嵌巖樁抗拔承載特性的離心模型試驗研究

楊柏，馬建林，周和祥，孫珍茂，董曉朋

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嵌巖樁抗拔承載特性的離心模型試驗研究

楊柏1，馬建林1，周和祥1，孫珍茂2，董曉朋1

(1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031； 2. 四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

針對目前在抗拔樁設計中對嵌巖樁承載力影響因素理解不足，導致樁基設計不合理的問題，采用離心機模型試驗，研究嵌巖深度、巖土體性質和樁型對樁基極限抗拔承載力的影響。研究結果表明：等截面樁極限抗拔承載力隨嵌巖深度的增加呈近線性增加，擴底樁極限抗拔承載力呈非線性增加；較軟巖與軟巖比較，擴底樁極限抗拔承載力增幅超過200%；擴底樁極限抗拔承載力高于等截面樁88.7%~95.2%。

嵌巖樁；極限抗拔承載力；影響因素；離心模型試驗

隨著社會經濟的發展，抗拔樁被廣泛應用于橋梁、高層建筑、地下建筑、輸電線路和海上石油鉆井平臺等工程實踐中。多年來，抗拔樁的相關研究工作一直在開展。Dickin等[1?6]研究了砂土中樁的長徑比、樁?土界面特性、土體性質和加載方式等因素對抗拔承載力影響。嵌巖樁抗拔承載力影響因素的研究也取得了很多成果。袁文忠等[7]通過模型試驗分析了巖基強度對抗拔承載力的影響。劉波等[8]通過現場試驗發現擴徑比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。何劍[9]通過現場試驗發現增加樁?巖界面黏聚力，可以提高樁的抗拔承載力。王耀輝等[10]通過模型試驗發現抗拔樁的承載力極大地取決于樁?巖界面的摩阻特性。何思明等[11]研究認為，當上拔荷載較小時，存在側阻力分布的樁段長度有限，不應盲目增加樁長。唐孟雄等[12]提出等截面樁在單層地基中極限抗拔力的計算公式并發現巖層黏聚力和巖層摩擦角對極限承載力的影響很大。王衛東等[13]提出通過后壓漿等措施加強樁?巖接觸是提高樁基抗拔承載力的有效方法。萬東立等[14]結合瀘州長江二橋現場試驗，發現樁周巖層的強度和完整性對抗拔樁承載力的影響至關重要。吳興序等[15?16]基于瀘州長江二橋現場試驗提出了巖層中抗拔樁承載力計算方法，重點考慮成樁方法、樁徑和巖層完整性對極限抗拔承載力的影響。上述研究主要依托現場試驗，原型試驗受到諸多因素的影響，比如巖體中的結構面，樁孔底部的殘渣等，很難做到單一因素的研究分析。更重要的是由于上覆土層的影響和巖體本身的變形破裂不明顯，很難觀測到巖體的破裂面形態。離心模型試驗能夠很好地控制試驗條件，可以直接觀測到巖土體的破裂面形態，而且能節約大量成本，是一種有效的研究手段。本文通過離心模型試驗，摒除其他因素影響，研究單一因素變化對嵌巖樁極限抗拔承載力的 影響。

1 離心模型試驗方案設計

在上覆土層不變的條件下，研究嵌巖深度、巖性和樁型對嵌巖抗拔樁極限承載力的影響。本試驗模型樁樁型選取等截面樁和擴底樁，擴底樁的擴底直徑為2倍等截面樁身段直徑，擴底角度為45°；較軟巖與軟巖用水泥砂漿配制，無軟弱結構面，巖面水平；上覆土為細砂。

1.1 試驗設備

本次試驗在西南交通大學土工離心機實驗室的TLJ-2型土工離心機上完成，該離心機有效半徑為2.7 m，最大容量為100 gt。

試驗所使用模型箱的凈空尺寸為800 mm×700 mm×700 mm，如圖1(a)所示。加載系統為自主研發，可在離心機中施加豎向荷載。采用KEYENCE IL-300激光位移計測量樁頂位移。加載系統和激光位移計如圖1(b)所示。

(a) 模型箱；(b) 加載系統和激光位移計

1.2 試樁設計

抗拔樁采用與原型樁等抗拔剛度控制的原則進行模擬。樁體采用圓形鋁合金空心管模擬，擴底樁的等截面段和擴大頭通過螺紋旋轉聯結。沿樁身內壁黏貼應變片，在應變片及導線周圍涂抹環氧樹脂。模型樁主要參數見表1，試樁如圖2所示。應變片經過校正后再進行試驗。

