扩底抗拔桩承载力计算方法与工程应用解读(共22页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上文章编号 :(2007 扩底抗拔桩承载力计算方法与工程应用许 亮 , 王卫东 , 沈 健 , 黄绍铭(上海现代建筑设计集团有限公司 , 上海 摘要 :上海地区扩底抗拔桩具有中长度 、 小扩展角度的特点 。 基于现场足尺试验与工程实践 , 提出了适合该桩型抗拔承载力计算的两种方法 :圆柱面剪切法和扩大系数法 。 其中圆柱面剪切法假定桩端扩大头以上一定范围内的土体剪切面 直径等于扩大头最大直径 , 超过此范围的桩等截面部分的侧摩阻力不受影响 。 扩大系数法通过扩底扩大系数和旁压扩 大系数来反映扩大头段抗拔阻力的提高 。 这两种方法分段套用现有规范的抗拔桩计算公式 , 参数

2、选取容易 , 公式简洁 , 便于工程设计人员采用 。 这种新型的扩底抗拔桩及其承载力计算方法在瑞金医院地下车库和上海铁路南站南广场中得 到应用 , 试验结果皆大于计算值 , 其中上海铁路南站南广场工程计算值与试验结果非常接近 , 进一步验证了计算方法的 合理性 , 并为认识扩底抗拔桩的承载特性提供了参考 。关键词 :扩底抗拔桩 ; 圆锥形扩大头 ; 圆柱面剪切法 ; 扩大系数法 中图分类号 :TU 文献标识码 :AAnalytical method of bearing , , SHE N Jian , H UANG Shaoming(Shanghai Dai Design and Resea

3、rch G roup C o. Ltd , Shanghai , China Abstract :C onsidering the characteristic of medium length and small angle of the pedestal uplift piles in Shanghai area , based on full 2scale field test and engineering practice and combined with calculation principal of theoretical method , this paper sugges

4、ts tw o calculation methods of the withdrawal resistance of pedestal uplift piles :cylindrical face shear method and am plification factor method. Cylindrical face shear method assumes that the diameter of shear plane of definite range s oil above pedestal sector equal to the maximum diameter of ped

5、estal sector , and the side friction resistance of constant cross 2section part is not im pacted. Am plification factor method uses the pedestal and lateral pressure am plification factor to reflect the increase of uplift resistance on the pedestal sector. The parameters of these tw o methods are sa

6、me with conventional calculation method of bearing capacity of driven cast 2in 2place piles. Meanwhile , tw o actual application projects for the Underground G arage of Ruijin H ospital and S outh Square of Shanghai S outh Railway Station are introduced in this paper , it is indicated that the test

7、value are greater than calculation result , and specially calculation result and test value of piles in the Shanghai S outh Railway Station are in g ood agreement , dem onstrating that that the proposed methods are applicable to pedestal uplift piles , and providing valuable reference to realize the

8、 load 2bearing characteristic of pedestal uplift piles.K eyw ords :pedestal uplift pile ; enlarged bottom in shape of cone ; cylindrical face shear method ; am plification factor method基金项目 :上海市科委重点攻关项目 :深层地下结构开发关键技术研究 ( 。作者简介 :许亮 (1968, 男 , 上海人 , 一级注册结构工程师 。 收稿日期 :2006年 9月0 引言上海地区地下水位较高 , 一般年平均水位埋深

9、约 为 0. 5017m , 地下结构工程的抗浮设计显得尤为重 要 。 目前抗拔桩基础仍为各种抗拔措施的首选 , 传统 的等截面抗拔桩仅靠桩土间的侧摩阻力提供抗拔承载221第 28卷第 3期 建 筑 结 构 学 报 V ol 128,N o 年 6月Journal of Building StructuresJune 2007力 , 扩底桩通过扩底可实现抗拔承载力的大幅提高 。 扩底抗拔桩的应用和研究以短桩居多 , 大都以砂 土或软岩为背景 , 且扩大头的形状差别较大 125。 刘文 白等对干旱地区黄土中扩底桩进行了抗拔试验与机理 分析 , 并提出了承载力计算公式 , 试验采用的桩长约为 3m

