天津于家堡深大地下工程新型抗拔樁的研究與應(yīng)用

吳江斌王向軍上海2015.04.24

天津于家堡深大地下工程新型抗拔樁的研究與應(yīng)用華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司EASTCHINAARCHITECTURALDESIGN&RESEARCHINSTITUTECO.,LTD.目錄一、工程概況二、新型抗拔樁適用性的試驗(yàn)研究三、新型抗拔樁的承載變形特性分析四、擴(kuò)底抗拔樁的工程應(yīng)用P3一、工程概況天津于家堡金融區(qū)規(guī)劃圖鳥(niǎo)瞰于家堡金融區(qū)占地面積3.86平方公里，規(guī)劃120個(gè)地塊，總的建筑面積達(dá)到950萬(wàn)平方公里，建成后將是一個(gè)集市場(chǎng)會(huì)展、現(xiàn)代金融、城際車(chē)站、酒店會(huì)議中心、行政服務(wù)中心、濱河公園和中央大道等于一體的超大規(guī)模國(guó)際級(jí)的金融區(qū)。P5于家堡南北車(chē)庫(kù)是金融區(qū)起步區(qū)的先行開(kāi)發(fā)的35個(gè)項(xiàng)目之一。建成后作為配套的綠地公園。均為純地下結(jié)構(gòu)，整體設(shè)置4層地下室，單層面積均約2.8萬(wàn)平米基礎(chǔ)埋深約16.0m工程概況——天津于家堡南、北地下車(chē)庫(kù)項(xiàng)目北車(chē)庫(kù)南車(chē)庫(kù)普遍區(qū)域設(shè)置4層地下室局部區(qū)域設(shè)置2層地下室純地下結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深深，水浮力問(wèn)題突出抗拔樁的工程量大、造價(jià)高7常規(guī)等截面抗拔樁擴(kuò)底抗拔樁樁側(cè)后注漿抗拔樁常規(guī)等截面抗拔樁抗拔承載力有限擴(kuò)底抗拔樁以較小的材料增加獲取顯著的抗拔承載力提高樁側(cè)后注漿抗拔樁改變樁身與樁周土的接觸界面特性，從而提高承載力抗拔樁技術(shù)的發(fā)展當(dāng)前對(duì)擴(kuò)底抗拔樁和樁側(cè)注漿抗拔樁的研究已經(jīng)開(kāi)展了不少的研究，其良好的承載特性已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。新型抗拔樁在背景工程中的應(yīng)用是有一定理論基礎(chǔ)的。新型抗拔樁在天津于家堡地區(qū)并無(wú)工程應(yīng)用先例，開(kāi)展新型抗拔樁的適用性試驗(yàn)研究意義重大。可直接指導(dǎo)背景工程的樁基設(shè)計(jì)，也可為后續(xù)類(lèi)似的項(xiàng)目提供參考。二、新型抗拔樁適用性的試驗(yàn)研究試樁試驗(yàn)方案試樁施工背景工程普遍地下4層區(qū)域，單樁抗拔承載力要求達(dá)到1800kN樁徑為850mm,等截面抗拔樁,有效樁長(zhǎng)約30m。南北地下車(chē)庫(kù)共計(jì)設(shè)置抗拔樁超過(guò)4000根。工程量大，造價(jià)高。工程規(guī)模大，采用新型抗拔樁以節(jié)省工程造價(jià)有現(xiàn)實(shí)需求。初步估算，采用新樁型后，有效樁長(zhǎng)僅需19m，可減短樁長(zhǎng)11m。開(kāi)展新型抗拔樁的適用性試驗(yàn)研究意義重大減短樁長(zhǎng)約11m30m19m試樁試驗(yàn)方案地下4層區(qū)域，量大面廣。擬開(kāi)展擴(kuò)底抗拔樁和樁側(cè)注漿抗拔樁兩種樁型的試樁試驗(yàn)地下2層區(qū)域范圍相對(duì)較小。