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1、单桩竖向抗拔静载试验可行性分析邱发强(厦门市工程检测中心有限公司 福建厦门362000)摘 要: 单桩竖向抗拔静载试验的主要目的是检测桩的单桩竖向抗拔承载力。为保证试验实施的可行性，在进行现场试验前需要对地基土反力、钢筋拉力以及钢筋焊接强度、管桩混凝土填芯长度等各种因素综合考虑和验算。关键词: 填芯验算; 焊缝验算; 反力验算; 钢筋验算中图分类号: TU473 1 + 6文献标识码: B文章编号: 1004 6135( 2014) 12 0090 04Analysis on feasibility of static uplift loading test for the capacity
2、of a pileQIU Faqiang( Xiamen Inspection Center of Engineering，Xiamen 362000)Abstract: The objective of the static uplift bearing capacity test on the single pile is to get the uplift bearing capacity of the single pile To grant the feasibility to carry on the test on the site，many factors and parame
3、ters such as the counterforce of the foundation soil，the tensile strength of the pile rebar，the welding strength of the pile rebar，the length of the core filling in the concrete tubular pile should be considered and calculated before testKeywords: Core grouted calculation; Welding Seam calculation;
4、Counterforce calculation; Steel bar calculationE-mail: rainy95 sina com引 言国家经济的快速发展使我国一部分城市已经开始进入大 规模兴建高层建筑和利用地下空间的时期，而桩基础作为深基 础的主要结构形式，广泛应用于高层建筑、桥梁、港口以及近海 结构等工程中。但是这些高层建筑或者桥梁由于受地质条件 和上浮力的作用，导致这些建筑物的基础要承受较大的上拔荷 载的作用。由于抗拔桩与土之间具有较大的接触面，可以更大 程度发挥土的侧摩阻力，因此基桩良好的抗拔承载性能使其在 工程中得到广泛应用。抗压桩受到桩端和桩侧两方面的阻力，而抗拔桩的阻
5、力来 自于桩侧摩阻力。等截面的桩在受到下压与上拔荷载作用时 桩土间的荷载传递规律类似，但是荷载作用时桩体的应力及侧 摩阻力的方向却相反。当桩受到上拔荷载作用时，首先在桩顶 产生拉应力，且随着荷载的增加桩顶位移也不断增加，桩身的 应力也随着荷载的增加沿着桩深度方向向下扩展。当桩顶侧 摩阻力增加到一定的程度且与土的相对位移达到一定数值 ( 一般为 6mm 10mm) ，该截面处土对桩的侧摩阻力已达到极 限值，而在桩身的下部，桩周土对桩的侧摩阻力并未达到其极 限值，因此桩身侧摩阻力的峰值会随着上拔荷载的增加而不断 向下移动。但是在荷载增加的同时，桩身上部侧摩阻力不断减 少与下部侧摩阻力不断增加，当二
6、者的变化速率相同时，此时 桩身侧摩阻力达到极大值，此后随着荷载的增加，侧摩阻力将 不断减小。验的方法，其也是确定单桩极限承载能力最直观和最可靠的方法。因为通过抗拔静载试验可以获得荷载传递、桩侧阻力、位 移沉降关系等各项资料1。本文将结合实际工程详细介 绍单桩竖向抗拔静载试验过程中遇到的问题及处理情况。工程概况某工程灌注桩需做单桩竖向抗拔静载试验，设计要求抗拔 静载试验的最大抗拔力为 2900kN。1 2 试验装置及试验前准备本次试验测试采用的仪器为武汉岩海工程技术有限公司 生产的全自动静载荷测试仪 S JYB 型，由安装在反力梁上 的两个千斤顶进行逐级加荷，加荷反力由两侧地基土承担，桩 顶上拔
