劉波+等

摘 要：為了了解大直徑擴底嵌巖樁在高層建筑中的抗拔承載力及影響因素，以深圳某高度為660 m的超高層工程為背景，采用自平衡法對3根大直徑擴底嵌巖抗拔樁進(jìn)行加載試驗。在試樁試驗的基礎(chǔ)上，建立了擴底抗拔嵌巖樁數(shù)值模型，并進(jìn)行了三維有限差分?jǐn)?shù)值計算及參數(shù)化分析 ，數(shù)值計算結(jié)果與試樁試驗結(jié)果吻合較好，表明建立的模型可以較好的模擬大直徑擴底嵌巖樁的抗拔工作特性。同時討論并分析了大直徑擴底嵌巖抗拔樁的樁身軸力、樁身等直徑段和擴底處側(cè)摩阻力的分布特征，研究了擴大頭周圍巖體彈性模量、擴徑比和擴底高度對抗拔承載力的影響。結(jié)果表明，擴徑比的增大對大直徑嵌巖樁的抗拔承載力影響較大，擴大頭周圍巖體彈性模量和擴底高度的影響相對較小。

關(guān)鍵詞：擴底樁；嵌巖樁；抗拔承載力；自平衡法；數(shù)值分析

中圖分類號：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1098（2015）02-0001-05

（School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology， Beijing 100083， China）

Abstract：For the purpose of studying the uplift bearing capacity of large diameter drilled shaft with belled shaft， 3 piles of self-balance loading tests was carried out. A series of 3D numerical analyses were preformed based on the tests. The uplift load versus displacement curves are in a good agreement with self-balance loading tests. The pile shaft force， side friction of straight shaft and the bell at the bottom and elastic-plastic deformation were discussed. Moreover， it is shown that increase of expansion ratio of diameter will increase uplift capacity accordingly. The elastic modulus of rock around pile and enlarged base was not account as a factor of rock socketed pile uplift capacity.

Key words：belled shaft； rock socketed pile； uplift bearing capacity； self-balance loading test； numerical analysis

隨著抗拔樁在高層建筑、地下廣場、高聳的塔式建筑如電視塔、通訊塔等工程中的廣泛運用，國內(nèi)外的許多學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究[1-7]?，F(xiàn)有抗拔樁的承載機理的研究多為抗拔樁埋置在粉土、砂土等條件下，且埋置在地表或者是地下較淺的位置。對于埋置在巖石中的大直徑的擴底嵌巖抗拔樁的工程資料和承載機理的研究還相對較少。文獻(xiàn)[8]以剪滯模型為基礎(chǔ)，對等直徑嵌巖樁承載力進(jìn)行了分析，并指出當(dāng)抗拔荷載大于彈性荷載時，樁側(cè)阻力將分為兩段，荷載-位移曲線呈非線性變化規(guī)律。文獻(xiàn)[9]依據(jù)某核電廠2根嵌巖灌注樁豎向抗拔靜載試驗結(jié)果表明，嵌巖段的抗拔阻力占基樁承載力的比例較大，其嵌巖段抗拔阻力遠(yuǎn)高于樁側(cè)土層阻力。文獻(xiàn)[10]通過室內(nèi)模型試驗指出，樁巖強度比越大，樁巖界面剪應(yīng)力分布越均勻，側(cè)阻的發(fā)揮受到抑制。文獻(xiàn)[11]根據(jù)三組嵌巖抗拔樁的抗拔承載力模型試驗后認(rèn)為，在設(shè)計施工中，應(yīng)周密考慮擴大頭設(shè)置的深度，以便取得最佳效果。文獻(xiàn)[12]通過5根大直徑灌注樁的現(xiàn)場抗拔靜載試驗和應(yīng)力測試，認(rèn)為抗拔樁的曲線形狀和持力層巖石風(fēng)化程度和樁的嵌巖深度有關(guān)。