10、 1。 Dickin 等采用离心机试验来研究扩底桩在松 砂 、 密砂等不同条件下的抗拔特性 2。 Stewart 对处于 成 层 砂 中 的 平 板 式 扩 底 锚 桩 进 行 了 试 验 5。 Ilam paruthi 通过砂土模型试验研究土工织物加固扩大 头周围土体对扩底桩抗拔承载力的影响 , 其扩大头呈 圆锥台形 , 扩大头扩展角度为 656。 由于受到土层特 性和施工工艺的限制 , 上海地区扩底桩为中长度桩且 扩大头的扩展角度不宜太大 , 试验资料表明 , 该扩底桩 型可提高承载力约 50%7。如何估算这种新桩型的 承载力成为工程界关心的课题 。1 现有的抗拔桩承载力计算方法扩底抗拔桩

11、上拔时 ,多变 , 并随基础深度 、 土质特性等变化 。 已有的抗拔桩承载力计算公式大多以土体的整体剪切 破坏形式为前提 , 破坏面的假定具有较强的地质与桩 型背景 。 如摩擦圆柱法 8(见图 1 假定桩在破坏时 , 在桩端扩大头以上将出现一个直径等于扩大头最大直 径的竖直圆柱形破坏土体 , 根据这种理论得出的极限 抗拔承载力相当于与扩大头直径相当的等截面桩的承 载力 。 又如 Meyerhof 2Adams 法 9(见图 2 采用竖圆柱 形滑动面代替在模型试验中观察到的喇叭形倒圆锥台 形滑动面 , 来计算破坏面上的摩阻力 , 并对浅基础和深 基础分别提出了不同的算式 。 Meyerhof 2

12、Adams 法对于 深基础在计算思路上与现行规范建议的计算方法基本 一致 , 然而在应用时 , 由于其计算公式中使用的参数是 土体的 c 、 值 , 与规范公式的计算参数有一定的区 别 , 因而限制了该方法的应用 。 事实上 , 很难针对不同 的地层条件 、 桩长 、 桩型建立统一的承载力计算公式和 采用相同的计算参数 。建筑桩基技术规范 (J G J 94 94 第 条规 定基桩的抗拔极限承载力标准值按公式 (1 计算 10。 Q uk =U k +G p (1 式中 , G p 为基桩 (土 自重标准值 ; U k 为基桩抗拔极限图 1 摩擦圆柱法计算简图Fig 11 Analytical

13、 sketch of friction cylinder method图 2 Meyerhof 2Adams 法计算简图Fig 12 Analytical sketch of Meyerhof 2Adams method承载力标准值U k =i q s i k u i l i (2 式中 , u i 为第 i 层土破坏截面周长 , 具体取值见表 1; q s i k 为桩侧表面第 i 层土的抗压极限侧摩阻力标准值 ; i为抗拔系数 , 对砂土取 015017, 对粘性土和粉土取 017018。表 1 扩底桩破坏截面周长Table 1 Circum ference of damage secti

14、on of pede stal pile s自桩底起算的长度 li 5d 5du i D d注 :d 为扩底桩等截面段直径 , D 为扩底直径 (图 1 。2 本文提出的计算方法上海地区浅层土体软弱 , 以粘性土和粉性土为主 , 扩底抗拔桩扩大头的形状与其它地区有较大区别 。 本 次研究提出的扩大头形式如图 3所示呈圆锥台形 , 锥 面扩展角度小 。 这种小角度的扩大头在上拔时 , 主要 321起到压密周围土体的作用 。扩底桩的主要参数如下 :桩身直径 d 一般为 400600mm , 扩底直径 D 一般为 8001200mm , D/d 约为 2, 扩底高度 H 一般在 110215mm ,

