天津于家堡深大地下工程新型抗拔桩的研究与应用

吴江斌王向军上海2015.04.24

天津于家堡深大地下工程新型抗拔桩的研究与应用华东建筑设计研究院有限公司EASTCHINAARCHITECTURALDESIGN&RESEARCHINSTITUTECO.,LTD.目录一、工程概况二、新型抗拔桩适用性的试验研究三、新型抗拔桩的承载变形特性分析四、扩底抗拔桩的工程应用P3一、工程概况天津于家堡金融区规划图鸟瞰于家堡金融区占地面积3.86平方公里，规划120个地块，总的建筑面积达到950万平方公里，建成后将是一个集市场会展、现代金融、城际车站、酒店会议中心、行政服务中心、滨河公园和中央大道等于一体的超大规模国际级的金融区。P5于家堡南北车库是金融区起步区的先行开发的35个项目之一。建成后作为配套的绿地公园。均为纯地下结构，整体设置4层地下室，单层面积均约2.8万平米基础埋深约16.0m工程概况——天津于家堡南、北地下车库项目北车库南车库普遍区域设置4层地下室局部区域设置2层地下室纯地下结构，基础埋深深，水浮力问题突出抗拔桩的工程量大、造价高7常规等截面抗拔桩扩底抗拔桩桩侧后注浆抗拔桩常规等截面抗拔桩抗拔承载力有限扩底抗拔桩以较小的材料增加获取显著的抗拔承载力提高桩侧后注浆抗拔桩改变桩身与桩周土的接触界面特性，从而提高承载力抗拔桩技术的发展当前对扩底抗拔桩和桩侧注浆抗拔桩的研究已经开展了不少的研究，其良好的承载特性已经得到广泛的关注。新型抗拔桩在背景工程中的应用是有一定理论基础的。新型抗拔桩在天津于家堡地区并无工程应用先例，开展新型抗拔桩的适用性试验研究意义重大。可直接指导背景工程的桩基设计，也可为后续类似的项目提供参考。二、新型抗拔桩适用性的试验研究试桩试验方案试桩施工背景工程普遍地下4层区域，单桩抗拔承载力要求达到1800kN桩径为850mm,等截面抗拔桩,有效桩长约30m。南北地下车库共计设置抗拔桩超过4000根。工程量大，造价高。工程规模大，采用新型抗拔桩以节省工程造价有现实需求。初步估算，采用新桩型后，有效桩长仅需19m，可减短桩长11m。开展新型抗拔桩的适用性试验研究意义重大减短桩长约11m30m19m试桩试验方案地下4层区域，量大面广。拟开展扩底抗拔桩和桩侧注浆抗拔桩两种桩型的试桩试验地下2层区域范围相对较小。拟仅开展扩底抗拔桩的试桩试验SBZ1A——扩底抗拔桩试桩数量3根有效桩长19m等截面段桩径850mm扩底直径1500mm扩大头高度1.5m+0.75mSBZ1B——桩侧注浆试桩数量3根有效桩长19m桩径850mm桩侧设置2道注浆断面，每道注浆量0.8tSBZ2——扩底抗拔桩试桩数量3根有效桩长30m等截面段桩径850mm扩底直径1500mm扩大头高度1.5m+0.75m试桩区域桩型有效桩长（m）数量砼强度单桩承载力要求/kN普遍地库区域扩底桩（SBZ1A）193C301800桩侧后注浆桩（SBZ1B）193C301800锚桩（MBZ1）198C30/能源中心区域扩底桩（SBZ2）303C302800kN锚桩（MBZ2）304C30/双套管位移量测轴力测试地下4层区域区域试桩平面布置图地下二层区域试桩平面布置图试桩施工AM全液压可视旋挖成孔工艺扩大头孔径曲线施工可行试桩区域桩型桩号最大试验荷载/kN最大桩顶上拔量/mm桩底上拔量/mm单桩抗拔极限承载力/kN对应桩顶上拔量/mm桩底上拔量/mm单桩抗拔极限承载力统计值（标准值）/kN普遍地库区域扩底桩（SBZ）有效桩长19mSbz1A-9650095.3990.94600026.6718.515666Sbz1A-11600087.3179.53550020.3012.86Sbz1A-13600083.5175.11550023.454.42桩侧注浆桩（SBZ1B）有效桩长19mSb1zb-6550081.4174.77500027.024.494833Sb1zb-4500082.0376.65450027.614.57Sb1zb-2550085.7778.57500028.133.74能源中心区域扩底桩（SBZ2）有效桩长30mSb1z2-16720084.9178.43660011.492.186733Sb1z2-187600103.33100.51720015.375.73Sb1z2-20720088.4784.84640012.572.06试桩区域桩型设计要求单桩抗拔承载力/kN抗拔承载力（特征值）/kN普遍地库区域扩底桩（SBZ）18002800桩侧后注浆桩（SBZ1B）18002400能源中心区域扩底桩（SBZ2）28003350试桩试验结果承载力满足要求三、新型抗拔桩承载变形特性的分析荷载位移曲线及桩身变形桩身轴力分布规律桩侧摩阻力发挥特性扩大头的承载机理荷载位移曲线扩底-19m桩侧注浆-19m扩底-30mP21扩底-19m荷载位移曲线桩顶、桩端同时发生较大的变形，试桩达到破坏状态。