桩基工程第五章抗拔桩

1第5章抗拔桩受力性状5.1概述5.2单桩竖向抗拔静荷载试验5.3抗拔桩的受力机理5.4抗拔桩与抗压桩的异同5.5抗拔桩的设计方法25.1概述承受竖向抗拔力的桩称为抗拔桩（upliftpile）。抗拔桩广泛应用于大型地下室抗浮、高耸建（构）筑物抗拔、海上码头平台抗拔、悬索桥和斜拉桥的锚桩基础、大型船坞底板的桩基础和静荷载试桩中的锚桩基础等。由于抗拔桩的应用日益广泛，因此对抗拔桩受力性状的研究也十分重要。本章从单桩竖向抗拔静荷载试验入手，主要介绍了抗拔桩的受力机理、抗拔桩与抗压桩的异同、抗拔桩的设计方法等方面的内容。3学完本章后应掌握以下内容：（1）单桩竖向抗拔静荷载试验的内容；（2）抗拔桩的受力机理；（3）抗拔桩与抗压桩的异同分析；（4）抗拔桩的设计方法。学习中应注意回答以下问题：（1）单桩竖向抗拔静荷载试验的目的和意义是什么？试验装置包括哪些？试验方法怎样？试验成果有哪些？试验成果如何应用？（2）等截面抗拔桩的破坏形态有哪些？扩底抗拔桩的破坏形态有哪些？扩底抗拔桩与等截面抗拔桩在受力机理上有哪些差异？抗拔承载力上有哪些差异？（3）抗拔桩与抗压桩受力性状上有哪些差异？导致受力性状差异的机理是什么？（4）桩的抗拔承载力主要受哪两方面因素的制约？抗拔桩如何进行设计？45.2单桩竖向抗拔静荷载试验单桩竖向抗拔静载试验（upliftloadingtestsofsinglepile），就是采用接近于竖向抗拔桩实际工作条件的试验方法，确定单桩竖向抗拔极限承载力。因为大型地下工程抗浮作用的荷载是随着地下水位慢慢升高而逐渐增大的，所以抗拔静载试验也采用分级加载。试验时抗拔荷载逐级作用于桩顶，桩顶上拔量慢慢增大，最终可得到单根试桩荷载—上拔量曲线（U—δ曲线）。5图5-1锚桩法竖向抗拔静载试验装置示意图65.2.1试验的目的与适用范围《建筑桩基检测技术规范》（JGJ106-2003）中规定，对于承受抗拔力和水平力较大的桩基，应进行单桩竖向抗拔承载力检测。检测数量不应少于总桩数的1%，且不应少于3根。单桩竖向抗拔静荷载试验主要的目的包括以下三个方面：1.确定单桩竖向抗拔极限承载力及单桩竖向抗拔承载力特征值；2.判定竖向抗拔承载力是否满足设计要求；3.当埋设有桩身应力、应变测量元件时，可测定桩周各土层的抗拔摩阻力。单桩竖向抗拔静荷载试验主要的适用范围是能达到试验目的的钢筋混凝土桩、钢桩等。75.2.2试验装置1.反力系统试验反力装置宜采用反力桩(或工程桩)提供支座反力，也可根据现场情况采用天然地基提供支座反力。反力架系统应具有1.2倍的安全系数并符合下列规定：1）采用反力桩(或工程桩)提供支座反力时，反力桩顶面应平整并具有一定的强度；2）采用天然地基提供反力时，施加于地基的压应力不宜超过地基承载力特征值的1.5倍；反力梁的支点重心应与支座中心重合。2.加荷系统1)加荷系统一般由千斤顶、油泵、压力表、压力传感器、高压油管、多通、逆止阀等组成。压力表和压力传感器必须按计量部门的要求，定期率定方可使用。试验前，需检查压力系统是否有漏油现象，若有，必须排除。必须保证测量压力的准确与稳定。2)千斤顶平放于主梁上，当采用2个或2个以上千斤顶加载时，应将千斤顶并联同步工作，并使千斤顶的上拔合力通过试桩中心。千斤顶上放置厚铁压板，同时将试桩钢筋焊接在压板上。83.上拔变形量测系统1)上拔变形量测系统主要包括沉降的量测仪表(百分表、电子位移计或自动采集仪等)、百分表夹具、基准桩(墩)和基准梁。2)上拔变形的量测仪表必须按计量部门的要求，定期率定方可使用。对于大直径桩应在其2个正交直径方向对称安置4个位移测量仪表，中等和小直径桩径可安置2个或3个位移测量仪表。3)上拔变形测定平面离桩顶距离不应小于0.5倍的桩径。4)固定或支承百分表的夹具和基准梁在构造上应确保不受气温、振动及其他外界因素影响而发生竖向变位。5)基准桩与试桩、支座桩(或支墩)之间的最小中心距应符合下表的规定。95.2.3试验方法一般采用慢速维持荷载法，有时结合实际工程桩的荷载特性，也可采用多循环加卸载法。