引水工程冲孔灌注桩竖向抗拔静载试验探讨

陈平勇

（福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州362000）

承载力高、抗震性能良好的冲孔灌注桩在水利水电、建筑、交通等工程中应用广泛，为节省进度和工程投资，冲孔灌注桩设计时一般兼具抗压和抗拔性能，该类基桩抗拔承载力也越来越得到设计及施工人员的关注。实践证明，单桩竖向抗压静载试验是一种较为直观、可靠的冲孔灌注桩极限承载力确定技术。而冲孔灌注桩地基承载力小、设计极限承载力大、桩周土地质条件复杂，故在试桩过程中普遍面临桩头强度不足、地基不均匀沉降、基准桩上浮以及千斤顶顶死、压重平台倒塌等情况。为此，必须采取有效措施预防和杜绝以上问题，保证冲孔灌注桩试桩过程顺利进行，从而为水利水电、建筑工程基桩施工质量控制提供借鉴参考。

温岭南排项目张老桥引水隧洞工程由上下游河道、隧洞及拦水堰等组成，线路全长1.78km，其中隧洞上游河道长约1.02km，河道面宽23~35m；
隧洞长约0.62km，设计输水流量183m³/s，为无压隧洞，衬后洞宽8.0m，开挖断面截面积约102m2，进口底高程为0.0m，出口底高程为-2.5m，隧洞底纵坡i=4.03‰；
下游引河长约0.14km，河底高程-2.5m，与江厦隧洞上游河道相连；
拦水堰布置于上游河道，将拦截桐山溪洪水，将其导引至隧洞，堰宽20m，堰顶高程3.9m。工程地震设防烈度为Ⅶ度。结合工程现场岩土工程勘察资料，可以得出岩土物理力学参数，具体见表1。

表1 工程现场岩土物理力学参数

该引水工程的重点部位有：洞口围护作用的桩基工程、斜槽开挖与边坡防护工程、土洞支护与开挖、石洞开挖。在桩基工程中，冲孔灌注桩桩共10 根，根据桩顶高程将冲孔灌注桩分成A、B 两种，桩径均为1000mm，通过冲击钻机成孔，制作完成的钢筋笼由汽车吊吊运就位，经导管法浇筑水下混凝土成桩。

冲孔灌注桩外表较为光滑，通过夹具很难扣牢，为保证夹具扣牢且受力均匀，在桩芯中埋设钢筋浇筑混凝土展开竖向抗拔试验，具体布置详见图1。本次主要对其中2 根A 桩展开竖向抗拔静载试验，试验桩施工情况见表2。冲孔灌注桩竖向抗拔静载试验时间为2021 年12 月31 日-2022 年1 月2 日，试验过程严格执行《建筑基桩检测技术规范》相关规定。试验装置主要为原竖向静载试验主次梁，并通过反力桩向支座提供反力，试验装置具体见图2，若抗拔力较小而无法达到检测规程要求时，则应改用图3 试验装置，即借助千斤顶展开抗拔静载试验，图中D 为试桩设计桩径[1]。试验用电动油泵、压力表及高压油管等最大加载力应控制在设计工作压力的80%，所有百分表均通过磁性表座固定在基准梁上。

图1 冲孔灌注桩竖向抗拔静载试验布置

图2 竖向抗拔静载试验装置

图3 抗拔力较小时竖向抗拔静载试验装置

表2 试验桩施工情况

试验开始后，通过面积为2×9.6 ㎡的支墩提供抗拔反力，通过按照慢速维持荷载法加载，每级加载量应为设计最大试验荷载的10%，在每级试验荷载下，灌注桩按照一定的速度上拔。为展开上拔量观测，应事先在灌注桩桩顶增设4 个位移传感器，按照试验规程所规定的测量频率测度上拔量[2]。当出现以下任一情况时应终止加载，并卸荷观测：①灌注桩桩顶实际沉降超出前一级荷载下实际沉降量的5 倍；
②桩顶实际沉降超出前一级荷载下实际沉降量的2 倍且经过24h 后仍达不到稳定状态；
③试验加载达到桩顶承载力最大设计值的1.5 倍[3]。卸荷过程中每一级卸载均按照设计加载量的3 倍确定，每级卸荷结束后均应观测桩顶回弹量，待回弹稳定后再开始下一级卸荷。

将所得到的单桩竖向抗拔静载试验数据汇总至表3，根据表中试验结果绘制试验桩荷载U-上拔量δ 关系曲线，具体见图4。根据试验结果，当6#桩和8#桩均在800kN 和700kN 上拔荷载力的作用下，荷载U-上拔量δ 关系曲线变动趋势较为平缓，沉降和荷载之间基本呈线性关系；
而当6#桩和8#桩上拔荷载力增大至900kN 时沉降量增速开始快于荷载增大速度，此时两个试桩沉降量分别为10.87mm 和13.96mm；
当上拔荷载力增大至1000kN 时，桩顶上拔量陡增，荷载U-上拔量δ 关系曲线也变得十分陡峭，试桩桩身断裂，钢筋随即拔断。所以，6#桩和8#桩极限承载力均为900kN。

图4 试验桩荷载U-上拔量δ 关系曲线

表3 6#桩单桩竖向抗拔静载试验数据（检测日期：2021-12-31）

表4 8#桩单桩竖向抗拔静载试验数据（检测日期：2022-01-02）

目前，有关冲孔灌注桩竖向上拔荷载的传递机理并不明确，故设计计算过程也缺乏相关指导和参照，工程应用及试验方面，抗拔桩也主要以抗拔静载试验为主。冲孔灌注桩桩体受到上拔荷载作用后，桩身会以摩阻力形式将荷载传递至周围土体。起初，由浅部土体提供上拔阻力，桩身拉应力主要位于桩体上部；
此后随着桩身上拔位移的增大，桩身应力也随之向下扩展，中下部桩身上拔土体阻力开始发挥。