深圳某超高層工程主體塔樓高度660 m，樁基工程中包括113根直徑14～20 m不等的嵌巖抗拔樁，擴底樁徑25～35 m，樁長93～241 m，埋置深度在307 m左右，所有抗拔樁樁身均埋置在巖層中。本文針對該工程3根大直徑擴底嵌巖樁的自平衡試驗及數(shù)值計算，分析了樁徑和樁長對大直徑嵌巖樁的拔樁承載性狀、樁身軸力及樁側(cè)摩阻力的影響，并通過變化計算參數(shù)，分析了影響因素對大直徑抗拔嵌巖樁承載性狀的影響。

1 現(xiàn)場試驗觀測與結(jié)果分析

11 場地情況和試樁參數(shù)

3根抗拔樁N111，N132，N172均為人工挖孔嵌巖抗拔樁，試樁參數(shù)如表1所示，樁身的混凝土強度均為C30。工程場地的地層分布和各巖層參數(shù)如圖1和表2所示。

表1 試樁參數(shù)

12 加載過程

采用自平衡法對試樁進(jìn)行加載，試驗時，從樁頂通過高壓油管對荷載箱內(nèi)腔施加壓力，箱頂和箱底被推開，產(chǎn)生向上與向下的推力，從而調(diào)動樁周巖體的側(cè)阻力和端阻力來維持加載。

加載采用分級加載。分級荷載為最大加載值的1/10，第一級可按2倍分級荷載加載。當(dāng)達(dá)到加載最大值時，開始卸載。卸載也采用級卸載，每級卸荷載量取加載時分級荷載的2倍。采用慢速維持荷載法對位移進(jìn)行觀測，每級荷載施加后在第1h內(nèi)，5 min、10 min、15 min、30 min、45 min、60 min時測讀位移，以后每隔30 min測讀一次，達(dá)到相對穩(wěn)定后進(jìn)行下一級荷載。卸載到零后應(yīng)維持3 h，觀測殘余變形。endprint

13 試樁結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)計要求，3根抗拔樁單樁豎向抗拔極限承載力分別為17 400 kN、17 600 kN和12 300 kN。所有樁均加載至設(shè)計要求極限值并停止加載?？拱螛兜暮奢d及荷載箱向上位移的情況如圖2所示，3根抗拔樁的Q-S曲線都比較平緩，擴底抗拔樁的上拔量隨著荷載的增大而增大，3條試樁曲線的斜率隨著荷載的增加均有不同程度的增大。說明隨著荷載的增加，樁身發(fā)生了變形，當(dāng)樁所受上拔荷載增加到一定值時，樁底的擴底部分開始發(fā)揮作用。當(dāng)停止加載時，3根樁的Q-S曲線的樁底向上位移和曲線斜率都較小，說明試樁都未達(dá)到極限承載力，仍有承載空間。

Q/MN

1-N111； 2-N132； 3-N172

圖2 試樁Q-S曲線

樁N111比N132樁徑大200 mm，樁長長10 m。樁N132的變形斜率大于樁N111，說明樁N132的位移增長速率比N111快。樁N172雖然比樁N111樁徑大200 mm，但是樁長短15 m。在加載過程中，樁N172的變形斜率明顯大于樁N111。因此，當(dāng)樁徑差別不大時，在同級荷載作用下，樁長越長，荷載箱向上的位移越小。樁長差異越大，這種趨勢也越明顯。樁N172比樁N132樁徑大400 mm，樁N172比樁N132樁長小5 m，在本次試驗中屬于樁徑相差較大的兩根樁。 在加載過程中，樁N172的變形斜率明顯大于樁N132。 說明就本場地而言，樁徑增大對抗拔樁的總承載性影響有限。

2 擴底抗拔嵌巖樁數(shù)值計算

21 數(shù)值模型的建立

由于本次試樁未加載到樁破壞，同時也未在樁身設(shè)置應(yīng)力計。因此無法進(jìn)一步考慮試樁過程中，樁身軸力及樁側(cè)摩阻力的發(fā)展、樁頂位移等。另一方面，荷載箱的設(shè)置無法考慮抗拔樁擴底部分對抗拔承載力的影響。因此，使用FLAC3D數(shù)值計算進(jìn)一步分析抗拔樁承載力。

