软土地区抗拔桩承载特性现场试验研究

陈尚荣

(上海地矿工程勘察有限公司，上海 200072)



软土地区抗拔桩承载特性现场试验研究

陈尚荣

(上海地矿工程勘察有限公司，上海 200072)

摘要：在工程实践中，抗拔桩基础已经得到广泛应用，但对于抗拔桩工作机理却研究较少。通过现场足尺试验，分析了抗拔桩的承载特性和变形特性，包括抗拔桩桩顶与桩底位移、桩身轴力分布、侧摩阻力分布以及侧摩阻力和桩土相对位移的关系等，试验结果表明：抗拔桩在受到上部荷载作用时，桩顶和桩底同时产生位移；随着上部荷载的增加，桩体下部侧面摩阻力逐次发挥作用，同时由于荷载在向下传递时不断减小，下部桩身所受轴力较小，桩土之间的相对位移也较小，桩侧摩阻力不易全部发挥出来。桩周各土层土的侧摩阻力达到最大所需的相对位移也可以利用桩土相对位移与侧摩阻力的关系曲线推算得出。试验结果对工程设计计算及相关研究提供了一定参考。

关键词：抗拔桩；承载特性；足尺试验

随着经济的不断发展，城市中各种大型地下建筑不断涌现，如地下广场、地下商场、地下变电站等，这些地下建筑中很多都采用抗拔桩作为基础；另外很多高耸塔式建筑物，如电视塔等的基础也都会设置抗拔桩基础[1]；同时像高桩码头等承受水平荷载的建筑物也需设置抗拔桩来承受水平荷载。

国内外学者对于其抗拔机理开展了大量研究[2-7]。目前设计计算抗拔桩很大程度上仍然是采用规范推荐的方法，即通过乘以折减系数来推算出抗拔桩的承载力。由于抗拔桩的承载力受各种不同因素的影响较大，使得规范推荐的方法存在很大的不确定性，不能反映各种因素的影响。另外，不同的计算方法适用的桩型工况也不相同，得到的计算结果存在较大差异。试验研究方面，Parry[7]的实验表明，桩-土接触面上的倾斜位移在实验加荷的初始阶段最先出现，当加载达到一定数值时，破裂面的方向逐渐转移到接近平行位移的方向上，在荷载达到极限荷载时，连续的破裂面由各破裂面相互连接形成，桩侧土体产生较大的位移。Alawneh[8]的大量抗拔桩试验发现众多抗拔桩极限承载力的影响因素有施工方法、桩型、土的参数、桩身参数等。闭口桩承载力与开口桩相比,要有25%左右的提高。同时，对抗拔桩的极限承载力有很大影响的因素还有土的密度和桩身材料[4]。

至今，对于抗拔桩的研究，大多是通过室内模型试验和数值模拟[9-10]。但由于试验方法、试验条件以及尺寸效应等条件的限制，模型试验得出的结论与现场监测结果会有一定差别。本文利用现场足尺试验，分析了抗拔桩的承载和变形特性，其中包括抗拔桩桩身轴力分布、桩底位移、桩顶位移、侧摩阻力分布以及侧摩阻力和桩土相对位移的关系等，研究结果对工程设计计算及以后的相关研究具有一定参考价值。

1　抗拔桩受力机理分析

抗拔桩与抗压桩相比,由于抗拔桩没有端阻,其承载特性完全由侧摩阻力所决定,所以抗拔抗压桩侧摩阻力的发挥机理的理解是分析二者受力性状差异的关键。

抗拔桩和抗压桩侧摩阻力的发挥均为不同步的过程,即侧摩阻力都是从上到下逐渐发挥的,侧摩阻力通过桩身逐次将荷载传递到桩体下部的深部土体。上部土体的侧摩阻力相对于下部土体较易于达到极限值,而下部土体则较难达到。抗拔桩桩顶承受荷载后，桩顶发生向上的位移，在位移不断变大的过程中，桩身受到的拉力逐渐变大，并逐步向桩体下端发展，最后发展到桩尖。二者不同之处为抗压桩侧摩阻力分布为上部小,下部大;而抗拔桩侧摩阻力分布则为中部大,两端小[11-15]。

2　抗拔桩承载力和变形特性现场试验研究

2.1试验场地简介

本试验的试验场地位于沿海地区，场地内浅层土体为粉土，相对较深层土体为软粘土，深层为砂和砾石土。各层土体物理力学性质见表1。

表1　土层地基土物理力学性质

试验抗拔桩概况如表2所示。

表2　抗拔桩试桩概况

注：表中括号内数字表示桩基破坏时所对应的荷载。

2.2抗拔桩试验方案及装置

本试验桩型选用等截面抗拔桩，试桩共有4根，分为两组，其中第一组的2根加载直到破坏，第二组的2根加载到承载力设计值，并且当上拔量稳定后终止加载；分别对这4根抗拔桩的桩身侧摩阻力、桩底位移、桩顶位移和桩身轴力等指标进行测量，并选取其中的2根桩的数据在本文中进行分析。

