抗拔载体桩承载机理及试验研究

周晓刚， 杨启安

(1 中国铁路设计集团有限公司， 天津 300308；2 北京市建设工程质量第六检测所有限公司， 北京 100076)

0 概述

载体桩技术发明于1998年，由混凝土桩身和载体构成，而载体从内到外依次为硬化后的水泥砂拌合物、挤密土体和影响土体[1]。载体桩抗压受力类似于扩展基础，上部荷载通过桩身传递到载体，并通过水泥砂拌合物、挤密土体、影响土体传递到持力层，显著提高了单桩抗压承载力，具有显著的经济优势，目前已经广泛应用于民用、市政、铁路等领域，单桩承载力特征值已经从最初的小于1 000kN发展到超过5 000kN，桩长从原来的10m左右发展到超过20m。

目前，关于载体桩抗压承载力已经进行了较多的研究，王继忠提出了等效扩展基础的承载理论[2]；仇凯斌进行了承载力性状的研究和数值分析，提出了载体桩抗压承载力的估算公式[3]。载体桩由于桩长较短，很多人认为其抗拔承载力有限，故对于载体桩抗拔承载机理和工程应用的研究较少。虽然载体桩桩长较短，但由于桩端存在载体，载体施工过程中通过填料夯实，改变了桩端地基土的特性，同时由于桩端填料采用胶凝材料，硬化后具有一定的强度，也相当于在一定程度上增大了桩端的受力面积，抗拔受力时类似一锚固的混凝土板，在一定程度上提高了载体桩的抗拔承载力。本文将结合载体桩抗拔静载荷试验进行载体桩抗拔承载机理的研究，提出单桩抗拔承载力的计算公式。

1 抗拔载体桩的构成及施工工艺

1.1 抗拔载体桩构成

抗拔载体桩与抗压载体桩从外形上看相同，桩身由混凝土桩身和载体构成，载体从内到外依次为水泥砂拌合物、挤密土体和影响土体，但内部配筋不同，抗压载体桩纵向钢筋底部与护筒底齐平，相当于钢筋笼主筋端部位于载体顶部，而抗拔载体桩的钢筋笼主筋必须深入载体核心区。这是因为抗压载体桩的载体只承受压力，而抗拔载体桩为发挥载体抗拔力必须将主筋伸入载体内，且钢筋满足锚固的构造要求，抗拔载体桩构成示意图见图1。

图1 抗拔载体桩构成示意图

1.2 抗拔载体桩施工工艺

抗拔载体桩施工工艺主要分为五步：成孔、施工载体、夯击载体进入一定深度、放入钢筋笼、灌注混凝土。其施工工艺流程图见图2。

图2 抗拔载体桩工艺流程图

2 抗拔载体桩承载机理

对于传统直杆桩，受拉时桩侧土与桩身混凝土间发生相对位移或相对位移的趋势形成侧阻，随着荷载增加，当桩侧土塑性变形达到一定程度后，桩侧侧阻全部发挥，承载力达到极限。传统桩基础抗拔力计算往往参照单桩竖向承载力计算方法，通过对侧阻乘以一折减系数来计算。

载体桩是由混凝土桩身和载体组成，受上拔力时，除了桩身存在侧阻外，桩端载体能起到较好的锚固作用，类似于一个锚板。载体桩与普通直杆桩相比，其抗拔承载力高的原因有以下两点。

(1)载体的锚固效应

载体核心为硬化后的水泥砂拌合物，其强度较高，而抗拔载体桩一般将主筋伸入载体的水泥砂拌合物内部，保证载体和桩身抗拔时共同受力。故当载体桩受竖向抗拔力时,载体可以起到很好的锚固作用，但由于不同载体桩载体的施工参数不同，其载体的影响范围和载体桩的破坏模式也不同。当载体等效计算面积与桩身的截面面积相比较大且桩身相对较短时，载体桩抗拔受力达到一定值后，会首先在载体外边缘出现塑性点。随着荷载逐渐增大，塑性面扩大，破坏面会逐渐向上延伸，形成类似于图3(a)的破坏面。当载体等效计算面积与桩身截面面积比相对不太大且桩长较长时，当荷载增大到一定数值后，也是载体边缘首先出现塑性点，随着荷载增大，塑性破坏面会沿着载体外缘向桩身侧面发展，形成梨形破坏面，见图3(b)。