根据以上试验结果，可以将冲孔灌注桩单桩荷载U-上拔量δ 关系曲线分成3 个阶段：①直线段，即图4中6#桩和8#桩荷载值从0kN增大至800kN段；
②曲线段，即图4 中6#桩和8#桩荷载值从800kN增大至900kN 段；
③直线段，图4 中6#桩和8#桩荷载值从900kN 增大至1000kN 段，这一阶段上拔荷载值增加非常小，桩体位移量急剧增大，桩周地面也随之出现环向裂缝，桩身开裂，钢筋随即拔断。第3 阶段起点所对应的900kN 的上拔荷载即为该引水工程冲孔灌注桩竖向抗拔承载力极限值。以上试验结果显示，该引水工程冲孔灌注桩抗压强度及抗拔承载力较好，两个试桩均在桩芯灌注混凝土底部以下150mm 处发生破坏，该位置同时也是冲孔灌注桩从实心混凝土桩体向空心薄壁过渡的变截面处。

4.1 基桩抗拔承载力

一般情况下，桩身强度、桩径、桩长、桩周土力学性能是影响冲孔灌注桩竖向抗拔承载力的主要因素[4]。按照《建筑桩基技术规范JGJ94-2014》，基桩抗拔承载力应满足以下条件：

式中：0γ为基层土层重度；
N为基桩竖向力；
sγ为基桩所处层顶面以上土层重度；
Gp为基桩结构自重，地下水位以下则取浮重；
Uk为基桩抗拔承载力极限值，因该引水工程冲孔灌注桩为一级桩基，故通过现场静载试验获取。

根据表1 所给出的该引水工程各土层极限侧阻力取值情况，结合式（1）便可得到冲孔灌注桩极限抗拔承载力Uk=765kN。

4.2 桩身、桩端头板及焊缝抗拔力

该引水工程冲孔灌注桩桩身抗拉强度由桩身C80 抗拉强度、预应力增加强度及钢筋抗拉强度等部分组成。桩身抗拉强度Na=σLA=3045×0.093=283.19kN，预应力增加抗拉强度N b=RA=4200××0.093=390.6kN，钢筋抗拉强度Nc=σ(1 − 0.7)×f=221kN。则冲孔灌注桩桩身所承受的抗拔力最大值为894.79kN。以上公式中，A为预应力钢筋截面面积，Lσ为不考虑预应力损失后桩身混凝土预应力，R为基桩竖向承载力特征值，σ为钢筋标准强度，f为钢筋抗拉强度。

基桩抗拔承载力的确定还必须结合该引水工程冲孔灌注桩端头板及焊缝强度。将钢制端头板分别设置在每根冲孔灌注桩桩端，并在端头板上开设1 排圆孔，便于预应力钢筋穿接。桩端头板结构具体见图5，图中r1−r2=37.5mm，桩端头板厚为18mm。按照M=N2/πDS求取桩端头板所承受的弯矩，并按M/ (l×h2/6)≤f进行桩端头板强度验算，其中，N2为桩端头板所承受的抗拔力最大值，D为管桩外径，S为管桩横截面面积，h冲孔灌注桩嵌入岩土体的深度，l为桩身长度，其余参数含义同前。

图5 桩端头板结构

冲孔灌注桩端头板所能承受的抗拔力最大值必须满足下式要求，即N2≤πDh2f6S，将相关参数取值代入后可得出该引水工程冲孔灌注桩端头板所能承受的抗拔力最大值为690kN。

4.3 冲孔灌注桩抗拔承载力分析

结合以上分析结果，冲孔灌注桩端头板承载力最低，但是在试验过程中因端头板设置在较深土层，其所承受的摩阻力比桩顶部位小，故并未表现出破坏迹象；
若在桩端头板上焊接抗拔钢筋，则端头板必将发生破坏。桩周土力学性能分析结果显示，抗拔力低于桩身抗拉强度，但试验过程中冲孔灌注桩并未先拔出，意味着抗拔桩受力机理和抗拔摩阻力折减系数取值脱离实际，沉桩期间土层遭受扰动和挤密后抗拔阻力明显增大。

冲孔灌注桩内灌注长度为8m 的C40 混凝土材料后的摩阻力是结合单项工程设计要求所得出的结果，新旧混凝土粘结强度必须根据试验确定。因冲孔灌注桩C40 混凝土材料中掺加了微膨胀剂，能增强新旧混凝土粘结强度，故试验过程中填芯混凝土并未发生拔出破坏，钢筋抗拉强度能得到充分发挥，并能将桩身抗拔力顺利向桩周土传递。而对于冲孔灌注桩内填芯混凝土具体灌注长度以及基桩、管桩、桩身、桩端头板、接桩焊缝等部分之间的荷载传递机理，仍有待进一步研究。

综上所述，结合该引水工程两根冲孔灌注桩竖向抗拔静载试验结果，在冲孔灌注抗拔力小于桩身受拉承载力的情况下，既能用作承压桩，又能作为抗拔桩，可有效缩短工期。桩芯设置内插钢筋，一头埋置于承台混凝土结构中，另一头埋设在桩芯灌注混凝土中，能确保冲孔灌注桩荷载顺利传递，而桩芯钢筋长度必须结合抗拔力展开计算。按照相关规范及现行岩土工程勘察报告，任何形式的管桩均不得出现裂缝，对于埋置于地下的桩基裂缝情况较难观察到，可以采用后注浆技术增大桩周摩阻力，提升冲孔灌注桩竖向抗拔力。