P22桩侧注浆桩—19m扩底桩—19m扩底桩—30m荷载位移曲线承载能力抗变形能力桩身轴力分布曲线规律扩底-19m桩侧注浆-19m当桩顶试桩荷载为1000kN时，两种桩型桩身轴力分布曲线较接近。桩顶荷载1000kN桩身轴力分布曲线规律当桩顶试桩荷载为1000kN时，两种桩型桩身轴力分布曲线较接近。桩顶荷载2000kN桩身轴力分布曲线规律当桩顶上拔荷载大于3000kN时，两种桩型桩身轴力分布曲线差异明显。桩顶荷载3000kN桩身轴力分布曲线规律随着桩顶试桩荷载的增大，桩侧注浆抗拔桩距桩端附近的桩身轴力增长有限。而扩底抗拔桩相应位置处的桩身轴力增长幅度较大。桩顶荷载4000kN桩身轴力分布曲线规律随着桩顶试桩荷载的增大，桩侧注浆抗拔桩距桩端附近的桩身轴力增长有限。而扩底抗拔桩相应位置处的桩身轴力增长幅度较大。桩顶荷载5000kN桩身轴力分布曲线规律桩侧摩阻力发挥特性扩底-19m桩侧注浆-19m当试桩荷载较小时，两种桩型均依靠桩侧摩阻力抵抗上拔荷载。桩顶荷载1000kN桩侧摩阻力发挥特性扩底侧注浆当桩顶荷载逐渐增大时，浅部土层，桩侧注浆抗拔桩的侧摩阻力明显比扩底抗拔桩相应区域的桩侧摩阻力大深部土层，两种桩型侧摩阻力的发挥差异不大。桩顶荷载3000kN桩侧摩阻力发挥特性扩底侧注浆当试桩达到较高水平时，对于桩侧注浆抗拔桩来说，全桩长范围内的侧摩阻力得到进一步的增强，特别是深部土层侧摩阻力的增长幅度较大。扩底抗拔桩全桩长范围的侧摩阻力亦有增长，但增长幅度有限。桩顶荷载5000kN桩侧摩阻力发挥特性扩底侧注浆土层试桩实测平均值/kPa勘察报告值/kPa增强系数β（7）粉质粘土83481.73（8）粉质粘土84.7521.63（9）粉土粉砂93.3701.33（10）粉土粉砂97.7701.40桩侧注浆增强系数土层试桩实测平均值/kPa勘察报告值/kPa实测值与建议值的比值（7）粉质粘土56.3481.17（8）粉质粘土58521.12（9）粉土粉砂60700.86（10）粉土粉砂62700.89扩底抗拔桩扩大头抗力的发挥特性扩底-19m桩侧注浆-19m扩大头抗力等截面段桩侧摩阻力扩底抗拔桩-199号桩11号桩13号桩平均值桩顶极限荷载6000.005500.005500.005666.67桩端附近轴力(kN)3172.002896.003003.003023.67扩大头抗力占比0.530.530.550.53桩侧注浆-192号桩4号桩6号桩平均值桩顶极限荷载5000.004500.005000.004833.33桩端附近轴力(kN)858.00855.00910.00874.33桩端轴力占比0.170.190.180.18扩大头抗力的发挥特性极限状态下，扩大头提供的抗拔承载力可占总承载力的50%以上扩大头的承载机理试桩试验的数值拟合Q=3000kNQ=4000kNQ=5000kNQ=5500kN扩大头的承载机理扩大头与周边土体的相互作用根据扩头段法向应力分布，计算得到扩头段的抗拔扩头段法向应力竖向分力提供了扩头段的主要抗拔力，占扩头段总抗拔力约70%。扩大头的承载机理扩底抗拔桩的承载力由桩侧摩阻力与扩大头抗力共同组成，两者承载力的发挥是一个异步的过程首先由等截面段桩土侧摩阻力提供抗拔力；当上拔荷载进一步增大后，扩大头开始逐渐发挥作用，并且扩大头抗力占试桩总荷载的比例逐步上升当等截面段桩侧摩阻力达到极限状态后，扩大头可继续提供抗拔承载力，甚至超过桩侧摩阻力提供的抗拔承载力扩大头周边土体随桩顶加载增加，受到扩大头的挤压力逐渐增大，逐渐进入塑性状态，并最终贯穿整个扩大头区域，周边土体受压达到极限状态后，扩底抗拔桩发生整体向上的变形，达到破坏状态。扩大头的承载机理扩底抗拔桩极限承载力计算方法

假定极限破裂面荷载传递法被动土压力折减系数为被动土压力折减系数取值表扩大头角度

(度)0°5°15°20°30°折减系数0.120.550.900.950.97极限状态下法向压力计算值扩大头位置被动土压力值组号桩号实测极限承载力(kN)实测平均值旁压法计算值SBZ1a（有效桩长18m）9#60005666520011#550013#5500SBZ2（有效桩长30m）16#66006733670018#7200