单桩竖向抗拔静荷载试验图文并茂

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1精选课件5.1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。2精选课件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？

3精选课件5.2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）。

4精选课件图5-1锚桩法竖向抗拔静载试验装置示意图5精选课件5.2.1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。

6精选课件5.2.2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。7精选课件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。8精选课件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％。9精选课件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。10精选课件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。11精选课件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。12精选课件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。

13精选课件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。14精选课件2.工程地质情况15精选课件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。

16精选课件17精选课件18精选课件19精选课件20精选课件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。21精选课件5.3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。

22精选课件可见，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。但桩自重对抗拔力有影响。4.单桩抗拔破坏有两种方式，一种是整根桩桩土界面滑移破坏而被拔出，另一种是桩身混凝土（特别是上部混凝土）由于拉应力过大被拉断破坏。5.单桩竖向抗拔极限承载力是指抗拔静载试验时单桩桩顶所能稳定承受的最大抗拔试验荷载。抗拔桩包括等截面抗拔桩和扩底抗拔桩，它们有着不同的受力特性和受力机理，下面将分别具体阐述。23精选课件5.3.2等截面抗拔桩1.等截面抗拔桩的破坏形态抗拔桩的破坏形态与许多因素有关。对于等截面抗拔桩，破坏形态可以分为三个基本类型：1）沿桩—土侧壁界面剪破，如图5-7a所示，这种破坏形态在工程实际中比较常见。2）与桩长等高的倒锥台剪破，如图5-7b所示，软岩中的粗短灌注桩可能出现完整通长的倒锥体破坏，倒锥体的斜侧面也可呈现为曲面。3）复合剪切面剪破：即下部沿桩—土侧壁面剪破，上部为倒锥台剪破，如图5-7c所示；或者为在桩底与桩身相切，沿一定曲面的破坏，如图5-7d所示。复合剪切面常在硬黏土中的钻孔灌注桩中出现，而且往往桩的侧面不平滑，凹凸不平，黏土与桩黏结得很好。当倒锥体土重不足以破坏该界面上桩—土的黏着力时即可形成这种滑面。

24精选课件25精选课件26精选课件27精选课件28精选课件29精选课件30精选课件2）群桩的抗拔力根据《建筑桩基技术规范》，群桩基础及其基桩的抗拔极限承载力标准值应按下列规定确定：对于一级建筑桩基，基桩的抗拔极限承载力标准值应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。单桩上拔静载荷试验及抗拔极限承载力标准值取值可按单桩竖向抗拔静载试验进行；对于二、三级建筑桩基，如无当地经验时，群桩基础及基桩的抗拔极限承载力标准值可按下列规定计算：

31精选课件32精选课件33精选课件5.3.3扩底抗拔桩扩底抗拔桩最大的优点是可以用增加不多的材料来获取显著增加桩基抗拔承载力的效果。随着扩孔技术的不断发展，扩底桩的应用愈来愈广泛，设计理论也随之发展。1.扩底抗拔桩的破坏形态1）基本破坏模式扩底桩破坏形态与等截面桩不同，其扩大头的上移使地基土内产生各种形状的复合剪切破坏面。这种基础的地基破坏形态相当复杂，并随施工方法、基础埋深以及各层土的特性而变，基本的破坏形式如图5-10所示。

34精选课件35精选课件2）圆柱形冲剪式破坏当桩基础埋深不很大时，虽然桩杆侧面滑移出现得较早，但是当扩大头上移导致地基剪切破坏后，原来的桩杆圆柱形剪切面不一定能保持图5-10中中段那种规则的形状，尤其是靠近扩大头的部位变得更加复杂，也可能演化成图5-11中的“圆柱形冲剪式剪切面”，最后可能在地面附近出现倒锥形剪切面，其后的变形发展过程就与等截面桩中的相似。只有在硬黏土中，前述间条状剪切面才可能发展成为倒锥形的破坏面。如果扩大头埋深不大，桩杆较短，则可能仅出现圆柱形冲剪式剪切面或仅出现倒锥形剪切破坏面，也可能出现一个介于圆柱形和倒锥形之间的曲线滑动面(状如喇叭)。在计算抗拔承载力时，宜多设几种可能的破坏面，择其抗力最小者作为最危险滑动面。36精选课件37精选课件4）软土中扩底桩上拔破坏形态均匀软黏土地基中的扩底桩在上拔力作用下，软土介质内部不易出现明显的滑动面。扩大头的底部软土将与扩大头底面黏在一起向上运动，所留下的空间会由真空吸力作用将扩大头四周的软土吸引进来，填补可能产生的空隙(见图5-13)。与此同时，由于相当大的范围内土体在不同程度上被牵动而一起运动，较短的扩底桩周围地面会呈现一个浅平的凹陷圈，而在软土内部则始终不会出现空隙，一直到桩头快被拔出地面时才看得到扩大头与底下的土脱开。

38精选课件39精选课件40精选课件41精选课件5.3.4等截面桩与扩底桩荷载传递规律的差异等截面桩与扩底桩在荷载传递规律上存在着差异：42精选课件43精选课件5.4抗拔桩与抗压桩的异同