试验装置采用规范中规定的典型的抗拔桩试验装置，试验装置图如图1所示。

图1试验装置示意图

2.3抗拔桩试验原理过程

(1)加载分级：本实验依据《建筑基桩检测技术规范》[16](JGJ106-2003)规定，加载通过慢速维持荷载法进行，如表3所示为实验荷载分级表。

表3　试验荷载分级表　单位：kN

(2)观测沉降：在各级加载完成后，分别在第0、5 min、15 min、30 min、45 min、60 min的时间读取一次桩顶及桩端的位移，此后每半小时读数一次。

(3)稳定标准：在连续两次测量中，桩顶位移速率均小于0.1 mm/h时，则表明桩的沉降已稳定，即可进行下一级荷载的施加。

(4)结束加载：

① SB-1号试桩在达到承载力设计值1 600 kN且上拔量稳定后停止加载。

② SB-2号试桩在加载达到2 240 kN时，因桩顶位移达到向上的89.07 mm，同时由于桩体出现连续裂缝，不能继续承受荷载而停止加载。

2.4抗拔桩静载荷试验过程

图2中所示试桩的荷载-位移曲线显示：变形速率随着荷载的增加在不断增加。对于SB-1号试桩，桩身没有出现裂缝而丧失承载能力，故在荷载—位移曲线上未发现显著的比例界限点；在实验开始阶段，由于施加的荷载较小，桩体的变形仍在弹性范围内，当施加荷载不断变大时，桩顶部和桩底部的位移速率也随之不断加快；桩身变形量即为桩顶位移曲线和桩底位移曲线竖向坐标的差值。

SB-1号试桩桩径、桩长如表2中所示，荷载增加到设计荷载1 600 kN时，荷载-位移曲线为发现显著的比例界限点，SB-1号试桩未出现裂缝而破坏，桩顶最大位移量为32.87 mm。SB-2号试桩桩径、桩长也如表2中所示，当试验荷载加至2 240 kN时，由于桩身出现裂缝破坏，上拔位移突变达到89.07 mm，承载力下降而停止加载。

图2抗拔桩荷载-位移曲线图

2.5桩身轴力分析

由图3可知：2根试桩在桩顶施加的上拔荷载作用下，各截面轴向拉应力在上拔荷载从0增加到1 600 kN或2 240 kN的过程中不断变大；在施加荷载相同时，荷载通过桩身逐步传递到深部土体中，因此桩身各截面轴向内力随着深度的增加不断下降。

同时由于受到桩侧土体摩阻力的影响，在荷载增加的过程中，轴力传递变化速度也各有差异。对于本实验中的两根桩，当加载未达到960 kN时，在深度方向上轴力变小的速度越来越快，当加载超过960 kN之后，在深度方向上轴力变小的速度越来越慢；由于桩侧摩阻力的影响决定了轴力变化快慢，以上分析表明侧摩阻力都是从上到下逐渐发挥的,侧摩阻力通过桩身逐次将荷载传递到桩体下部的深部土体。

2.6桩周侧摩阻力结果及分析

侧摩阻力的大小与桩体材料和各土层的物理力学参数以及施加荷载的大小等有密切关系。图4桩侧摩阻力分布曲线显示：在试验开始阶段，加载较小时，侧摩阻力沿深度方向的数值不断下降；而当荷载增加到相对较大的水平时，侧摩阻力沿桩身的分布呈现“波浪状”的趋势，即先是沿深度方向上变大，再变小，进而再变大又变小的规律。对于本文分析的两根桩，在荷载小于640 kN时，侧摩阻力沿着桩身深度逐渐变小；在荷载大于640 kN时，侧摩阻力则呈现波浪状的变化规律。

桩侧摩阻力的发挥程度与桩土相对位移有关。在施加荷载较小时，桩土相对位移也沿桩长从上到下逐渐减小，桩长范围内侧摩阻力沿桩身深度不断变小，桩长范围内土层的侧摩阻力均未达到极限状态；随着荷载的增加，桩土相对位移也不断增大。随着桩土相对位移的逐渐增大，上部土层的侧摩阻力完全发挥，从而桩周土的侧摩阻力得到较大发挥，因此产生上述侧摩阻力的变化规律。

图3抗拔桩桩身轴力曲线图

图4抗拔桩侧摩阻力分布曲线图

2.7桩断面相对位移-侧摩阻力曲线分析

桩侧摩阻力-相对位移曲线反映的是桩土相对位移与桩侧摩阻力之间的重要关系。图5所示为2根试桩侧摩阻力-相对位移曲线，曲线显示出各层土侧摩阻力发挥到极限所对应的桩土相对位移的大小。图5所示示曲线表明：0～5 m深度内，桩土相对位移达到15 mm左右时，土层侧摩阻力得到全部发挥；5 m～11 m范围内土层侧摩阻力得到全部发挥，则相对位移需要达到28 mm；11 m～17.5 m范围内则需要50 mm左右；17.5 m～23 m范围内为25 mm；此后基本稳定在20 mm～25 mm左右。