7、量采用位移传感器 测 读。 灌注桩抗拔静载试验如 ( 图 1) 所示:1 1灌注桩竖向抗拔静载试验为验证单桩竖向抗拔极限承载力，工程中常常采用静载试1图 1 灌注桩单桩竖向抗拔静载试验装置为确保灌注桩单桩竖向抗拔静载试验的可靠性，在试验 前，需注意并解决以下几个问题:( 1) 地基土提供的反力需满足设计要求抗拔静载试验的 最大抗拔力( 本工程为 2900kN) 。单个千斤顶的反力由 3 根长 6m，宽 300mm 的工字钢承作者简介: 邱发强( 1977 ) ，男，高级工程师。收稿日期: 2014 09 092014 年 12 期 总第 198 期邱发强单桩竖向抗拔静载试验可行性分析 91 担
8、，如( 图 1) 所示，反力的受力面积为 A = 3 0 3 6 = 5 4m2 ，根据该工程岩土工程勘察报告提供，所选的抗拔桩地基土经夯 实平整后的地基承载力特征值为 290kPa，根据“建筑基桩检测 技术规范JGJ106 2003”5 2 2 规定2，每一边地基土所能提 供的最大反力:( 2 1)f = 1 5 P A = 1 5 290 5 4 = 2349kN即该工程抗拔静载试验地基土所能提供的最大反力为4698kN，满足设计要求。( 2) 抗拔试验钢筋抗拉强度验算。依据该工程基础设计图提供，抗拔桩钢筋采用 级 钢( HB400 级) ，屈服强度 s = 400MPa，钢筋的直径 D
9、= 0 02m，抗拔桩钢筋数量 n = 27 根，钢筋截面面积 A = D2 /4 3 14 10 4 m2 ，根据“建筑基桩检测技术规范JGJ106 2003 ”5 3 3 规定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 倍时需终止加载，根据公式:b焊缝宽度; s 焊缝厚度; d 钢筋直径图 3 焊缝尺寸示意图1 3 检测结果根据试验的检测结果，并且将测得的数据进行整理分析， 即可得到抗拔桩的荷载位移曲线。检测结果汇总表见( 表 2) ， 每根桩的 U 曲线图详见( 图 4) 。表 2 检测结果汇总表( 2 2)F = 0 9 s A n设计单桩承 载力特征值 (
10、kN)最大试 验荷载 ( kN)单桩抗拔 极限承载力 ( kN)总上拔量( mm)桩号桩径桩长计算 所 得，抗 拔 桩 钢 筋 所能承受的最大抗拔力为 F = 3052 08kN，计算所得抗拔桩钢筋所能承受的最大抗拔力F 2900kN，符合设计要求。( 3) 抗拔钢筋搭接焊要点。从( 图 1 ) ( b) 可以看出，该试 验装置在进行单桩竖向抗拔静载试验前需要对钢筋进行焊接， 焊接的钢筋型号应与抗拔钢筋相同，且采用搭接焊的方法进行 焊接。12313001300130044 2618 1414 211450145014502900290029000 82 965 17290029002900图
11、41#、2#、3#桩 U 曲线图2 管桩竖向抗拔静载试验管桩抗拔试验无法像灌注桩抗拔一样，可以利用钢筋笼上 的主筋提供拉力。同时，管桩表面光滑，很难用夹具扣牢，因 此，试验时通常采用在空心管桩内埋设钢筋并浇灌混凝土来进 行抗拔静载试验。2 1 工程概况某工程 PHC 管桩需做单桩竖向抗拔静载试验，设计单桩 竖向抗拔承载力特征值为 200kN。( a) 双面焊: ( b) 单面焊d钢筋直筋; l搭接长度图 2 钢筋搭接焊接头图依据钢筋焊接及验收规程( JGJ18 2003) 规定4，搭接 焊时，宜采用双面焊( 图 2 a) 。当不能进行双面焊时，方可采 用单面焊( 图 2 b) 。搭接长度可与表
12、 1 所示的帮条长度相 同。搭接焊接头的焊缝厚度 s 不应小于主筋直径的 0 3 倍; 焊 缝宽度 b 不应小于主筋直径的 0 8 倍( 图 3) 5。试验装置及试验前准备本项目采用的试验设备及方法与上述灌注桩的试验设备 及方法相同。PHC 管桩抗拔静载试验示意图如( 图 5) 所示:因 PHC 管桩抗拔静载试验是用微膨胀混凝土填芯内插钢 筋的做法传递上拔力，所以 PHC 管桩的单桩竖向抗拔静载试 验除上述灌注桩抗拔试验所提到的关于地基土反力、钢筋拉力 以及钢筋焊接需满足要求外，还应注意如下几个问题:( 1) 混凝土填芯长度验算: PHC 管桩抗拔静载试验需要 考虑到填芯混凝土与管桩内壁的黏结
