嵌岩扩底抗拔桩承载特性现场试验研究

张文涛，马建林，王滨，杨柏

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.国家电网四川省电力公司，成都 610041)

随着中国电力事业的不断发展，在西南地区，输电线路越来越多的在山区中走线。就扩底抗拔桩而言，针对西南地区“上土下岩”(即上部土层、下部岩石)地质条件作用下的研究偏少。为此，本文依托于国家电网路平―富乐500 kV双回线路工程中极限载荷试验，针对项目中的扩底抗拔桩，对嵌岩扩底抗拔桩拔的极限承载力、桩身轴力等进行了分析，以此研究嵌岩扩底抗拔桩的承载特性。

1 试桩试验概况

1.1 工程概况及地质条件

图1 试桩地质剖面图

岩土层名称重度/(kN·m-3)孔隙比e黏聚力/kPa内摩擦角/(°)压缩模量/MPa岩石饱和单轴抗压强度/MPa塑性指数液性指数粉质黏土19.50.79832.312.55.4516.60.31强风化砂岩23.81 000.032.02.105.4中风化砂岩25.01 500.040.62.7022.4

1.2 试桩概况

该工程抗拔桩极限载荷试验共测试桩径0.8 m，扩底抗拔桩4根，对其中8#、10#以及11#扩底抗拔桩进行研究。为与等截面桩比较分析，将试验桩径0.8 m的等截面4#桩引入。扩底抗拔桩干钻施工，上部采用旋挖钻孔的成孔施工工艺，下部扩大头采用人工挖孔施工工艺，扩底高度为1倍桩直径，扩底直径为D+2×200 mm(D为桩直径)。试桩尺寸见表2。

表2 抗拔桩尺寸表Table 2 Parameters of piles

试验采用《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)[16]推荐的慢速维持荷载加载法加荷，为确定各桩的抗拔极限承载力，试验加载至破坏或出现不可再加载的情况为止。现场采用两根同径工程桩作为反力支座，为试验桩提供反力，在每个支座上安放1个6 000 kN千斤顶。

为削弱加载时出现偏心荷载的影响，在桩顶设置1.5 m×1.5 m×1.5 m桩帽，抗拔桩的主筋伸入桩顶上部设置的钢筋混凝土桩帽，通过桩帽把上拔力传递给试桩。现场单桩极限载荷试验装置见图2。

图2 极限载荷试验装置现场图片Fig.2 Site image of ultimate load

试桩试验中，进行了桩顶位移测试。为测试桩身轴力，每根试桩根据桩长不同布置不等量钢筋应变计，应变计从桩顶开始布置，每隔0.5 m布置一个直至桩底。为测试方便，各桩桩顶标高均设置为0.0 m。

2 试验结果分析

2.1 荷载位移曲线

图3 桩顶荷载位移关系曲线Fig.3 Load-displacement curve of pile

试桩编号极限荷载/kN极限荷载对应桩顶位移/mm4#82313.98#1 7964.610#6 32820.611#8 39622.4

由图3可见，4#桩与8#桩所处岩土层相同，桩长接近，桩顶作用相同荷载时，8#扩底桩桩顶位移要明显小于4#等截面桩桩顶位移。由表3可知，4#桩极限荷载、对应的桩顶位移分别为823 kN、13.9 mm。8#桩极限荷载、对应的桩顶位移分别为1 796 kN、4.6 mm。可见，对岩土层相同，桩长接近的抗拔桩，嵌岩扩底抗拔桩较嵌岩等截面桩不但能够显著提高抗拔极限荷载，而且能够有效降低桩顶位移。

10#桩与11#桩相比，相对来说，增加桩长会显著提高极限抗拔力，但桩顶位移也会有一定幅度的增大。

2.2 桩身轴力曲线与桩侧摩阻力曲线

图4 各级荷载下桩身轴力深度曲线Fig.4 Distribution of shaft forces of pile

(1)

(2)