此外，还有等时间间隔加载法，等速率上拔量加载法以及快速加载法等。下面主要介绍规范规定的慢速维持荷载法：1.最大试验荷载要求为设计提供依据的试验桩应加载至桩侧土破坏或桩身材料达到设计强度；对工程桩抽样检测时，可按设计要求确定最大加载量。工程桩试验最大荷载取单桩竖向抗拔承载力特征值的两倍。2.加载和卸载方法加载和卸载按下列方法进行：1)加载分级：每级加载值为预估单桩竖向极限承载力的l／10～1／12，每级加载等值，第一级可按2倍每级加载值加载。2)卸载分级：卸载亦应分级等量进行，每级卸载值一般取加载值的2倍。3)预计需要时，试桩的加载和卸载可采取多次循环方法。4)加、卸载时应使荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过分级荷载的±10％。103.上拔变形观测方法1)每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读桩顶上拔变形量(桩身应力值)，以后每隔30min测读一次。2)试桩上拔变形相对稳定标准：每一小时内的桩顶上拔增量不超过0.1mm，并连续出现两次(从分级荷载施加后第30min开始，按1.5h连续三次每30min的沉降观测值计算)。3)当桩顶上拔变形速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。4)卸载时，每级荷载维持lh，按第15、30、60min测读桩顶上拔变形量(桩身应力值)后，即可卸载下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余上拔变形量(桩身残余应力值)，维持时间为3h，测读时间为第15、30min，以后每隔30min测读一次。4.终止加载条件《建筑基桩检测技术规范》(JGJl06-2003)对终止加载条件均作了规定，当出现下列情况之一时，可终止加载：l）在某级荷载作用下，桩顶上拔量大于前一级上拔荷载作用下上拔量的5倍。2）按桩顶上拔量控制，累计桩顶上拔量超过100mm或达到设计要求的上拔量。3）按钢筋抗拉强度控制，桩顶上拔荷载达到钢筋强度标准值的0.9。4）对于验收抽样检测的工程桩，达到设计要求的最大上拔荷载值。115.成桩到开始试验的间歇时间《建筑基桩检测技术规范》(JGJl06-2003)对成桩到开始试验的间歇时间作了如下规定：1）试桩应在桩身混凝土达到设计强度后开始加载。2）对于预制类桩，对砂类土休止期不得少于7天；对粉土或黏性土不得少于15天；对淤泥或软黏土不得少于25天。对于现场灌注类桩，一般要达到28天。125.2.4试验成果整理单桩竖向抗拔静载试验成果，为了便于应用与统计，宜整理成表格形式，并绘制有关试验成果曲线。除表格外还应对成桩和试验过程中出现的异常现象作补充说明。主要的成果资料包括以下几个方面：1)单桩竖向抗拔静载试验变形汇总表；2)单桩竖向抗拔静载试验荷载～变形(U～δ)曲线图；3)单桩竖向抗拔静载试验变形～时间(δ～lgt)曲线图；4)当进行桩身应力、应变测试时，应整理出有关数据的记录表及绘制桩身应力变化、桩侧阻力与荷载-变形等关系曲线。135.2.5单桩轴向抗拔极限承载力的确定《建筑基桩检测技术规范》(JGJl06—2003)对确定单桩竖向抗拔极限承载力方法作了如下规定：l）根据上拔量随荷载变化的特征确定：对陡变型U～δ曲线，取陡升起始点对应的荷载值。2）根据上拔量随时间变化的特征确定：取δ～lgt曲线斜率明显变陡或曲线尾部明显弯曲的前一级荷载值。3）当在某级荷载下抗拔钢筋断裂时，取其前一级荷载值。另外，当作为验收抽样检测的受检桩在最大上拔荷载作用下，未出现上述第三条的情况时，可按设计要求判定。单位工程同一条件下的单桩竖向抗拔承载力特征值应按单桩竖向抗拔极限承载力统计值的一半取值。当工程桩不允许带裂缝工作时，取桩身开裂的前一级荷载作为单桩竖向抗拔承载力特征值，并与按极限荷载一半取值确定的承载力特征值相比取小值。