大吨位单桩竖向抗拔静载试验常见问题及措施分析

大吨位单桩竖向抗拔静载试验常见问题及措施分析摘要：本文结合大吨位单桩竖向抗拔静载试验检测过程，对抗拔静载试验相关原理进行分析，对大吨位单桩竖向抗拔静载试验现场检测试验中存在的一些问题进行分析，相应提出具体解决办法，为抗拔静载试验开展提供参考。关键词：抗拔静载试验；反力装置；问题；措施1引言随着我国经济的不断发展，土地资源日益紧缺，城市建设为了节约土地充分利用地下空间来满足各项使用功能的需要，许多房屋、建筑物的基础以承受竖向抗压荷载为主，转变为建筑物的桩基础既要承受竖向抗压荷载，又要承受竖向抗拔荷载。抗拔桩广泛应用于大型地下室抗浮、高层建筑物抗拔和静荷载试桩中的锚桩基础等。当桩基础上拔荷载较大，或主要承受上拔荷载时，按照规范要求，要对桩基进行单桩竖向抗拔静载试验。《建筑基桩检测技术规范》规定了单桩竖向抗拔静载试验的方法，但对于大吨位单桩竖向抗拔载载试验方法的实施仍然是抗拔静载试验中的一项技术难点。本文根据检测现场的实际情况和检测过程中的出现问题的成功处理经验，针对加载反力装置，软土支墩等进行合理的设计和处理，使抗拔静载试验装置满足规范的规定并对大吨位单桩竖向抗拔静载试验出现问题提出解决方法和措施。2抗桩桩的作用机理2.1抗拔桩的破坏模式抗拔桩在竖向上拔荷载的作用下，桩身先将荷载以摩阻力的形式传递到桩周围土中，其规律与承受竖向抗压荷载时相同，受力作用方向相反。初始阶段，抗拔荷载主要由浅部土层提供，桩身的拉应力主要分布在桩的上部，随着桩身上拔位移量的增加，桩身应力逐渐向下扩展，桩的中、下部的上拔土阻力逐渐发挥，当整个桩身的土层抗拔阻力达到极限，其后抗拔阻力随之下降。如果继续增加上拔荷载，就会生产破坏。2.2抗拔桩的影响因素（1）桩周围土体的影响：桩周土的性质，土的抗剪强度、侧压力系数和土的应力历史等都会对单桩竖向抗拔承载力产生一定的影响。（2）桩身因素的影响：桩身表面的粗糙程度越大，则桩的抗拔承载力就越大，桩截面形状、桩径、桩长、桩的材料强度、刚度和桩材的泊松比等会对单桩竖向抗拔承载力产生不同程度的影响。（3）施工因素的影响：在施工过程中，桩周土的扰动，打入桩中的残余应力，桩身完整程度，桩的垂直度，从成桩至开始试验之间的休止时间长短等也会影响单桩竖向抗拔承载力的大小。3单桩竖向抗拔静载试验的基本原理单桩竖向抗拔静载试验：是指采用接近于竖向抗拔桩的实际工作条件，在基桩上逐级或者循环施加竖向上拔力，观测基桩顶部随时间产生的上拔量以确定相应的基桩竖向抗拔承载力的试验方法。4单桩竖向抗拔静载试验装置加载反力装置单桩竖向抗拔静载试验时需要对基桩进行加载，就反力装置的具体加载来看有3种类型：(1)支墩反力装置；(2)锚桩栋梁反力装置；(3)自平衡（法）反力装置。这3种类加载反力装置中，在本地区应用比较多的是支墩反力装置，如下图1所示：图15大吨位单桩竖向抗拔静载试验实例5.1工程概况佛山市顺德区某商业广场拟建一裙楼，总建筑面积186599.54㎡，建筑物高度约98m，地上32层，地下三层为人防工程和地下停车场，主体结构为钢筋混凝土框架结构。建设单位委托检测一根旋挖灌注抗拔试验桩进行单桩竖向抗拔静载试验，检测桩的竖向抗拔极限承载力为设计提供参考依据。根据工程勘察结果，在勘探控制范围以内地基土按土层从上至下顺序分述如下：(1)素填土：平均厚度6.50m，灰-灰黑色，湿，松散，主要以粘性土夹建筑垃圾回填而成，含少量碎石，不均匀。(2)淤泥质土：平均厚度41.30m，灰黑色，饱和，流塑，局部软塑，含有机腐殖质及粉砂。(3)破碎中风化泥质砂岩：平均厚度1.60m，暗红色，为软岩，岩石破碎，基本质量等级为Ⅴ级，岩芯多呈块状或碎块状，少量呈短柱状。(4)中风化泥质砂岩：平均厚度8.10m，暗红色，为软岩-较软岩，岩石较完整，基本质量等级为Ⅳ级，岩芯多呈短柱状，部分呈长柱状。5.2加载反力装置的方案为检测桩的竖向抗拔极限承载力为设计提供参考依据，本次抗拔试验桩桩径为Φ1400mm，入土桩长53.8m,设计承载力特征值为5000kN,要求最大试验荷载为10000kN，桩身通长配筋，钢筋笼由36条直径为Φ32mm的受力钢筋组成，受力钢筋采用HRB400级钢筋。