考慮到地基及加載條件的對稱型，只取嵌巖抗拔樁-地基的一半建立軸對稱模型，模型樁尺寸與試樁試驗樁一致。為了簡化計算，將網(wǎng)格巖層劃分為強、中和微風(fēng)化花崗巖三層，巖石采用Mohr-Coulomb模型，樁體為彈性模型，巖石和樁體之間設(shè)置接觸面。通過與自平衡試驗得到的Q-S曲線進(jìn)行反分析計算，得到了模型具體參數(shù)如表3所示。以樁N111為例，模型網(wǎng)格如圖3所示。x方向取20倍樁徑寬度為36 m，y方向18 m，z方向為15倍樁長深度為366 m，以消除邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響。

表3 數(shù)值計算參數(shù)

模型上表面為自由邊界，下表面為x、y、z方向位移固定，左右邊界為x方向位移固定，前后邊界為y方向位移固定（見圖3）。模型加載采用荷載加載法逐級加載。在抗拔試驗中，樁身軸力實際應(yīng)為混凝土與持力層之間黏著力和樁在受拉作用下產(chǎn)生的負(fù)壓力之和[12]。因此，數(shù)值計算采用在樁頂直接進(jìn)行逐級加載。

圖3 模型網(wǎng)格劃分（樁N111）

22 擴底嵌巖抗拔樁荷載位移

數(shù)值計算得到的嵌巖擴底抗拔樁樁頂、樁底位移如圖4所示，隨著荷載的繼續(xù)增加，所有大直徑嵌巖抗拔樁的樁頂和樁底位移均隨著荷載的增大而增大且曲線均為緩變型而非陡變形。對樁N111和樁N132這類細(xì)長樁，當(dāng)樁頂上拔荷載小于30 000 kN時，樁頂上拔量與樁頂位移成線性關(guān)系且樁端和樁底位移差異較小，這時候樁身處于彈性變形的階段。隨著荷載的不斷增大，樁頂位移和樁底位移差值開始增大，說明此時樁軸向伸長量較大。當(dāng)樁所受荷載達(dá)到一定程度后，樁端擴底開始發(fā)揮，控制了上拔量。樁N172為樁徑較大、樁長較短的短粗樁，在整個加載的過程中，樁頂和樁底與土體的相對位移差很小，在同級荷載作用下，樁頂位移比細(xì)長樁大。

P/MN

1. N111樁底位移； 2. N111樁頂位移； 3. N132樁底位移； 4. N132樁頂位移； 5. N172樁底位移； 6. N172樁頂位移

圖4 數(shù)值計算樁頂樁底上拔量23 擴底嵌巖抗拔樁軸力分布

樁N111受上拔荷載過程中樁身軸力分布如圖5所示，在上拔力的作用下，盡管在第一級加載的過程中，樁身下部出現(xiàn)了壓應(yīng)力，但是隨著荷載的增大，樁頂以下各截面均承受拉應(yīng)力。各截面軸力隨著荷載的增大而增大。軸力的遞減速率反應(yīng)了樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，軸力遞減速率越大，說明其相應(yīng)位置的側(cè)摩阻力越大。在同級荷載作用下，各截面軸力沿深度逐漸減小，并在擴底位置，軸力迅速減小。在樁底處軸力幾乎接近于零，說明樁端處軸力的變化幾乎不受上拔荷載的影響。

圖5 模型樁N111軸力分布圖24 擴底嵌巖抗拔樁側(cè)摩阻力分布

在上拔荷載作用下，樁N111、N132和樁N172樁側(cè)摩阻力沿深度分布如圖6所示，當(dāng)上拔荷載較小時，等直徑段樁身側(cè)摩阻力首先發(fā)揮作用，此時擴底部分側(cè)摩阻力的發(fā)揮尚不明顯。隨著上拔荷載的繼續(xù)增大，擴底上部樁周側(cè)摩阻力值開始增長緩慢，但是在擴底處側(cè)摩阻力增長明顯，使得側(cè)摩阻力的發(fā)揮隨深度呈L形，嵌巖段存在明顯的“握裹”現(xiàn)象。當(dāng)樁長越短，這種“握裹”作用就越明顯。當(dāng)樁體接近破壞時，擴大頭部分的側(cè)摩阻力是抗拔樁承載力的決定因素。

