地下工程抗浮爆扩桩抗拔承载力的试验研究

地下工程抗浮爆扩桩抗拔承载力的试验研究陈志龙刘念姜玮杨延军摘要本文根据珠海关后广场抗浮爆扩桩抗拔试验结果，简要分析了饱和软土中大直径爆扩桩的抗拔受力特性和单桩的抗拔机理。与一般摩擦桩相比，爆扩桩的抗浮承载力除了由桩与土的摩擦力提供外，还有底部扩大头与其上部土层的作用力提供，而该力由扩大头上部土层的极限承载力来控制，通过加大头部可以大大提高桩的抗拔力。因此，采用爆扩桩作为工程的抗浮方案可大大减少工程量、节省工期、降低工程造价。本文为今后指导同类型桩的设计、施工提供一定参考依据。关键词爆扩桩抗拔试验研究TestStudyofLoadingCapacityofAnti-floatPilewithBulbShapedBaseforunderGroundConstructionChenZhilongLiuNianYangyanjunJiangWei(NanjingMilitaryEngineeringCollage)ABSTRACTBasedontheresultsofanti-floatpiletestconductedatZhu-haiGuan-housquare,briefanalysisofthecharactersofanti-floatforceofpilewithlargediameterbulbwhichisexpandedbyexplosioninsaturatedsoftsoilstratumisintroducedinthispaper.Besidsthefrictionalresistanceofpile,theenlargedbulbbaseprovidesupperearthpressure,theanti-floatforceisimmenselyincreased.Thisprocessdecreasesamountofwork,savestimeandreducescosts.Itmakesareferencetodesignersandconstructorsofthisfield.KEYWORDSPilewithbulbshapedbaseAnti-floatTestStudy概述珠海关后广场地下工程位于珠海市拱北海关联检大楼珠海入口处，是市政府为迎接澳门回归祖国的重点工程。其主体建筑占地约49000m2，总建筑面积117000m2，由地下2层和地下3层2部分组成，开挖深度分别为9.8m和13.2m。根据设计单位要求，工程需提供总抗浮力达270000t，其规模之大实属罕见。为保证设计施工的安全性，应甲方要求对抗浮爆扩桩进行了现场原位模拟静载试验，以确定单桩竖向抗拔极限承载力，现场原位模拟试验在地表进行，送桩部分上部均采用大管套小管的方法消除应挖除土层的摩阻力。该工程预计1999年10月投入使用，届时将以崭新的面貌迎接澳门回归祖国。本文主要论述该工程抗浮方案选择、试验方法及试验结果分析。一、工程地质情况工程场区的地层岩性上部为素填土，中部为海陆交互深积土，其中有3层饱和淤泥软土，厚薄不均，下部为花岗岩残积土和花岗岩风化层。地下水埋藏浅，水位面在地表下2.0～2.6m。根据广东省珠海工程勘察院提供的详细勘察资料，场地土具体分布为：①素填土：为花岗岩残积土回填而成，稍压密，厚度3.5～3.7m。②淤泥：灰黑色，饱和，流塑，N63.5仅0.9～1.7，厚度3.4～3.7m。③粘土夹粗砂、砾砂：以粘土为主，橘红夹浅黄色，饱和，可塑，粘土层遍布，粗砂、砾砂成夹层或透镜体状，厚度2.0～5.0m。④淤泥：灰黑色，饱和，软塑，局部流塑，N63.5=1.5～3.1,厚度4.5～5.0m。⑤粘土：暗灰，灰黄色，可塑，厚度3.0～4.0m。⑥淤泥质土：浅黑色，饱和，软塑，N63.5=2.1～3.5,厚度1.2～2.0m。⑦粉质粘土：灰白，乳白，肉红色。饱和，可塑，厚度4.5～5.6m。⑧砂质粘性土：紫红、土黄等色。