表1 抗拔樁參數指標

表2 抗拔樁試驗參數

由表2可以看出，D15-1代表等截面樁、樁徑15 mm和嵌巖1倍樁徑，依次類推；K15-1代表擴底樁、樁徑15 mm和嵌巖1倍樁徑，依次類推。

(a) 等截面樁；(b) 擴底樁

1.3 試驗模型制作

選取過2 mm孔徑篩的細砂模擬覆蓋層。采用425號水泥，通過表3所示的配合比制作砂漿，模擬試驗所需的較軟巖和軟巖。為使試驗巖層早日達到需要的強度，在砂漿中加入2%早強劑，5 d后通過試驗測定其抗壓強度，并通過室內土工試驗測定其具體參數指標，見表4。

本次離心機試驗的方案設計包括等截面樁、擴底樁，其中樁徑為15 mm的等截面樁和擴底樁的試驗巖層均為較軟巖，其余為軟巖。試驗試樁平面布置圖如圖3所示。試驗裝置立面圖如圖4所示。

表3 砂漿配合比(質量比)

表4 巖土主要參數

注：內摩擦角、黏聚力為直剪試驗值

1.4 試驗步驟

試驗共按以下8步完成：

1) 將粉細砂曬干至松散狀，篩分均勻。

2) 黏貼應變片，在樁身涂膠裹砂，模擬樁?巖/土界面。

3) 將凡士林均勻涂抹于模型箱內壁上以減小箱壁摩擦。

4) 按照設計配合比制成砂漿，分層填筑并夯實，當砂漿達到樁底部標高時，埋入模型樁，繼續填筑砂漿至設計標高。同時制作砂漿試塊，養護5 d后將其與覆蓋層砂土分別做室內土工試驗，以確定主要參數。養護達到設計強度后，分層填筑上覆土。

5) 在50 g條件下固結1 h。

6) 固結完成后停機，安裝加載系統和激光位移計，完成數據采集接線等工作。

7) 運行離心機至設計離心加速度，穩定10 min后啟動加載系統，分級勻速施加上拔荷載直至破壞，采集存儲數據。

8) 取出模型箱，清除上覆土體，觀察巖體破壞模式，整理數據。

單位：cm

1 —步進電機；2 —減速機；3 —加載系統；4 —激光位移計；5 —模型箱；6 —測力傳感器

2 離心機試驗結果與分析

試樁的極限抗拔承載力由荷載?位移(-)曲線得到。以試樁D25-2為例，其-曲線如圖5所示。

圖5 等截面樁Q-s曲線

圖5表明，D25-2共分15級加載，每級加載值約為2 000 kN。試樁加載直至上拔破壞后停止。-曲線出現明顯的拐點，拐點之前，隨著樁頂荷載的增加，樁頂位移呈線性增大。拐點之后，變形加速發展，發生巖土破壞，如圖6所示，等截面樁?巖土體破裂面由沿樁巖接觸界面破壞的圓柱形和倒置的截頭錐體兩部分組成，此時嵌巖抗拔樁達到破壞狀態，拐點處即為嵌巖抗拔樁達到極限狀態。D25-2的極限抗拔承載力為27 989 kN，對應樁頂位移為57.7 mm。

圖6 等截面樁-巖土破壞圖

根據試驗結果，依次對嵌巖深度、巖性和樁型等極限抗拔承載力影響因素進行分析。

2.1 嵌巖深度的影響

根據離心模型試驗結果，選取嵌巖深度不同的試樁進行比較。等截面樁在不同嵌巖深度的極限抗拔承載力見表5。

表5 等截面樁不同嵌巖深度極限抗拔承載力

截面樁極限抗拔承載力與嵌巖深度的關系曲線如圖7所示。

圖7 等截面樁極限抗拔承載力與嵌巖深度的關系曲線

由圖7可知，隨著嵌巖深度的增加，試樁極限抗拔承載力呈近線性增加。主要因為嵌巖抗拔樁的極限抗拔承載力絕大部分由嵌巖部分樁身承擔。且試驗結果分析表明：當等直徑的等截面樁嵌入同種巖石中，樁?巖界面特性相同時，不同試樁的平均側阻力值基本相同。所以試樁嵌入巖石越深，其樁與巖接觸面積越大，導致極限抗拔承載力值越大且呈近線性增加。

擴底樁由于擴底作用，其抗拔機理與等截面樁存在很大差異，極限抗拔承載力受嵌巖深度的變化影響與等截面樁也不一樣，選取嵌巖深度不同的擴底樁進行比較，擴底樁在不同嵌巖深度的極限抗拔承載力見表6，極限抗拔承載力與嵌巖深度的關系如圖9所示。