13、力，但是如何计算它们之 间的黏结力现行规范至今没有一个计算公式。2 2表 1钢筋焊接长度钢筋牌号焊缝形式帮条长度单面焊双面焊8d4dHPB235HB335HB400B400单面焊10d双面焊5d注: d 为主筋直径( mm)2014 年 12 期 总第 198 期邱发强单桩竖向抗拔静载试验可行性分析 92 计算所得 N1 2272kN。从焊缝验算中可以看出，如果焊缝质量可以保证，则端板 焊缝强度完全可以满足试验要求。( 3) 抗拔钢筋数量的确定: PHC 管桩抗拔静载试验需要借 助填芯混凝土内的钢筋来提供拉力，因此，在做管桩抗拔静载 试验之前，还需考虑填芯混凝土的钢筋数量。依据该工程基础设计图
14、提供，抗拔桩钢筋采用 级 钢( HB400 级 ) ，屈 服 强 度 s = 400MPa，钢 筋 的 直 径 D= 0 012m，即钢筋截面面积 A = D2 /4 1 13 10 4 m2 ，根据 公式( 2 2) 可以推算出:F( 3 4)n =0 9 s A通过计算，可以得到抗拔静载试验填芯混凝土所需的钢筋数量 n4 91，即该工程单桩竖向抗拔静载试验填芯混凝土中 用于抗拉的钢筋数量至少需要 5 根。2 3 检测结果根据试验的检测结果，并将测得的数据进行整理分析，即 可得到抗拔桩的荷载位移曲线。检测结果汇总表见表 3，每根 桩的 U 曲线图详见( 图 6) 。表 3 检测结果汇总表图
15、5 PHC 管桩单桩竖向抗拔静载试验装置建筑预应力混凝土管桩基础技术规程6则按( 3 1) 式验算填芯混凝土的长度Nl fupi lf( 3 1)式中 Nl 相应于荷载效应基本组合时单桩竖向上拔力设计值( 本工程 Nl = 270kN) ;f填芯混凝土与管桩内壁的粘结强度设计值，由试验确 定，当缺乏试验资料时可取 0 30MPa;upi 管桩内径周长lf 填芯混凝土长度;本工程采用的管桩型号为 PHC AB400 ( 95 ) ，填芯采用 C35 微膨胀混凝土，计算所得 lf 约为 1 35m，因此本工程填芯 混凝土长度取 1 5m。王恒栋7等建议采用如下填芯黏结力计算公式，设计单桩承 桩长
16、载力特征值( kN)最大试 验荷载 ( kN)单桩抗拔 极限承载力 ( kN)总上拔量( mm)桩号桩径1240040018 0018 002002004004001 251 31400400( 3 2)N = kDLft式中 N填芯黏结力设计值( kN) ; D填芯直径( 管桩内径) ; L填芯高度;ft 填芯混凝土抗拉强度设计值( MPa) ;k平均粘结剪应力系数。对于比较光滑的黏结面，k =0 45 0 56;混凝土抗拉强度设计值参照公路钢筋混凝土及预应力图 6 1#、2#桩 U 曲线图混凝土桥涵设计规范( JTG D62 2004 ) 8，取 f = 1 57MPa，t为使计算结果偏于
17、安全，取 k = 0 45，则填芯黏结力设计值约 为 698kN，满足设计要求所需的 最大单桩竖向抗拔承载力 400kN。( 2) 焊缝强度验算: 本工程 PHC 管桩的单节长度为 9m，设 计要求本工程管桩的有效桩长为 18m，即需采用 2 根 9m 长的 管桩进行焊接，需验算焊缝强度是否能满足最大单桩竖向抗拔 承载力要求。由于焊缝是采用未焊透的对接焊缝，且考虑现场焊缝质量 有可能达不到二级要求和端板受力偏心的影响，焊缝抗拉强度 的设计值取为 170MPa。具体的焊缝强度验算公式如下9:结论( 1) 当试验采用地基土做反力时，单桩竖向抗拔静载试验 前需根据每个单位工程的实际情况，验算地基土所
18、能提供的反 力是否满足试验要求;( 2) 灌注桩的单桩竖向抗拔静载试验前，需对钢筋笼上主 筋的抗拉强度进行验算。PHC 管桩的单桩竖向抗拔静载试 验，应根据试验要求，计算填芯混凝土需要内插的钢筋直径以 及根数。( 3) 由于单桩竖向抗拔静载试验前需要对钢筋进行焊接， 焊接的钢筋均需采用搭接焊的方法进行焊接。搭接焊时，宜采 用双面焊。只有不能进行双面焊时，才可采用单面焊，焊接的 长度需满足相关规范的要求。( 4) PHC 管桩在进行单桩竖向抗拔静载试验前，需计算填 芯混凝土与管桩内壁的黏结力来确定混凝土的填芯长度。( 下转第 89 页)3N1 1 /4( D1 D2 ) ft2 2 w( 3 3