式(1)中：Nij为第i量测断面在第j荷载作用下的桩身轴力；σij为第i量测断面钢筋应力计在第j荷载作用下的应力；Ai为第i量测断面钢筋总面积；Eh为桩身混凝土弹性模量；Es为钢筋弹性模量；Aci为第i量测断面混凝土面积。

式(2)中：fij为第i～i+1量测断面之间在第j级荷载下的桩身侧摩阻力；Ai为第i～i+1量测断面之间的桩侧面积；N(i-1)j为第i-1量测断面处在第j级荷载下的轴力。

从图4中可以看出，各级桩顶荷载作用下桩身轴力沿深度逐渐减小，并且，在不同岩土层中减小速率各异。随着荷载的增加，上覆土层中轴力曲线斜率开始趋于稳定，同时，岩层中桩身轴力曲线斜率不断增大。

根据受力平衡原理，桩身轴力曲线在一定程度上可以反映桩侧土体提供的抗拔力。以10#桩为例，桩顶作用超过2 248 kN的荷载后，岩层提供的抗拔力超过岩土层整体提供的80%，该比例随桩顶荷载的增加有小幅增大，极限荷载作用下该比例达到85%，说明对上覆土嵌岩扩底抗拔桩，桩顶荷载超过某一量值后，在提供抗拔力的作用中，岩层开始起主要作用。

由于试桩并未在扩大头与等截面分界处安放钢筋计，为方便分析，将上一段量测区间内轴力曲线斜率延伸至等截面段与扩底段分界面处，作为扩大头与上一量测区间的轴力变化曲线，以此来计算扩大头提供的抗拔力。3根扩底桩在极限荷载作用下，扩大头提供的抗拔力见表4。

表4 极限荷载作用下扩大头提供的抗拔力Table 4 Bearing capacities of enlarged base

极限荷载作用下，4#等截面桩嵌岩段(长度0.9 m)提供的抗拔力为426 kN。与此对应，8#桩高度为0.8 m的扩大头提供的抗拔力为1 417 kN，是4#桩嵌岩段的3.3倍。

分析表4，11#桩与10#桩相比，桩长增加1.0 m，且扩大头均位于中风化砂岩中，但就扩大头提供的抗拔力而言，11#桩(2 918 kN)却小于10#桩(3 472 kN)，说明桩长的增加对扩大头所能提供的抗拔力无增益作用。

反观8#桩，3根扩底抗拔桩扩大头尺寸相同，但8#桩扩大头提供的抗拔力(1 417 kN)要明显小于10#与11#桩，根据前文所述，桩身长度对其无较大影响，分析认为，扩大头所处岩层性质是主要影响因素。根据图1，8#桩扩大头位于强风化砂岩中，10#与11#桩扩大头均位于中风化砂岩中，故而造成8#桩扩大头提供的抗拔力要小于10#、11#桩。

由表4可知，对同为扩底型的抗拔桩，8#桩扩大头虽提供的抗拔力明显小于10#、11#桩，但扩大头提供的抗拔力占桩体极限抗拔荷载的比例(76.5%)却明显高于10#(54.9%)、11#桩(34.7%)。这说明对同为扩底型的抗拔桩，桩身整体较短时，扩大头的扩底作用更显著。

由图5可知，在中风化岩层中，11#桩简化下的扩大头处的桩侧侧摩阻力可以达到1 000 kPa，对10#桩，其值可以超过1 800 kPa。对处于强风化岩层中的扩大头，从图5(b)可以看出，侧摩阻力也可以达到600 kPa，而根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[17]所提供抗拔极限承载力标准值，强风化岩层中侧摩阻力最大仅可取到220 kPa，这说明由于嵌岩抗拔桩扩大头抗拔作用的复杂性，将扩大头的抗拔特性简化成仅依靠桩侧侧摩阻力的作用，有一定的不合理性。

