荷试 验 研究其 荷载 传递性 状 结论 如下 1 抗拔支盘桩的 Q S 曲线为缓变形 对于支盘桩的 单桩抗拔极限承载力 应在桩土强度范围内以变形控制为 主 2 从轴力图可以看出 沿桩身轴力从上到下是依次减 小 并且在支盘上下轴力突变 轴力 的突变正说明支盘在 起作用 从而提高支盘桩的抗拔承载力 而且从整个加载 过程看 各承力盘 承担荷 载是有 时 间效应 的 一 般情况 下 是位于最上面的先承担 当上部承力盘的承载力接近或达 到极限荷载时 下部承力盘受力能力才能得到正常发挥 由上而下依次发挥作用 3 从侧摩阻力 的发展来看 当所加荷载比较小的时 候 所 加荷 载主要 由桩上部 的侧摩 阻力所 承担 随着外荷 载的加大 支盘开始发挥作用 当盘上部桩侧摩达到极限 时 所增加 的外 荷载全 部 由支 盘承担 当盘 承载力 达到极 限时 其下面的桩侧摩阻力再发挥作用 可见桩侧摩阻力 的发挥也是有 时间效应