地下工程抗浮爆扩桩抗拔承载力的试验研究

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1、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Test Study of L

2、oading Capacity of Anti-float Pile with Bulb Shaped Base for under Ground Construction Chen Zhilong Liu Nian Yang yanjun Jiang Wei (Nanjing Military Engineering Collage)ABSTRACT Based on the results of anti-float pile test conducted at Zhu-hai Guan-hou square,brief analysis of the characters of anti

3、-float force of pile with large diameter bulb which is expanded by explosion in saturated soft soil stratum is introduced in this paper.Besids the frictional resistance of pile,the enlarged bulb base provides upper earth pressure,the anti-float force is immensely increased.This process decreases amo

4、unt of work,saves time and reduces costs.It makes a reference to designers and constructors of this field. KEYWORDS Pile with bulb shaped base Anti-float Test Study概述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

5、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 2.02.6

6、m。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：素填土：为花岗岩残积土回填而成，稍压密，厚度 3.53.7m。淤泥：灰黑色，饱和，流塑，N63.5 仅 0.91.7，厚度 3.43.7m。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 2.05.0m。淤泥：灰黑色，饱和，软塑，局部流塑，N63.5=1.53.1,厚度 4.55.0m。粘土：暗灰，灰黄色，可塑，厚度 3.04.0m。淤泥质土：浅黑色，饱和，软塑，N63.5=2.13.5,厚度 1.22.0m。粉质粘土：灰白，乳白，肉红色。饱和，可塑，厚度 4.55.6m。

7、砂质粘性土：紫红、土黄等色。饱和，可塑硬塑。厚度 21.028.0m。场地地下水位在地表下 2.0m2.6m 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，桩端扩大头位于层粉质粘土和层砂 质粘性土，这 2 层均为优良的地基持力层。场区及层均为开挖层，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

8、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

9、 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680500 钻

10、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、层均无法承受，故每根试桩应做 2 根支承 桩，具体

11、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 1/101/15 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

12、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 16 所示：图图 1 1 2-1 桩 P-S 曲线 图图 2 2 2-2 桩 P-S 曲线图图 3 3 2-3 桩 P-S 曲线 图图 4 4 3-1 桩 P-S 曲线图图 5 5 3-2 桩 P-S 曲线 图图 6 6 3-3 桩 P-S 曲线由图 16 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

13、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、试验结果分析四、试验结果分析1.爆扩桩单桩极限承载力的确定从图 16 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)2-1780 2-28402 层2-38003123-11260 3-21

14、1703 层3-31200508由表 1 可知，2 层部分桩的极限承载力在 780840kN 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 1170kN1260kN 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

15、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。图图 7 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

16、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