19、)式中D1 焊缝外径，取 D1 = ( D 2) mm;D2 焊缝外径，取 D2 = ( D 24) mm;fwt 焊缝抗拉强度设计值。2014 年 12 期 总第 198 期蔡军伟等某高层建筑工程基础选型分析与比较 89 基型式进行修改，为与方案三的基础型式进行比较，本方案采用独立基础加防水板方案。独立基础尺寸从 1600mm 1600mm 到 3600mm 3600mm之间变化，基础高度大部分是 600mm 高，局部基础高度为 650mm。独立基础平面布置图如( 图 4) 所示:经统计，采用独立基础加防水板方案，其钢筋用钢量大约为35t / m2 ，混凝土量每平米约为 0. 35 m3 ，
20、即与方案三相比，钢筋用量 与混凝土用量相差不大，但是方案三施工比较方便，工期快。4沉降差在 JCCAD 中对四种方案进行沉降试算，计算结果显示每种方案的沉降几乎相差不大: 单层店面和纯地下室沉降量约为 3mm，小高层住宅沉降量最高为 10mm，两者之间的沉降差约为 7mm，故 可不设置沉降后浇带。方案一沉降等高线如( 图 5) 所示:5 结语随着高层建筑兴起，筏式基础在工程中也得到越来越多的 重视和应用，但是如果直接采用大筏板基础，而未对筏板进行 优化，必然会造成工程上的浪费。故本文针对具体工程提出对 筏板基础进行优化，采用梁板式筏板或无梁筏板加柱墩的型 式，提高筏式基础设计的合理，为减少筏基
21、材料用量创造条件， 得出以下几点结论，可供类似工程参考。( 1) 高层住宅下筏板厚度由筏板抗冲切要求控制，故高层 住宅采用梁板式筏板的型式，可减少筏板厚度，进而减少混凝 土用量和钢筋用量。( 2) 单层店面和纯地下室的筏板厚度由筏板抗冲切要求 控制，故在其下采用无梁筏板加柱墩的型式，可减少筏板厚度， 进而减少混凝土用量和钢筋用量。( 3) 计算结果表明，小高层住宅部分与单层店面和纯地下 室部分的沉降差最大可达 7mm，故不需设置沉降后浇带。( 4) 无梁筏板加柱墩与独立基础在材料用量上相差不大， 但是从沉降后浇带( 不需设计置) 以及施工的难易程度上来 讲，无梁筏板加柱墩更能符合工期的要求。(
22、 5) 基础型式最终采用方案三，虽然施工难度上要比方案 一稍难，但其混凝土用量和钢筋用量要比方案一少很多。参 考 文 献1GB50007 2011，建筑地基基础设计规范S.2PKPM 基础设计软件功能详解M. 北京: 中国建筑工业出版社，2010.3朱炳寅等 . 建筑地基基础设计方法及实例分析M. . 北京: 中国 建筑工业出版社，. 2007.图 4 独基布置示意图图 5 筏板沉降图防水板单独采用水浮力模型计算，板厚按构造要求取 300mm，计算出来防水板板配筋为 600 mm2 ，且独立基础之间 还需用底板梁进行拉结。( 上接第 92 页)( 5) 当 PHC 管桩有接桩时，需要根据相关公
23、式计算接桩 处焊缝的强度，以验算其是否能满足最大单桩竖向抗拔承载 力要求。( 6) 综合考虑，以上因素是单桩竖向抗拔静载试验现场实 施可行性的保证。参 考 文 献1孙伟明 钻孔灌注桩抗拔承载力研究硕士论文 D 南昌: 南昌大 学 20112JGJ106 2003，中国建筑工业出版社S3JGJ106 2003，中华人民共和国建设部 建筑基桩检测技术规范S4JGJ18 2003，中华人民共和国建设部 钢筋焊接及验收规程S5苏振明，辛艺阳 PHC 桩竖向抗拔静载试验J 建筑科学，2006，22( 5) 6DBJ13 59 2004，福建省建设厅 建筑预应力混凝土管桩基础技 术规程S7王恒栋 丁自强 赵广田 预应力混凝土管桩与桩帽连接节点轴拔 性能试验研究J 建筑结构，1997，98中交公路规划设计院公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计 规范S 北京: 人民交通出版社。9陈建荣 高飞 郑小勇 建设工程基桩检测技术问答M 上海: 上 海科学技术出版社，2011