15、 扩底锥面的扩展角度大约为 812 。图 3 扩底形状图Fig 13 Shape of enlarged bottom为了研究该桩型对于提高抗拔承载力的效果 , 分别进行了两组足尺试验研究 。第一组桩桩长均为 L =27m , 桩径 d =450mm ,1#桩为等截面桩 ,2#、 3#为 扩底桩 , 扩底部分高均为 H =115m , 扩底直径均为 =800mm ; 第 二 组 桩 桩 长 均 为 L d 400mm ,4#, 分高 H 分别为 11, D =800mm 。 表 2, 扩底抗拔桩的抗拔承 载力要明显大于相同桩径等截面桩 , 然而混凝土用量 比等截面桩仅增加了约 5%。表 2列出

16、了按 建筑桩基础技术规范 (J G J 9494 10公式计算得到的抗拔桩承载力与试验值的比 较 。 通过比较可见 , 规范 10公式对于等截面桩抗拔承 载力的估算较理想 , 但对于扩底抗拔桩其计算值明显 偏小 。 由于上海地区扩底抗拔桩在地层 、 桩型 、 扩大头 形状等主要因素与已有研究具有较大的差异 , 因此很 有必要根据现有的研究建立该桩型的承载力计算公 式 。 本文参照现有规范的抗拔桩承载力公式的表达形 式 , 提出两种计算方法并与试验结果进行了比较 。表 2 规范 10公式计算单桩承载力值与试验值比较 Table 2 Comparison of bearing capacity r

17、e sults betweencalculation by code formula and te st组号 桩号 试验值 /kN计算值 /kN偏差第 一 组 1#(等截面 -2%2#(扩底 -31%3#(扩底 -22%第 二 组4#(等截面 -11%5#(扩底 -40%6#(扩底 1247624-50%211 计算方法 1 圆柱面剪切法该法假设桩端扩大头以上一定范围内的土体剪切面直径等于扩大头最大直径 , 同时假设超过此范围的 桩等截面部分的侧摩阻力不受影响 , 并分段套用现有 规范的抗拔桩计算公式 。计算简图见图 4a 。方法可 利用现有规范中的参数 , 简单易行 。单桩承载力标准值计算公

18、式如下Q uk1=U s1+U s2+W c +W s1(2 U s1=i q s i k d l i 1(3 U s2=i q s i k D l i 2(4(a 圆柱面剪切法 (b 扩大系数法图 4 计算简图 Fig 14 Analytical sketch式中 , Q uk1为扩底桩基桩抗拔极限承载力标准值 ; U s1为扩大头高度 H 及影响范围 H 以上部分的桩侧摩阻力标准值 (按桩身直径 d 计算 ; U s2为扩大头高度 H 及影响范围 H 以内的桩侧摩阻力标准值 (按扩底直径 D 计算 ; W c 为桩身有效自重 ; W s1为扩大头影响范围 内的土体有效自重 ; l i 1为

19、取扩大头影响范围以上的长 度 ; l i 2为自桩底起算的长度 , 取 l i 2 H +H 。 根据现 有施工机械条件 , 扩大头高度 H 一般在 110m 215m , 超过 215m 可按 215m 计 。 H 为扩大头影响范围 , 一般 取扩大头以上 8D 范围 , 但不计软弱土层的长度 。按上述公式计算出的单桩承载力与试验结果拟合 较好 , 详见表 3。 212 计算方法 2 扩大系数法 该法将扩底抗拔桩分为等截面段和扩大头段分别 计算 , 即其破坏形式为沿桩 2土侧壁界面剪破 。在计算 扩大头段时 , 考虑到桩端扩大头范围内的土体由于上 覆土重及扩大头的旁压作用 , 通过扩底扩大系

20、数 1和 旁压扩大系数 2来反映这种作用 , 将与扩大头对应的421表 3 公式 (2 计算单桩承载力值与试验值比较 Table 3 Comparison of bearing capacity re sults between calculation by formula (2 and te st组号 桩号 试验值Q t /kN计算值Q uk1/kN偏差第 一 组 1#(等截面 -2% 2#(扩底 -16% 3#(扩底 -5%第 二 组 4#(等截面 -11% 5#(扩底 -18% 6#(扩底 -20%等截面段侧摩阻力乘以这两个扩大系数来得到扩大头 段的侧摩阻力 。 桩端扩大头范围内的土体对