(2)桩侧侧阻的显著增加

载体桩不管其破坏模式是图3(a)还是图3(b)，其塑性破坏面的发展均与地基土抗剪强度相关，当应力超过其抗剪强度时，塑性区会进一步发展。桩侧土的抗剪强度可简单按土的直剪强度考虑，土的直剪强度与土的密实度密切相关，一般密实度越大，地基土的内摩擦角越大，土的抗剪强度越高。载体桩成孔一般采用挤土工艺，对桩间土有一定的挤密效果，在距离桩侧1m范围内桩侧地基土都有一定的挤密[4]。载体施工对桩端地基土反复夯实，土的挤密效果尤为明显，一般影响范围深度可达3～5m，宽度可达2～3m[5-6]，因此，载体桩施工对桩侧和桩端的地基土抗剪强度有较大的提高，这在一定程度上也提高了桩侧侧阻，从而提高了单桩抗拔承载力。

图3 载体桩抗拔破坏模式

3 抗拔载体桩的抗拔试验

为验证抗拔载体桩的抗拔受力机理，提出其抗拔承载力计算公式，并在天津武清进行相关试验。

3.1 工程概况

试验位于天狮国际大学城内，场区土层包括素填土①2、粉质黏土③1、粉土③2、黏土④、黏土⑤1、粉土⑤2、粉砂⑤3、粉砂⑤31、粉质黏土⑨1、粉土⑨2、粉质黏土⑨21、黏土⑩1、粉质黏土1、粉土2，根据勘察报告[7]，土的物理力学指标见表1。

土的物理力学指标 表1

该场地地下水稳定，水位埋深为1.40～2.50m，水位高程为4.46～5.78m，初见水位埋深1.50～2.70m。

3.2 施工情况

本次试桩共施工6根，分别包括3根单桩试桩和1组(3桩)承台的试桩，其中单桩试验的目的为研究抗拔载体桩的单桩抗拔承载力，承台静载荷试验的目的为试验群桩中单桩抗拔力的相互影响。在抗拔载体桩施工时，当载体施工完毕后，继续用柱锤夯击，柱锤进入载体内约50cm，然后将钢筋笼伸入载体内部，确保抗拔时能发挥载体的锚固作用。试桩施工参数见表2，试桩剖面见图4。

试桩施工参数 表2

图4 试桩剖面

3.3 载荷试验

单桩抗拔静载荷试验按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2003)[8]采用慢速维持荷载法进行，采用地基土承载力作为抗拔反力，图5为抗拔载荷试验现场，受试桩大梁刚度的限制，单桩加载最大荷载为900kN，3桩承台群桩载荷试验的加载最大荷载为2 700kN。加载到最大荷载时，钢筋未屈服。根据第三方试桩检测报告[9]，载体桩单桩抗拔承载力特征值为450kN，抗拔静载试验结果见表3，载荷试验曲线见图6。

载体桩抗拔静载试验结果 表3

图5 抗拔载荷试验现场

图6 抗拔试桩载荷试验曲线

通过对抗拔载体桩载荷试验数据进行分析，可以发现：1)载体桩的抗拔承载力显著高于相同直径的直杆桩；结合本场地勘察资料，桩径430mm、桩长6m的普通直杆桩的单桩抗拔承载力特征值约为120kN，而实际抗拔载体桩的抗拔承载力特征值大于450kN，可见本工程抗拔载体桩比相同尺寸的直杆桩的抗拔承载力高约2倍以上。这也从另一方面说明载体桩的载体提供了较大的抗拔力。2)对比单桩和群桩的载荷试验曲线，单桩加载到900kN、群桩加载到2 700kN时，单桩和承台的变形几乎相同，都在15～20mm之间，说明在设计荷载下，群桩中单桩间的受力相互影响较小。

4 抗拔载体桩抗拔承载力的计算公式及公式验算

4.1 计算公式

载体桩抗拔承载时受桩身截面和载体的影响，其破坏模式不同，抗拔承载力的发挥也不同。载体核心区水泥砂拌合物硬化后是一个球体，抗拔受力时，类似于锚板，但并非一个实际锚板，其锚固抗拔力与地基土的土性也有密切关系，而地基土土性与载体桩施工过程中的填料和三击贯入度也密切相关，因此要准确计算不同情况下的抗拔承载力较为困难。