从以上分析可以看出，部分土层发挥极限侧摩阻力所需的相对位移较大。在实际应用中，由于桩顶位移不能超过一定数值，桩土相对位移不能满足侧摩阻力全部发挥所需要的值，因此，桩的侧摩阻力很多情况下不能全部发挥。

3　结　语

本文通过现场足尺试验，分别对抗拔桩桩顶位移、桩底位移、桩身轴力分布、侧摩阻力分布以及侧摩阻力和桩土相对位移的关系等进行了分析。可以得出以下结论：

(1)在试验开始施加荷载时，桩顶和桩底均可检测到位移，在同一级荷载下桩顶和桩底位移差即为桩身变形量；且桩身变形随着荷载的增加而增加。但当桩体出现较多裂缝趋于破坏时，变形保持稳定。

(2)在施加荷载较小时，桩土相对位移也沿桩长从上到下逐渐减小；在实验加载不断增加的同时,桩土的相对位移也逐渐变大。在相对位移逐步增加的过程中，上部土体的侧摩阻力也不断发挥,最后达到最大值。

图5抗拔桩侧摩阻力-断面相对位移曲线图

(3)通过桩土相对位移-侧摩阻力曲线可以得到桩周不同土层土体侧摩阻力完全发挥所需的桩土相对位移。

参考文献：

[1]Poulos H G,Davis E H.Pile foundation analsis and design[M].John Wiley and Sons,New York,1980.

[2]孙晓立.抗拔桩承载力和变形计算方法研究[D].上海：同济大学，2007.

[3]黄峰,李广信.砂土中抗拔桩位移变形的分析[J].土木工程学报,1999,32(1):31-36.

[4]Alawneh A S,Malkawi A I H.Tension tests on smooth and rough Model piles in dry sand[J].Canadian Geotechnical Journal,1999,36(4):746-753.

[5]朱碧堂,杨敏.抗拔桩变形与极限承载力计算[J].建筑结构学报,2006,27(3):120-129.

[6]Dickin E A,Leung C F.The influence of foundation geometry on the uplift behaviour of Piles with enlarged bases in sand[J].Canadian Getechnical Journal,1992,29(3):498-505.

[7]刘文白,周健.扩底桩的上拔试验及颗粒流数值模拟[J].岩土力学,2004,25(增2):201-206.

[8]Subba Rao K S,Venkatesh K H.Uplift behaviour of short piles in uniform sand[J].Soils and Foundation,1985,25(4):1-7.

[9]吕凡任，陈仁朋，陈云敏，等.软土地基上微型桩抗压和抗拔特性试验研究[J].土木工程学报，2005，38(3)：99-105.

[10]高广运，孙雨明，吴世明.人工挖孔扩底桩竖向承载性状[J].工程勘察，2002，(1)：11-13.

[11]张栋梁，张书荃，臧延伟.扩底抗拔桩抗拔作用机理的研究[J].铁道建筑，2006，(6)：53-55.

[12]徐和，刘云云.桩的抗拔承载力预估[J].同济大学学报：自然科学版，1994，22(3)：385-389.

[13]何剑.嵌岩灌注桩抗拔承载性状试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(2)：315-319.

[14]李大展，隋国秀.湿陷性黄土中大直径扩底桩垂直承载形状的试验研究[J].岩土工程学报，1994，16(2)：11-21.

[15]陈尚荣.抗拔桩的承载力和变形特性研究[D].上海：同济大学,2008.

[16]中华人民共和国建设部.JGJ106-2003.建筑基桩检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

ExperimentalResearchofFieldTestsonUpliftBehaviorofPilesinSoftSoilArea

CHEN Shang-rong

(ShanghaiGeological&MineralEngineeringInvestigationCo.,Ltd.,Shanghai200072,China)

Abstract：The uplift pile has been widely used in engineering projects,but its bearing mechanism is not well known up to now.To study the uplift behavior and deformation characteristics of the piles,the full-scale field tests on single uplift pile with uniform cross-section were performed.The tests included the displacement of top and bottom of the uplift pile,distribution of axial force of the pile,distribution of side friction as well as the relationship between friction and relative displacement between the pile and soil.The result showed that displacement occurred at the top and bottom of the uplift pile under the upper load,the side friction resistance of lower part of the pile body gradually came into play with the increasing of the upper load;but due to the gradual decrease of the load in the transfer process,the axial force of lower part of the pile body as well as the pile-soil relative displacement were small,which prevented the side friction of pile from performing its full potential.Meanwhile,the required relative displacement for the maximum side friction resistance of the soil surrounding the pile could be deduced from the curves of pile-soil relative displacement and side friction resistance.The tests results are advantageous to the engineering design and relative research of similar projects.

Keywords：uplift pile;behavior of uplift resistance;full-scale test

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.038

中图分类号：TU473.1+1

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0188—05

作者简介：陈尚荣(1982—)，男，江苏盐城人，工程师，主要从事基坑工程设计研究工作。

收稿日期：2014-08-03修稿日期：2014-09-27