樁基礎抗拔承載特性研究*

劉譯文，袁 偉

（1.江蘇城鄉建設職業學院， 江蘇 常州 213000； 2.江蘇地華實業集團有限公司， 江蘇 南京 210019）

21 世紀以來， 我國經濟進入了高速發展階段，隨著土地的需求量逐漸增多， 如何對有限的資源進行合理開發成為了一個亟需解決的問題， 因此地下空間的發展迎來了新的發展契機。 目前， 由于我國的沿海地區面臨土地稀缺和地下水位高的問題， 導致處于地下的建筑物需要承擔巨大的水浮力， 因此改良抗拔樁成為解決實際工程應用難題的重要方式[1-2]。 本文采用室內模型試驗， 有針對性地開展樁基礎在砂土中的抗拔承載特性研究[3]。

1 模擬試驗裝置

1.1 模型槽及加載系統

本次試驗模型槽尺寸為2 000 mm×1 000 mm×1 000 mm（長×寬×高） ， 槽體設置相應的加強筋及10 mm 厚PVC 板。

本次試驗模擬模型樁上拔過程， 采用加載系統。 圖1 為試驗裝置示意圖。 該試驗裝置主要由加載螺桿、 手輪和承載手輪等組成， 通過人工轉動手輪， 帶動螺桿升降， 對模型樁進行向上加載或者向下加載。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗土體參數

根據GB/T 50123-2019《 土工試驗方法規范》的相關規定， 稱取500 g 砂土進行顆粒篩分試驗，并繪制試驗砂土顆粒的級配曲線， 見圖2。

圖2 試驗砂土顆粒的級配曲線

試驗通過控制砂土的相對密實度Dr=0.4， 保證試驗砂土的一致性。 利用振動錘擊法， 測定砂樣的最大的干密度為1.75 g·cm-3； 利用漏斗法， 測定砂樣的最小干密度為1.46 g·cm-3， 計算相對密實度Dr=0.4 時的砂土干密度為1.56 g·cm-3。

1.3 數字圖像相關（DIC）技術及數字圖像技術原理

數字圖像相關（Digital Image Correlation， DIC）技術是一種非接觸式現代光學測量實驗技術， 圖3是一種典型的DIC 測量系統示意圖。 該技術使用時需要對測試體試樣表面進行散斑處理， 精確追蹤到測試體試樣表面每一個像素點的變形情況。 在實驗過程中， 對包含像素特征點的模型樁表面進行拍照， 在選定基準圖像后， 就可以根據數學算法， 得出模型樁在試驗過程中的位移信息， 計算得到相應的應變數據， 并進一步分析模型樁在受力過程中的變形行為。

圖3 一種典型的DIC 測量系統示意圖

2.1 試驗結果分析

2.1.1 土體豎向位移

圖4 為模型樁在上拔荷載作用下的不同階段的土體豎向位移云圖。 在上拔初期， 模型樁的樁端先出現了豎向位移； 樁的中上部出現位移的原因是模型樁的切割不平整， 造成砂土移動到樁內， 進而造成土體位移。

圖4 不同階段的土體豎向位移云圖

在上拔過程中， 樁端的土體位移不斷增大并向樁的中部擴散。 直到模型樁被破壞， 位移分散在樁周， 樁端位移變化最大， 此刻土體位移等值線達到最大值， 為4 mm。 樁體在上拔時會產生土體位移，且受到土體自重的影響， 土體位移自上而下逐漸增大。 樁體呈現出圓柱剪切破壞形式[4-5]。

2.1.2 荷載-位移曲線分析

在本次試驗中， 不同樁長模型樁在埋樁后靜置12 h 以上， 分別進行了抗拔試驗。 極限抗拔承載力的重要依據就是荷載-位移曲線， 根據試驗結果，繪制不同樁長模型樁的抗拔單樁荷載-位移曲線，見圖5。

圖5 不同樁長模型樁的抗拔單樁荷載-位移曲線

從圖5 可知， 不同樁長模型樁的抗拔單樁荷載-位移曲線在發展趨勢上基本相同。 在加載前期，荷載-位移曲線接近于線性發展， 曲線的斜率小；伴隨著樁頂荷載的不斷施加， 樁頂上拔量出現增加的變化， 曲線的斜率不斷變大， 出現明顯的拐點，直到破壞。 在樁未受到破壞時， 相同荷載下， 長徑比大的模型樁樁頂上拔量明顯小于長徑比小的模型樁樁頂上拔量， 但是長徑比大的模型樁的極限抗拔承載力明顯出現增加。 由表1 可知， 不同樁長單樁抗拔極限承載力和樁頂上拔位移， 伴隨著樁身長度的增加， 樁-土表面接觸的面積也在增加， 這會造成樁的總側摩阻力增加， 必然會導致樁的抗拔極限承載力的增加。 由于樁身長度的增加也會使樁的入土深度增加， 因此長的模型樁的抗拔極限承載力肯定大于短的模型樁的抗拔極限承載力[6-7]。

表1 不同樁長單樁抗拔極限承載力和樁頂上拔位移

3 結論

本文通過開展DIC 技術及模型樁樁體的抗拔模型試驗， 對比分析土體的豎向位移及樁基礎抗拔承載特性。 經過試驗得出， 土體的豎向位移沿著樁身深度自上而下逐漸增大且最大位移集中在樁端， 同時樁體呈圓柱剪切破壞形式； 而等截面單樁的抗拔極限承載力隨著長徑比的增加而增大， 在相同的上拔荷載下， 上拔位移隨著長徑比的增加而減小。 該結論可以更好地服務于工程建設， 具有較強的指導意義。