表6 擴底樁不同嵌巖深度極限抗拔承載力表

擴底樁極限抗拔承載力與嵌巖深度的關系曲線如圖8所示。

圖8 擴底樁極限抗拔承載力與嵌巖深度的關系曲線

由圖8可知，隨著嵌巖深度的增加，擴底樁極限抗拔承載力呈非線性增加。擴底樁?巖土體破裂面呈喇叭型曲面。隨著嵌巖深度的增加，巖土體破裂面積呈非線性增加，所以擴底樁極限抗拔承載力隨嵌巖深度增加呈非線性增加。

嵌巖深度與等截面樁的極限抗拔承載力基本呈近線性變化關系，與擴底樁的極限抗拔承載力呈非線性變化關系，但這并不是說嵌巖深度越大，樁基的抗拔承載力越高，本文僅研究巖土體破壞或樁被拔出的情況，在實際工程中，會出現樁身混凝土拉裂，鋼筋被拔出的情況。在工程中提高樁身強度，避免樁身破壞，則增加嵌巖深度可以有效的提高抗拔承載力。

2.2 巖性的影響

根據離心模型試驗結果，選取部分試樁進行比較。擴底樁在不同巖性的極限抗拔承載力見表7。

表7 擴底樁不同巖性極限抗拔承載力

擴底極限抗拔承載力與巖性的關系如圖9 所示。

圖9 擴底樁極限抗拔承載力與巖性的關系曲線

不考慮樁徑的影響，嵌入較軟巖，樁徑0.6 m的擴底樁較之嵌入軟巖，樁徑1.0 m的擴底樁，其極限抗拔承載力增幅超過200%，增幅顯著。

巖土體性質對樁基的極限抗拔承載力的影響很大。但是在實際工程中，巖體強度受結構面的影響很大，模型試驗中很難模擬出巖體的結構面等特征，本研究中以巖石代替巖體，試驗得到的抗拔承載力值偏大。

2.3 樁型的影響

根據離心模型試驗結果，選取樁型不同的試樁進行比較。不同樁型的極限抗拔承載力見表8。

表8 不同樁型極限抗拔承載力

極限抗拔承載力與樁型的關系如圖10所示。

圖10 極限抗拔承載力與樁型的關系曲線

由圖10可知，其他條件一致時，擴底樁比等截面樁極限抗拔承載力提高了88.7%~95.2%。主要因為2種樁的破壞機理不同，等截面樁的抗拔承載力主要由樁側阻力承擔，而擴底樁由于擴大頭的嵌固效應，其抗拔承載力主要由巖土體的強度提供。 擴底樁的極限抗拔承載力遠高于等截面樁，在很多研究中都已證實。本研究中擴大頭角度為45°，這是否最優還有待研究，擴大頭與等截面樁身段的幾何比例關系也需要進一步的研究。

3 結論

1) 嵌巖深度的增加能有效提高樁基的極限抗拔承載力，隨著嵌巖深度的增加，等截面樁的極限抗拔承載力呈近線性增加，擴底樁的極限抗拔承載力呈非線性增加。

2) 巖土體性質對樁基的極限抗拔承載力的影響很大，在本模型試驗中，較軟巖與軟巖比較，擴底樁極限抗拔承載力增幅超過200%。

3) 擴底樁的極限抗拔承載力遠高于等截面樁，在本模型試驗中，其極限抗拔承載力較之等截面樁提高了88.7%~95.2%。

本離心模型試驗揭示了極限抗拔承載力受各因素影響的變化趨勢，得到了等截面樁和擴底樁的巖土體破裂形態，但實際工程中的巖體往往存在結構面或軟弱層，離心模型試驗難以模擬，建議通過現場試驗進行研究。

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Centrifuge model test study on uplift behavior of rock-socketed piles

YANG Bai1, MA Jianlin1, ZHOU Hexiang1, SUN Zhenmao2, DONG Xiaopeng1

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., Ltd, Chengdu 610016, China)

At present, the factors influencing the bearing capacity of rock-socketed piles are not well understood in the design of uplift piles, which leads to the unreasonable design of pile foundations. To solve this problem, centrifuge model test was used to study the influence of rock-socketed depth, rock and soil properties, pile types on ultimate uplift capacity of piles. The results show that the ultimate uplift capacity of even section piles increases linearly with the increase of rock-socketed depth, and the ultimate uplift capacity of belled piles increases nonlinearly. Compared with soft rock and more soft rock, the ultimate uplift capacity of belled piles increases by more than 200%. The ultimate uplift capacity of belled piles is higher than that of even section piles by 88.7%~95.2%.

rock-socketed piles; ultimate uplift capacity; influencing factors; centrifuge model test

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.012

TU473.1

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0085 ? 07

2017?11?15

國家重點研發計劃資助項目(2016YFC0802203-1)

馬建林(1958?)，男，四川樂山人，教授，博士，從事橋梁深基礎工程與支擋結構工程等領域研究；E?mail：majianlin01@126.com

(編輯 涂鵬)