圖6 模型樁N111側(cè)摩阻力分布圖25 模型樁等直徑段和擴底段側(cè)摩阻力分布

樁N111等直徑段側(cè)摩阻力和擴底端側(cè)摩阻力分布如圖7所示，在初始加載階段，等直徑段承擔(dān)的側(cè)摩阻力略大于擴底段側(cè)所承擔(dān)的模阻力。隨著上拔荷載的逐漸增大，等直徑段和擴底段的側(cè)摩阻力也在不斷增大。擴底段所承擔(dān)的側(cè)摩阻力的增長比等直徑段的增長更快。當(dāng)加載至最后一級時候，擴底段所承擔(dān)的荷載占總荷載比例的近50%。

圖7 模型樁N111等直徑段和擴底段側(cè)摩阻力分布3 參數(shù)分析

31 擴大頭周圍巖體彈性模量的影響

以樁N111為例，假設(shè)擴大頭周圍中風(fēng)化花崗巖巖體的彈性模量E分別為4GPa和5GPa時，數(shù)值計算得到擴底抗拔樁的荷載-位移曲線如圖8所示，擴大頭處巖石彈性模量的變化對擴底樁的抗拔承載力幾乎沒有影響。endprint

P/MN

1. Ec=2.5 GPa； （2，3）. Ec=4.0，5.0 GPa

圖8 不同擴底周圍巖體彈性模量下荷載-位移曲線32 擴徑比的影響

樁N111的擴徑比D/d為17，現(xiàn)假設(shè)擴徑比為25和30時，數(shù)值計算得到擴底抗拔樁的荷載-位移曲線如圖9所示，嵌巖抗拔樁的承載力隨擴徑比的增大而增大。所以，適當(dāng)提高擴底直徑可以顯著提高擴底樁的抗拔承載力。但是，考慮到施工的難度，建議擴底樁徑比取2左右較為合適。

P/MN

1. D/d=1.7； 2. D/d=2.5； 3. D/d=3.0

圖9 不同擴徑比下荷載-位移曲線33 擴底高度的影響

為了分析擴底高度對嵌巖樁抗拔承載力的影響， 對擴底高度分別為29 m（原設(shè)計擴底高度），2.0 m和4.0 m的擴底抗拔嵌巖樁進(jìn)行了計算分析，數(shù)值計算得到上拔荷載-位移曲線如圖10所示，樁的抗拔承載力隨著擴底高度的增大而增大，但是增大的幅度沒有增大擴底樁徑引起的承載力增大明顯，擴底高度對抗拔承載力的影響不大。

P/MN

1. 擴底高度2.0 m； 2. 擴底高度2.9 m； 3. 擴底高度4.0 m

圖10 不同擴底高度下荷載-位移曲線4 結(jié)論

1） 大直徑擴底嵌巖樁上拔荷載-位移曲線為緩變形。當(dāng)樁徑差別不大時，在同級荷載作用下，隨著樁長的增加，樁底向上的位移會相應(yīng)減小，抗拔樁承載力相應(yīng)增大。當(dāng)樁長相差不大時候，樁徑的增大對承載力的影響并不明顯。因此，增加樁長可以有效提高抗拔樁的承載能力。

2） 隨著上拔荷載的增加，等直徑段樁身側(cè)摩阻力和擴底處樁身側(cè)摩阻力均增大，且擴大頭處提供的荷載占總上拔荷載的比例不斷增大，極限狀態(tài)下約占50%，擴底部分對承載力的貢獻(xiàn)明顯。

3） 參數(shù)化分析結(jié)果表明，擴徑比的增大對嵌巖樁的抗拔承載力影響較大，而擴大頭周圍巖體彈性模量和擴底高度的影響相對較小。適當(dāng)提高擴徑比可以有效提高大直徑擴底嵌巖樁的抗拔承載力。

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