5.4.1抗拔桩与抗压桩受力性状差异性抗拔桩与抗压桩受力性状的差异主要包括以下几个方面：1.抗拔桩和抗压桩在小荷载情况下，U～δ曲线和Q－S曲线均表现为缓变型，即沉降随荷载的增加变化不大。不过在接近极限荷载时，抗压桩曲线变化明显；而抗拔桩仍变化缓慢，确定其极限承载力，应考虑抗拔桩的δ～lgt曲线和U～δ曲线，并结合桩顶上拔量进行分析。2.在荷载较小时，抗拔桩和抗压桩的轴力变化均集中在桩身的上部，同时，轴力沿深度的变化也十分相似。但随着荷载的增加，抗压桩端部轴力逐渐变大，在极限荷载条件下，抗压桩常表现为端承摩擦桩；而抗拔桩桩身下部轴力的变化明显大于抗压桩，端部轴力为零，表现为纯摩擦桩。44精选课件3.抗拔桩和抗压桩的侧阻的发挥均为异步的过程，即侧阻都是从上到下逐渐发挥的，还有，上部土层侧阻容易达到极限值，下部则较难发挥完全。不同在于，抗压桩上部侧阻普遍比下部土层小（出现软弱土层除外），而抗拔桩桩身中部侧阻大，两端侧阻小；同时，抗压桩端部侧阻随相对位移的增大，增加很快，而抗拔桩端部侧阻在达到一定值后，只出现很小的增幅。而且根据抗压抗拔试验资料统计，同一场地同规格的抗拔桩的极限侧阻为抗压桩极限侧阻的0.8~0.85倍。4.抗拔桩与抗压桩的配筋不同。抗拔桩桩身轴力主要是靠桩内配置的钢筋承担，裂缝宽度起控制作用，因而配筋量比较大，桩自身的变形占总的上拔量的份额较小。而抗压桩轴力主要靠桩的混凝土承担，桩身压缩量较大。5.抗拔桩桩身自重起到阻力作用，抗压桩桩身自重起到压力作用。

45精选课件46精选课件2.桩端阻对侧阻的影响传统观念认为，桩侧阻力与桩端阻力是各自独立互不影响的，然而，大量模型试验和原位试验资料表明，桩端阻力与桩侧阻力之间具有相互作用，也就是说，存在某种程度的耦合。抗拔桩桩端土层由于没有端阻的影响，其应力状态必然与抗压桩有很大的区别。在桩开始受荷时，抗拔桩与抗压桩沿桩身的侧摩阻力分布曲线相似，桩侧阻都是从桩上部开始发挥并逐渐往下传递的。随着荷载的不断增大，抗拔桩桩身上部和端部的侧阻几乎没有变化，而桩身中部侧阻变化较大；抗压桩除桩上部侧阻达到极限外，中下部侧阻均快速增长。这说明，桩端阻力的发挥会对桩侧阻力产生影响，桩侧阻随着端阻的增大而有所提高，即端阻对侧阻存在增强效应。对于端阻的增强效应，前人已作了大量的工作。试验资料表明，桩端土层强度越高，对桩侧阻力的增强效果就越明显。同时，Vesic试验表明，在其他条件相同的情况下，桩越长，桩侧阻力的强化效应越明显。这说明，桩端阻对侧阻的强化作用还受到桩长的影响。47精选课件综合上面的论述，可以对端阻影响侧阻的机理作以下的分析：1）抗压桩抗压桩端土体的变形和应力的变化，见图5-18。在荷载作用下，桩逐步向下移动，在桩端周围形成了两个性质不同的区域——塑变区和成拱区。由于成拱作用的原因，形成了桩端和桩端以上变形图形的不一致。成拱的形成加速了端部以上一段距离（0～5倍桩径）内桩土相对位移的发展，同时由于上覆土的约束，使得成拱影响区内的土体水平应力增加。但端部成拱作用是桩端阻发挥后出现的，因而在荷载较小时，抗压桩端部侧阻较小，而在桩受荷接近承载力时，桩端部侧阻较桩上部侧阻明显增大了，并且桩端的成拱效应受土体强度的影响。在相同桩端位移的条件下，土体强度越高，成拱影响区内的应力水平就越高，从而增强效应就越明显。同时，一般来说土体的强度随深度的增加而增加，因而桩侧阻的强化效应表现为随桩长的增加而增加。48精选课件49精选课件2）抗拔桩抗拔桩桩周土体的变形与应力变化如图5-19所示。图5-20为抗拔桩土颗粒模拟试验图。在荷载作用下，桩周土有向上滑动的趋势，桩端部由于桩身的上抬形成空穴。空穴的出现使端部的土体应力发生了松弛。同时，端部以上一段距离内的土体由于有向上移动的趋势，再加上空穴的应力松弛的影响，其水平应力大幅度下降，从而使侧阻比上部土层的侧阻还要小。当然，由于空穴的形成是在抗拔力较大的时候出现的（即端部出现滑移时），因而加载初期，其侧阻沿桩身的分布图与抗压桩的相似，而在桩接近破坏时，抗拔桩端阻与抗压桩相差很大。50精选课件51精选课件5.5抗拔桩的设计方法

5.5.1需要验算抗拔桩承载力的工程在一些特殊的工程条件下，需设置抗拔桩，或需要验算桩的抗拔承载力，一般有如下几个类型：1.高层建筑附带的裙楼及地下室的桩基础；2.高耸铁塔、电视塔、输电线路、海洋石油平台下的桩基础；3.码头桥台，挡土墙，斜桩；4.特殊桩基，抗震桩，抗液化桩，膨胀土、冻胀土桩；5.桩的静载荷试验中的锚桩等。桩基承受上拔力的情况有两类，设计的要求不完全一样。一类是恒定的上拔力，如地下水的浮托力。为了平衡浮托力，避免地下室上浮，需要设置抗拔桩，完全按抗拔桩的要求验算抗