对于嵌岩扩底抗拔桩扩大头上部等截面段的侧摩阻力，从图5可以看出，整体上随桩顶荷载的增加而增大。极限荷载作用下，等截面段上覆土层及强风化岩层段侧摩阻力平均值见表5。

表5 极限荷载作用下等截面段侧摩阻力平均值Table 5 Measured value of side resistance

由于钢筋应变计的埋设是从桩顶开始布置，并且每隔0.5 m布置一个,直至桩底钢筋计的埋设，导致8#桩强风化岩层中等截面段侧摩阻力无法准确测出，故未在表5中列出。

从表5可以看出，极限荷载作用下，11#桩与10#桩相比，中部强风化岩层厚度增加1 m，等截面段上覆土层与强风化岩层的侧摩阻力均有不同幅度的提高，这说明对扩大头位于中风化岩层、上覆一定厚度土层的扩底抗拔桩，中部夹强风化岩层厚度的增大，会对上覆土层、中部强风化岩层的侧摩阻力具有一定程度的提升。换种角度来看，相对来讲，扩底抗拔桩桩长的增加对上部等截面段上覆土层、强风化岩层侧摩阻力的发挥有积极作用。

8#桩与10#桩、11#桩相比，桩长较短，且扩大头位于强风化岩层中，这导致8#桩上覆土层侧摩阻力要明显小于后两者。这也从侧面印证了扩底抗拔桩的桩长对上覆土层侧摩阻力的发挥具有一定的影响。

3 扩底抗拔桩等截面段桩侧摩阻力试验值与规范标准值对比

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)所提供的桩的极限侧摩阻力标准值,试验的黏土层为66～82 kPa，强风化岩层为140～220 kPa。

由于8#桩施工时未能做好扩大头上部等截面段桩体与土层之间的接触，极限荷载作用下8#桩上覆土层侧摩阻力为50 kPa，要小于规范提供的最小值。考虑到规范的保守性，可见抗拔桩施工时桩与土层摩擦特性将直接影响抗拔桩的承载力，施工时应注意控制两者之间的接触。

表5中，将10#桩与11#桩极限荷载作用下扩大头上部等截面段岩土层侧摩阻力与标准值相比较，可以看出试验上覆土层侧摩阻力(151 kPa)与强风化岩层的侧摩阻力(344 kPa)均要显著大于规范提供标准值的最大取值(分别为82、220 kPa)。这说明对于扩大头位于中风化岩层且上部具有一定厚度的黏土层与强风化岩层的扩底抗拔桩，对其等截面段的黏土层与强风化岩层，规范中提供的抗拔极限侧阻力标准值具有很强的保守性。

4 结论与建议

1)对所处岩土层相同，桩长接近的抗拔桩，嵌岩扩底抗拔桩较等截面桩不但能够显著提高极限抗拔荷载，而且能够有效降低桩顶位移。对桩端位于强风化岩层的抗拔桩，由扩大头提供的抗拔力是长度接近的等截面桩嵌岩段的3.3倍。

2)扩大头提供的抗拔力与抗拔桩桩长无紧密联系，扩大头所处岩层性质对其所能提供的抗拔力影响较大，处于中风化岩层中的扩大头所提供的抗拔力要显著大于扩大头位于强风化岩层时提供的抗拔力。

3)对同为扩底型的嵌岩抗拔桩，桩长较短时，扩大头提供的抗拔力占桩体极限抗拔荷载的比例更高，扩大头的扩底作用更显著。

4)对于扩大头位于中风化岩层且扩大头上部等截面段具有一定厚度的黏土层与强风化岩层的抗拔桩，其等截面段与黏土层、强风化岩层接触部分极限侧摩阻力可在规范建议标准值的基础上根据工程实际情况适当提高。

限于场地及经费，未设置常规等截面抗拔桩与10#、11#扩底型抗拔桩相比较，故无法在现场试验中实现扩底型抗拔桩与等截面抗拔桩的定量比较。在后续分析中，可利用室内实验及有限元软件对该部分进行进一步研究。