因为现场地无工程桩可用作反力桩提供支墩反力，故采用处理地基提供支墩反力。5.3加载反力支墩地基处理和验算本次试验的最大要求试验荷载达到10000kN,是本地区单桩竖向抗拔静载试验的最大试验荷载。由于该工程尚未进入正式施工开挖阶段，由于提供支墩反力的地基土是平均厚度达6.50m的人工回填素填土，其反力支墩地基承载力不能直接满足加载反力的要求，需要对地基土进行换填处理并制作混凝土承压板。参照以往抗拔桩试验准备工作要求，采用石块、碎石、片石等进行换填,分层(每0.5m)夯实，并在换填的地基表面试验桩对称两侧采用C30混凝土，配钢筋网格Φ20@300×300三层，捣制两块10m×5m厚度为1.0m且高度相约的承压板以扩大支墩地基的承载面积，增加反力装置的稳定性。经计算换填面积为12m×7m，换填深度为2.0m，换填后地基土承载力特征值要不低于150kPa。承压板面积为100㎡，支承荷载为15000kN，安全系数＝1.5，满足规定要求。5.4检测过程检测人员在开始试验前检查试验准备工作是否满足要求时，发现施工单位出于经济成本、工程进度考虑，没有按要求制作承压板，只制作成5m×5m×0.5m的承压板。经验算承压板支承荷载为7500kN，不满足规定要求。考虑到本次试验桩最大试验荷达到10000kN，是本地区第一次10000kN单桩竖向抗拔静载试验，只为设计提供参考依据，没有可参考的地区经验。为了探索大吨位静载抗拔试验技术、积累经验、提高检测水平，经相关各方商议，在确保检测质量、人员、设备安全的前提下进行试验，检测情况如下：序号荷载(kN)历时(min)上拔(mm)本级累计本级累计00000.000.00120001201202.322.32230006607803.445.76340001809602.548.304500024012003.6011.905600033015303.6715.576700069022208.4524.02780001522351.1125.13最大上拔量：25.13mm最大回弹量：回弹率：表1367#桩单桩竖向抗拔静载试验数据总汇表表2367#桩单桩竖向抗拔静载试验原始记录实测荷载(kN)实测油压(MPa)记录时间(hh:mm)实际间隔(min)实测读数(mm)平均上拔(mm)表1表2表3表47000592615.7020:17015.8514.1416.1716.1215.57677117.8020:22517.2515.4718.0017.8917.15695118.2520:321017.5015.7118.3218.1817.43695118.2520:471517.9516.1318.7118.6317.86691918.1721:021518.2916.4618.8518.7918.10695518.2621:171518.6216.8219.1419.0118.40694318.2321:473019.0417.2819.2919.2518.72673017.7023:027519.2917.5219.6519.5018.99690318.1323:323021.0918.9620.5620.2020.20690318.1300:023021.9619.7620.7420.2620.68690718.1400:323022.6520.4420.9220.3921.10692318.1801:023023.1620.9221.1120.5621.44691918.1701:323023.6921.4221.2520.6821.76692318.1802:023024.0621.7921.4320.8422.03690718.1402:323024.3722.0721.6020.9822.26690718.1503:023024.6722.3921.7621.1822.50692318.1803:323024.8722.6121.8821.2822.66693518.2104:023025.2422.9721.9721.3822.89692718.1904:323025.4723.2222.0921.4723.06690718.1405:023025.6823.4322