21、扩大头的 旁压作用以扩大系数来反映 , 计算简图见图 4b 。 单桩承载力标准值计算公式如下Q uk2=U s3+U s4+W c +W s2(5 U s3=i q s i k d l i 3(6 U s4= U s2=12 U s2( 式中 , U s3(直径 d 计算 ; U s4; c 桩身有效自重 ; W s2效自重 ; l i 3; 1为扩底放 大系数 , 根据土质情况确定 , 一般可取为 115; 2为考 虑扩底的旁压作用对侧摩阻力的影响系数 , 根据土质 情况分别取为 115215, 持力层土质情况较好时取大 值 , 反之取小值 , 一般可取 2; U s2为扩大头段桩侧摩阻 力

22、标准值 (按扩底直径 D 计算 , 可按式 (8 计算 。 U s2=i q s i k D l i 4(8 式中 , l i 4为自桩底起算的长度 , 取 l i 4 H , 桩侧极限 摩阻力标准值 q s i k 可按规范的上限值取用 。表 4为按上述公式计算得到的单桩承载力 (取 值为 3 , 可见计算结果与试验结果拟合较好 。表 4 公式 (5 计算单桩承载力值与试验值比较Table 4 Comparison of bearing capacity re sults between calculation by formula (5 and te st组号 桩号 试验值Q t /kN计

23、算值Q uk2/kN偏差第 一 组 1#(等截面 -2% 2#(扩底 -13% 3#(扩底 -2%第 二 组 4#(等截面 -11%5#(扩底 -17%6#( -18%213 对两种计算方法的探讨上文从不同的角度提出了上海地区扩底抗拔桩承 载力估算的两种方法 。第一种法为圆柱剪切面法 , 该方法借鉴了摩擦圆 柱法及 Meyerhof 2Adams 法的思路 , 从整体破坏角度出 发 , 假定一定的破坏面来计算破坏面上的剪切力从而 确定桩体抗拔力 。 该法沿袭了传统的扩底抗拔桩承载 力估算方法的思路 , 比较容易理解 , 最大的优点是可利 用现有规范中的参数 , 简单易行 。其难点在于扩大头 影

24、响范围 H 的确定 , 建议取 8D , 但这仅是通过少数 工程得到的一个拟合值 , 需要通过进一步的工程实践 研究其更合理的取值 。第二种方法为扩大系数法 , 它是基于周围土体对 扩大头段旁压作用使得扩大头段侧摩阻力提高的认 识 , 。, 在一定程度上反映了扩大 , 然而扩大系数的确定仍需要更多工程 的积累 。目前 , 可同时采用上述两种方法估算单桩承载力 , 取较小值 , 且不大于相同直径等截面桩的 116倍 。扩 底抗拔桩单桩抗拔极限承载力最终采用现场荷载试验 确定 , 试桩数目参照有关规范 。3 工程应用311 瑞金医院地下车库上海市瑞金医院单建式单层地下车库 , 车库埋深 为 518

25、m , 平面尺寸约为 40m 90m , 总面积约 3500m 2, 顶板以上覆土约 1m 厚作为绿化及健身休闲场所 。自 地表以下 40m 深度范围内的土层分布见表 5。地基浅 部地下水属潜水类型 , 主要补给来源为大气降水 , 水位 随季节而变化 , 稳定水位埋深为 018110m 。该车库应满足双层机械车库的要求 , 设计中已采 取一系列措施以尽量减少车库的层高 , 但车库仍承受 较大的浮力 , 仅凭结构自重不能满足抗浮的要求 。若 采用常规的等截面抗拔桩 , 根据本场地的地质条件 , 可 采用 600的等截面钻孔灌注桩 , 有效桩长 22m (入土 深度约 29m , 进入 1b 层约