饱和，可塑～硬塑。厚度21.0～28.0m。场地地下水位在地表下2.0m～2.6m左右，地下水的径流方向总趋势为由北向南，以蒸发或暗流形式向近岸排泄。工程地下2层的开挖深度为9.8m，桩长11.5m，桩端位于⑤层土中，其工程地质性质良好。地下3层的开挖深度为13.2m，桩长9.2m，桩端扩大头位于⑦层粉质粘土和⑧层砂质粘性土，这2层均为优良的地基持力层。场区①及②层均为开挖层，工程地质性质极差，但采取适当措施，仍可在地表送桩成桩。二、抗浮方案选择抗浮方案选择的依据是经济合理、技术先进、安全可靠。一般抗浮桩的抗浮机理主要是靠桩表面与桩周土之间的摩擦力，正常情况下该值较小，要提高抗拔力只有通过增加桩径和桩长，这必然会大大提高造价。爆扩桩与一般摩擦桩相比，其抗浮承载力除了由桩与土的摩擦力提供外，还有底部扩大头与其上部土层的作用力提供，而该力由扩大头上部土层的极限承载力来控制，通过加大头部可以大大提高桩的抗拔力，从而降低造价、缩短工期。爆扩桩技术曾分别在上海人民广场地下工程、上海四平路地下车库、合肥市政府广场地下娱乐城得以成功地采用。根据工程的地质条件和综合考虑选定爆扩桩作为工程的抗浮方案是可行的、经济的、安全可靠的。三、试验情况试验目的在于确定单桩竖向抗拔极限承载力。现场原位模拟试验在地表进行，上部采用大管套小管的方法消除应挖除土层的摩阻力。试验场地受邻近联检大楼工程的制约，试桩位置受到限制，其工程地质性质在整个工程场区是较差的，给成孔成桩及爆扩大头都带来一定的困难。1.试桩设计试验每层各1组，每组3根，共6根试桩。编号为：2-1；2-2；2-3；3-1；3-2；3-3。2层部分试桩桩长L1=19.3m,桩身直径d1=0.5m，爆扩头直径D1=1.2m，自由段长度h1=9.8m，3层部分试桩桩长L2=22.7m，桩身直径d2=0.5m，爆扩头直径D2=1.2m，自由段长度h2=13.2m。2.成桩成孔工艺钻机定位→700钻进→下外套管680→500钻进→爆扩大头→清孔→扩大头量测→安装500内套管→吊装钢筋笼→扩大头复测→安装导管→灌注砼C20→养护→桩头处理→加载设备安放→拉拔试验。成孔采用旋挖钻机干挖成孔，上部10m或13m孔径为700mm，套管(直径=680mm)护壁，下部孔径为500mm，底部爆扩成直径为1.2m的扩大头。成桩上部采用大管套小管(小管的管径为500mm)，钢筋笼全长布置，钢筋砼标号为C20，按水下砼灌注规程操作。3.试验装置干挖钻机1部，千斤顶200t1台，200t承载梁1根，百分表4个，钢板、垫木及测量仪器等。由于试验荷载较大，现场地层①、②层均无法承受，故每根试桩应做2根支承桩，具体布置图略去。4.试验技术要求(1)加载：A、单调分级加载至极限荷载；B、第1级荷载取1/5极限荷载；C、分级荷载取1/10～1/15极限荷载。(2)变形观测：每级加载后间隔5、10、15min各测读1次，以后每隔15min测读1次，累计1h后每隔30min测读1次。每次测读值记入试验记录表，并记录桩身外露部分裂缝开展情况。(3)相对稳定标准：每1h内的变形值不超过0.1mm，并连续出现2次(由1.5h内连续3次观测值计算)，认为已达到相对稳定，可加下1级荷载。(4)终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载；桩顶荷载为桩受拉钢筋总极限承载力的0.9倍时；某级荷载作用下，桩顶变形量为前1级荷载作用下的5倍；累计上拔量超过100mm。5.试验结果试验按规范要求进行，每根桩的P-S曲线和S-log(t)曲线见图1～6所示：图12-1桩P-S曲线图22-2桩P-S曲线图32-3桩P-S曲线图43-1桩P-S曲线图53-2桩P-S曲线图63-3桩P-S曲线由图1～6可以看出，2层地下室部分桩的P-S曲线变化较缓，而3层地下室部分桩的P-S曲线直线段较长，当荷载达到一定值时，位移变化较大，其原因主要是由于2层地下室部分桩在扩大头上部约2m左右有1层3m多厚的淤泥，而淤泥的压缩模量较低，一加载就产生压缩变形，但3层部分桩扩大头处于粉质粘土中，扩大头上部为粘土层，且厚度较大，因此加载初期的变形较小。