.1621.5423.20690318.1305:323025.9623.6922.2621.6323.39690718.1406:023026.2323.9622.3921.7623.59693118.2006:323026.4724.2022.5021.8723.76690318.1307:023026.6624.3922.5921.9523.90692718.1907:323026.6924.3922.6822.0423.95693118.2008:023026.6924.3622.7922.1424.00690718.1408:323026.6924.3622.8422.1824.028000690718.1408:32026.6924.3622.8422.1924.02780920.3808:37527.2124.7124.0923.2624.82771220.1408:572026.8224.1925.0724.4325.13图2图3当试验加载第八级(8000kN)时，第5分钟记录数据后，实测荷载不足理论荷载，加压系统不断补载，但桩顶上拔量无明显增加。检查加载系统无漏油，工作正常，现场观察一侧承压板出现明显下沉，桩周土出现隆起变形影响基准系统稳定致位移表1、表2位移反而变小。加载系统继续补载，实测荷载仍然不足理论荷，千斤顶行程接近用尽，实测荷载维持在7700kN左右，试验加载终止。5.5解决方案和措施通过分析数据及检测现场观察可知，由于施工单位没有按要求制作承压板，承压板提供反力不足导致本次试验失败，需要从重新处理场地准备。从数据分析可得目前处理土可提供承载力7700÷5÷5÷2=154kN/㎡，若执意提高处理地土承力特征值必然增加经济成本，影响工程进度。可采取扩大承压板面积以增加反力，将承压板面积扩大到10m×5m，经计算可提供支承荷载154×50×2=15400kN，安全系数＝1.54，满足规定要求。建议施工单位将换填地基土面积扩大到14m×5m，在原有2块承压板上各放置2块13m×2m×0.50拼装钢结构承压板（拼装后总面积为104㎡，见图4），然后重新进行试验。图45.4检测结果按照本工程实例，对大吨位单桩竖向抗拔静载试验检测过程中出现问题，对支墩地基土进行换填处理，采用平装钢结构承压板扩大承压面积，加载反力能满足试验要求。第二次试验顺利完成，367#桩单桩竖向抗拔载载试验检测结果表见3-4和图5。367#桩试验加载到10000kN时，总上拔量为48.48mm，U-δ曲线平缓，无明显陡升段，δ-lgt曲线呈平行规则排列，单桩竖向抗拔极限承载力≥10000kN，满足设计要求。序号荷载(kN)历时(min)上拔(mm)本级累计本级累计00000.000.00120001201203.323.32230002103303.106.42340001504803.229.644500060010805.7815.425600012012003.8719.296700012013205.6024.897800015014708.0132.908900012015908.4141.3191000018017707.1748.48108000601830-0.1848.30116000601890-3.8644.44124000601950-8.2536.19132000602010-13.5322.661401802190-6.3316.33最大上拔量：48.48mm最大回弹量：32.15mm回弹率：66.3%表3367#桩单桩竖向抗拔静载试验数据总汇表图5表4灌注桩抗拔静载试验检测结果检测桩号(#)单桩竖向抗拔极限承载力（设计）(kN)最大试验荷载(kN)最大上拔量(mm)残余上拔量(mm)单桩竖向抗拔极限承载力（检测）(kN)单桩竖向抗拔承载力特征值（检测）(kN)单桩竖向抗拔承载力特征值（检测）对应上拔量(mm)367100001000048.4816.33≥10000500015.426结束语大吨位单桩竖向抗拔静载试验中极高反力的实现是基桩抗拔静载试验中的技术难题，除根据现场实际条件制定合理检测方案和地基处理外，更需要施工单位引起重视和全力配合。引入拼装式钢结构承