26、 315m , 总桩数 256根 。为 提高抗拔桩的经济性 , 采用了扩底抗拔桩替代前述的 等截面灌注桩 , 如图 5所示 。扩底抗拔桩等截面部分 52 1桩径为 400mm , 扩底最大直径为 800mm , 扩底高度约 115m , 总桩长不变 。表 5 土层物理力学参数表Table 5 Physical and mechanical parameters of soil layers土层名称 层厚 /m ec /kPa /( 侧摩阻力 /kPa 素填土 113 1粉质粘土 815 2粉质粘土110 淤泥质粉质粘土 822 淤泥质粉质粘土 917 1a 粘土 225 1b 粉质粘土 925

27、40 图 5 抗拔桩示意及场地土层分布Fig 15 Sketch of uplift piles and distribution of s oil layers 设计中单桩抗拔承载力应用了前文所述的估算方 法确定 , 计算得单桩极限承载力约为 680kN , 与相同桩 长 600mm 桩径等截面桩的规范计算值相近 。该工程 对三组试桩进行单桩竖向抗拔静载试验 , 静载试验荷 载加至估算的极限值时桩未有任何破坏迹象 , 证明了 扩底抗拔桩的适用性 。试验结果见表 6,88#试桩荷 载 2位移关系曲线见图 6。采用扩底抗拔桩替代等截面钻孔灌注桩 , 经济效 益明显 , 按当时市场价比较 , 如采

28、用常规桩型 , 该部分 桩基工程造价约为 110万 , 实际工程造价仅为 70万 , 业主仅此一项节省了约 40万的投资 。工程竣工至今 已有三年 , 使用情况良好 。表 6 试桩抗拔静载试验结果Table 6 Re sults of uplift dead load te st of te st pile s桩号桩径mm 扩底直径mm 最大 加载kN 桩顶 位移mm 桩端 位移mm 桩顶残 余变形mm 桩端残 余变形mm 40080011702310518571953131图 6 882s 曲线 16of test pile3的不足而建设的标志性工程 , 总体由华东建筑设计研 究院设计 。

29、其中南广场由上海市政设计院设计 , 主要 由地下车库 、 商场 、 下沉式广场和各类地下通道组成 。 地下车库 、 商场为地下二层结构 , 地下通道部分为地下 一层 , 下沉式广场为地下车库与主站房南出站大厅的 连接区域 。该工程为典型的地下建筑 , 采用钻孔灌注扩底抗 拔桩 , 共 A 、 B 、 C 三种抗拔桩型 (见图 7 , 其中 A 、 B 为扩底桩 ,C 为等截面桩 。表 7为三种抗拔桩桩型汇总表 。 三组试桩单桩抗拔静载试验结果见表 8, 三种桩 型的荷载 2位移关系曲线见图 8图 10。试桩得到 A 型桩的极限承载力达到 3400kN 以上 , 按本文提出的公式计算得到极限承载

30、力约为 3300kN , 与试验值稳合较好 。 A型扩底桩与相同长度 850的 等截面桩或桩长 55m桩径 600的等截面桩的计算单 桩承载力相近 。 该工程采用扩底抗拔桩替代等截面钻表 7 上海南站抗拔桩桩型Table 7 Type s of uplift pile s in Shanghai South Railway Station桩型桩径 d /mm扩底直径 D /mm扩大头高度H /m桩长 L /m桩数A 76B 04C700700-44134621 图7 上海南站抗拔桩桩型示意 Fig17 Uplift piles of Shanghai South Railway Station

31、 孔灌注桩 ,桩长缩短 10m ,经济效益明显且加快了施工 速度 。 表8 抗拔静载试验结果 桩顶最大 上拔位移/ mm 16198 30180 24134 25159 25177 32130 35186 26196 26108 23143 25112 Table 8 Re sults of uplift dead load te st 试验 值/ kN 3450 3700 3450 3450 3450 3900 4200 3900 3900 4000 4000 4 结论 桩型 A 桩号 A2 A3 A4 A5 A6 B1 B2 B3 B4 C1 C2 B C Fig18 Load2settl