四、试验结果分析1.爆扩桩单桩极限承载力的确定从图1～6可以确定每根桩的单桩极限承载力，各桩试验结果汇总见表1，同时为了便于比较，把相应等截面抗拔桩的理论计算承载力也列入表中。表1桩号爆扩桩试验极限承载力(kN)相应等截面抗拔桩的理论极限抗拔力(kN)2层2-17803122-28402-38003层3-112605083-211703-31200由表1可知，2层部分桩的极限承载力在780～840kN之间，其中2-1桩是在加载到84t时由于钢筋被拉断，无法继续加载，而此时的桩顶位移仅为22mm，预计该桩的安全系数肯定大于780kN。3层部分桩的极限承载力在1170kN～1260kN之间，其中3-2桩加载至1170kN时由于千斤顶的问题，加载无法继续，估计此桩的极限承载力还略大。同时从表1可以看出，爆扩桩极限承载力远高于相应等截面抗拔桩的理论计算承载力，大致为相应等截面抗拔桩理论极限抗拔力的2倍。由此可以清楚的看出，爆扩桩可以大大降低工程量，减少造价。2.试验桩与工程桩承载力的比较以及爆扩桩抗拔机理由于工程桩与试验桩所处的地层不同，因此有必要将2种情况进行区别分析，以便能正确地确定抗浮爆扩桩的设计承载力。图7试验桩的应力等值线我们对桩进行了有限元分析，图7为试验桩在1200kN时的应力等值线，从图中可以看出，扩大头对上部土的极限承载力有一定的影响。爆扩桩的抗拔力主要有3部分组成，即桩周摩阻力、扩大头部分的抗拔力和桩本身的自重。由于工程桩与试验桩成桩的地质条件不同，上部覆土和桩身自重使所提供的极限抗拔力有所差别，因此在确定极限抗拔力的时候，应考虑下列因素(1)把上部土重作为附加应力作用在下部土层上，计算出上部土层产生的桩周摩阻力并予以扣除，从而消除了试验桩上部覆土对桩周摩阻力的影响；(2)扩大头部分提供的抗拔力与扩大头直径和扩大头上部土的极限承载力有关，这样可通过选取土的不同极限承载力来消除扩大头部分提供的抗拔力的差异；(3)计算时消除了桩自重提供的抗拔力的差别。实际在上拔力的作用下，下部桩体带动周围土体挤压上部土体，从而剪应力提高，即使桩不带扩大头，这种挤压作用也是存在的。扩大头的存在对其上层土体产生更有效的挤压，受其影响，扩大头上方桩周围剪应力也将有相应的提高。对于饱和土，泊松比接近于0.5，土的侧压力系数较大，扩大头对桩周围剪应力的影响就更加明显，从而可以更有效地增加爆扩桩的抗拔极限承载力。五、结论和建议1.用爆扩桩作为抗浮方案完全适用于关后广场地下工程。2.抗浮爆扩桩的抗拔力计算公式，适用于珠海关后广场地下工程所在位置的地质条件。(工程设计的抗拔力计算公式可参见文献［3］)3.通过试验桩提供的试验曲线确定的极限抗拔力，爆扩桩的极限抗拔力大大高出相应等截面抗拔桩的极限抗拔力。4.由于试验桩所处位置是工程场地中地质条件最差的部分，因而试验得到的承载力较低，建议在进行工程桩设计时可以根据不同的地质条件进行爆扩桩的优化设计，以降低工程造价。5.爆扩桩作为一种有效的工程抗浮方案，可以在同类工程中加以推广运用。作者单位：南京工程兵工程学院210007参考文献［1］建筑桩基技术规范(JGJ94-94)，中国建筑工业出版社，1994［2］刘祖德，抗拔桩基础，中国土木工程学会、土力学及基础工程学会、桩基础学术委员会、中国工程建设标准化协会、地基基础委员会、深基础学组——第三届联合年会论文集，中国建材工业出版社，1996［3］饱和软土中爆扩桩的研究，工程兵工程学院、上海市人防办科院所，1989［4］珠海市关后广场地下工程抗浮爆扩桩试验报告，中国四海工程公司南京工程部、珠海市岩石力学与工程学会，1998［5］李洪禧，湿陷性黄土地基上爆扩桩的试验研究及运用，建筑技术，1987.3