为方便计算，参照传统桩基抗拔承载力的计算方法[10]，把载体桩的抗拔承载力分解为两部分：一部分为桩端载体的锚固效果；另一部分为桩侧的抗拔侧阻。由于施工挤土效应，载体桩侧阻比普通直杆桩侧阻高，桩侧侧阻可通过对直杆桩侧阻乘以一提高系数得到。载体的锚固计算参照扩底桩抗拔承载力的计算模型，计算时通过增大桩侧地基土侧阻来考虑，将桩端以上一定深度范围桩径扩大，等效计算载体的锚固抗拔力。因此，载体桩单桩的抗拔极限承载力标准值Tuk可按式(1)计算，载体桩抗拔计算简图见图7。

Tuk=∑βλiqsikuili

(1)

图7 抗拔载体桩抗拔计算简图

式中：β为考虑施工挤土后，桩侧地基土侧阻的提高系数，可取1.06～1.15；λi为侧阻抗拔折减系数，砂土取0.55～0.75，黏性土和粉土取0.75～0.85；qsik为第i层土极限侧阻标准值，kPa；ui为桩身抗拔破坏面的周长，在载体桩计算桩底位置以上(4～10)d范围内按πD取值，其他范围桩身按πd取值，其中D为抗拔承载力计算的等效直径，d为桩身直径；li为桩身范围内第i层土的厚度。

考虑到载体桩施工中填料夯实既增大了桩端的受力面积，同时又挤密了桩端地基土，因此取D=d0+2Δs，其中，d0为水泥砂拌合物换算成的等效球体直径，m；Δs为载体桩抗拔承载力计算时考虑周围土挤密效果后的计算半径增量，m，可根据三击贯入度和载体周围土体进行取值，根据工程经验Δs取值为0.3～0.5m。

4.2 计算公式验算

结合本次试验，填入的水泥砂拌合物的体积为0.5m3，根据球体的体积V计算公式(式(2))可计算出填料的等效球体直径d0。

(2)

经计算，实际填料的等效球体直径d0≈1.0m；载体周围为砂土，根据经验抗拔计算时计算半径增量Δs取0.35m，则D=1.0+2×0.35=1.7m。考虑载体影响按直径D计算侧阻部分的计算长度取3.7m，侧阻折减系数：粉土取0.75，砂土取0.7。根据式(1)，单桩抗拔极限承载力标准值Tuk计算如下：

单桩抗拔承载力特征值Ra=888/2=444kN。因此，采用式(1)计算的载体桩单桩抗拔承载力特征值与实际试验值450kN(表3)基本相符。

为了进一步验证式(1)的可靠性，对全国不同地区的抗拔载体桩进行了对比分析，结果见表4。

载体桩单桩抗拔力试验值和计算值对比 表4

通过对比不同地区几个载体桩项目单桩抗拔承载力计算值和试验值，可以发现：采用本文单桩抗拔承载力计算公式(式(1))进行计算所得的计算值均略小于试验值，试验值和计算值之比为1.08～1.18，说明设计时采用本文所提出的公式(式(1))计算单桩抗拔承载力能够满足工程设计要求。

5 结论

本文通过对载体桩抗拔承载的机理进行分析，并结合现场静载荷试验研究，得出如下结论：

(1)载体桩单桩抗拔承载力显著高于常规直杆桩，这一方面是因为成孔过程对桩侧土的挤密，提高了桩侧土的侧阻；另一方面是一定埋深的载体对载体桩抗拔起到了很好的锚固作用，提高了载体桩单桩抗拔力，这也是载体桩抗拔承载力高的主要原因。

(2)在设计荷载下载体桩单桩和群桩变形较为接近，说明受力时群桩中的单桩相互影响较小。

(3)结合载体桩的受力和静载试验，本文提出了抗拔载体桩单桩抗拔承载力计算公式(式(1))，该公式可应用于工程设计中抗拔载体桩单桩抗拔承载力的计算。