145.2.6单桩竖向抗拔静荷载试验实例分析1.桩基工程概况浙江某金融中心主楼为55、37层，地下室为3层，落地面积为17289m2，建筑面积为209180m2，主体采用框剪结构。基础设计采用钻孔灌注桩，抗拔桩长约为43m（桩径ф700mm），桩身采用C30。设计要求单桩竖向抗拔承载力极限值为2800kN（桩径ф700mm）。为了评价其实际抗拔承载力，设计要求对本工程做1根检验性抗拔试验桩，试验桩的施工记录见表5-2。152.工程地质情况163.试验方法检测设备与执行标准单桩竖向静荷载试验执行标准为《浙江省建筑地基基础设计规范》DB33/1001-2003和中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003。本工程试桩抗拔试验采用支墩——反力架装置，并采用千斤顶反力加载——百分表测读桩顶上拔量的试验方法。加载方法采用千斤顶反力加载，并采用分级观测及上拔量观测。试验采用维持荷载法，终止加载条件按《建筑桩基检测技术规范》和设计要求综合确定。卸载方式按规范进行。17181920215.单桩竖向抗拔静载试验结果的几点规律1）从桩的U～δ曲线可以看出，当荷载较小时，桩顶即产生上拔量，且基本为线性变化。随着荷载的增大，桩端可开始出现上拔量，而桩顶的U～δ曲线斜率也逐渐增大。2）从桩身轴力曲线可以看出，在荷载作用下，桩身轴力上大下小，轴力随荷载的增加而增大，抗拔桩桩身端部轴力为零，表现为纯摩擦桩。3）从桩侧平均摩阻力沿桩身分布曲线可以看出，抗拔桩侧阻是从上到下逐渐发挥的，上部土层侧阻容易达到极限值，下部则较难发挥完全。4）从平均桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线可以看出，当桩土位移较小时，上部下部桩侧平均摩阻力均随着桩土位移的增大而增大，随着荷载增大，上部土层达到极限侧阻，增大量很小，而下部土层侧阻仍然增大。225.3抗拔桩的受力机理5.3.1抗拔桩的受力机理从单桩抗拔静载试验的U～δ曲线可以看出，当对桩顶施加向上的竖向上拔荷载时，桩身混凝土受到上拔荷载拉伸产生相对于土的向上位移，从而形成桩侧土抵抗桩侧表面向上位移的向下摩阻力。此时桩顶上拔荷载通过桩侧表面的桩侧摩阻力传递到桩周土层中去，致使桩身轴力和桩身拉伸变形随深度递减。当桩顶荷载较小时，桩身混凝土的拉伸也在桩的上部，桩侧上部土的向下摩阻力得到逐步发挥，此时在桩身中下部桩土相对位移等于零处，其桩摩阻力因尚未开始发挥作用而等于零。随着桩顶上拔荷载增加，桩身混凝土拉伸量和桩土相对位移量逐渐增大，桩侧中下部土层的摩阻力随之逐步发挥出来；由于黏性土极限位移只有6～12mm，砂性土为8～15mm，所以当长桩桩土界面相对位移大于桩土极限位移后，桩身上部土的侧阻已发挥到最大值并出现滑移（此时上部桩侧土的抗剪强度由峰值强度跌落为残余强度），此时桩身下部土的侧阻进一步得到发挥。随着上拔荷载的进一步增大，整根桩桩土界面滑移，桩顶上拔量突然增大，桩顶上拔力反而减少并稳定在残余强度，此时整根桩由于桩土界面滑移拔出而破坏（一般桩顶累计上拔量大于50mm）。另外一种破坏情况是桩身混凝土或抗拉钢筋被拉断而破坏，此时桩顶上拔力残余值往往很小。23可见，桩侧土层的摩阻力是随着桩顶上拔荷载的增大自上而下逐渐发挥的。当桩顶上拔量突然增大很快且压力下跌时，抗拔桩已处于破坏状态，我们定义单桩上拔破坏时的最大荷载为单桩的抗拔破坏承载力。而破坏之前的前一级荷载（亦即桩顶能稳定承受的上拔荷载）称之为单桩竖向抗拔极限承载力。也就是说，单桩竖向抗拔极限承载力是静载试验时单桩桩顶所能稳定承受的最大上拔试验荷载。从上面的描述可以看出桩顶在竖向荷载作用下的传递规律是：1.桩侧摩阻力是自上而下逐渐发挥的，而且不同深度土层的桩侧摩阻力是异步发挥的。2.当桩土相对位移大于土体的极限位移后，桩土之间要产生滑移，滑移后其抗剪强度将由峰值强度跌落为残余强度，亦即滑移部分的桩侧土抗拔摩阻力产生软化。3.抗拔桩是纯摩擦桩，即只考虑摩阻力作用。但桩自重对抗拔力