32、ement curves of test pile A2 图 8 桩 Q2s 曲线 A2 最大回弹 量/ mm 13190 24186 18196 20133 20109 24143 25137 20135 20125 16193 14167 回弹 率/ % 81186 80171 77190 79145 77196 75163 70175 75148 77165 72126 58140 上海地区扩底抗拔桩多为中长桩 , 扩底形状呈圆 锥台形 ,扩展角度小 。通过对上海地区该桩型的扩底 抗拔桩承载力计算的研究提出了两种承载力计算方 法 ,并通过扩底抗拔桩的工程应用得到了以下结论 : (1 圆柱

33、剪切面法在扩底影响范围内采用扩底直 径对应的圆柱剪切面来反映扩大头的作用 。扩大系数 法采用扩底扩大系数 和旁压扩大系数 来反映扩 1 2 大头段抗拔阻力的提高 。两种方法可利用现有规范中 的参数 ,简单易行 。但都存在一些经验参数 ,仍需根据 更多工程的积累进行修正 。 (2 扩底抗拔桩单桩承载力可按上述两种方法计 算结果取较小值 , 且不应大于相同直径等截面桩的 116 倍 。扩底抗拔桩单桩极限承载力应采用现场荷载 试验确定 ,试桩数目参照有关规范 。 (3 瑞金医院地下车库和上海铁路南站南广场的 工程实践表明 ,采用扩底桩代替等截面钻孔灌注桩 ,可 有效减小抗拔桩的桩径及桩长 ,经济效益

34、明显 。 参 考 文 献 1 刘文白 , 周健 , 孟克特木尔 1 扩底桩的抗拔承载力试验 Fig110 Load2settlement curves of test pile C2 Fig19 Load2settlement curves of test pile B2 图 10 型桩 Q2s 曲线 C2 图 9 型桩 Q2s 曲线 B2 127 3 结论 度影响很小 ,但对其极限承载力有着重要的影响 。增 加配筋可以改善负弯矩区混凝土的开裂状况 。 (2 在弹性受力阶段钢梁和受压区混凝土的横向 应变分布均匀 ,两者能够很好地共同工作 ,沿截面竖向 中线的应变近似成线性分布 , 波纹板板肋内

35、部的混凝 土分担的荷载少 ,对承载力和刚度的贡献小 ,可推断组 合扁梁中的钢梁与受压区混凝土在弹性受力阶段能够 近似保持平截面 。 ( 3 有限元分析结果与试验结果吻合较好 ,可以利 用有限元数值模拟计算更多构件 ,克服试验局限性 。 128 及计算 J 1 工业建筑 ,2003 ,33 (4 : 2 Dickin E A , Leung C F1 Performance of piles with enlarged bases subject to uplift forces J 1 Canadian Geotechnical Journal , 1990 ,27 (5 : 3 Tagaya

36、 K, Scott R F , Aboshi H Pullout1 Resistance of buried anchor in sand J 1 Soils and Foundations , 1988 ,28 ( 3 : 1142 1301 4 Dickin E A , Leung C F1 The influence of foundation geometry on the uplift behaviour of piles with enlarged bases in sand J . Canadian Geotechnical Journal , 1992 , 29 (3 : .

37、5 Stewart W. Uplift capacity of circular plate anchors in layered soil J . Canadian Geotechnical Journal , 1985 , 22 ( 4 : 5892 592. 6 Ilamparuthi K, Dickin E A. The influence of soil reinforcement on the uplift behaviour of belled piles embedded in sand J . Geotextile and Geomembranes , 2001 ,19 (1

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39、lytical results from FEA 1 YJ , Li Q Z , Wang Y Q1 Structural behavior of composite Shi slim beam C Proceedings of the Eighth International Symposium on Structural Engineering for Y oung Experts. 2 石永久 ,李秋 1553. 3 王元清 ,张如杭 ,石永久 ,李秋 Beijing : Science Press , 2004 :. . 负弯矩区组合扁梁的受 力性能分析 J . 沈阳建筑大学学报 (

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