擬僅開(kāi)展擴(kuò)底抗拔樁的試樁試驗(yàn)SBZ1A——擴(kuò)底抗拔樁試樁數(shù)量3根有效樁長(zhǎng)19m等截面段樁徑850mm擴(kuò)底直徑1500mm擴(kuò)大頭高度1.5m+0.75mSBZ1B——樁側(cè)注漿試樁數(shù)量3根有效樁長(zhǎng)19m樁徑850mm樁側(cè)設(shè)置2道注漿斷面，每道注漿量0.8tSBZ2——擴(kuò)底抗拔樁試樁數(shù)量3根有效樁長(zhǎng)30m等截面段樁徑850mm擴(kuò)底直徑1500mm擴(kuò)大頭高度1.5m+0.75m試樁區(qū)域樁型有效樁長(zhǎng)（m）數(shù)量砼強(qiáng)度單樁承載力要求/kN普遍地庫(kù)區(qū)域擴(kuò)底樁（SBZ1A）193C301800樁側(cè)后注漿樁（SBZ1B）193C301800錨樁（MBZ1）198C30/能源中心區(qū)域擴(kuò)底樁（SBZ2）303C302800kN錨樁（MBZ2）304C30/雙套管位移量測(cè)軸力測(cè)試地下4層區(qū)域區(qū)域試樁平面布置圖地下二層區(qū)域試樁平面布置圖試樁施工AM全液壓可視旋挖成孔工藝擴(kuò)大頭孔徑曲線(xiàn)施工可行試樁區(qū)域樁型樁號(hào)最大試驗(yàn)荷載/kN最大樁頂上拔量/mm樁底上拔量/mm單樁抗拔極限承載力/kN對(duì)應(yīng)樁頂上拔量/mm樁底上拔量/mm單樁抗拔極限承載力統(tǒng)計(jì)值（標(biāo)準(zhǔn)值）/kN普遍地庫(kù)區(qū)域擴(kuò)底樁（SBZ）有效樁長(zhǎng)19mSbz1A-9650095.3990.94600026.6718.515666Sbz1A-11600087.3179.53550020.3012.86Sbz1A-13600083.5175.11550023.454.42樁側(cè)注漿樁（SBZ1B）有效樁長(zhǎng)19mSb1zb-6550081.4174.77500027.024.494833Sb1zb-4500082.0376.65450027.614.57Sb1zb-2550085.7778.57500028.133.74能源中心區(qū)域擴(kuò)底樁（SBZ2）有效樁長(zhǎng)30mSb1z2-16720084.9178.43660011.492.186733Sb1z2-187600103.33100.51720015.375.73Sb1z2-20720088.4784.84640012.572.06試樁區(qū)域樁型設(shè)計(jì)要求單樁抗拔承載力/kN抗拔承載力（特征值）/kN普遍地庫(kù)區(qū)域擴(kuò)底樁（SBZ）18002800樁側(cè)后注漿樁（SBZ1B）18002400能源中心區(qū)域擴(kuò)底樁（SBZ2）28003350試樁試驗(yàn)結(jié)果承載力滿(mǎn)足要求三、新型抗拔樁承載變形特性的分析荷載位移曲線(xiàn)及樁身變形樁身軸力分布規(guī)律樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性擴(kuò)大頭的承載機(jī)理荷載位移曲線(xiàn)擴(kuò)底-19m樁側(cè)注漿-19m擴(kuò)底-30mP21擴(kuò)底-19m荷載位移曲線(xiàn)樁頂、樁端同時(shí)發(fā)生較大的變形，試樁達(dá)到破壞狀態(tài)。P22樁側(cè)注漿樁—19m擴(kuò)底樁—19m擴(kuò)底樁—30m荷載位移曲線(xiàn)承載能力抗變形能力樁身軸力分布曲線(xiàn)規(guī)律擴(kuò)底-19m樁側(cè)注漿-19m當(dāng)樁頂試樁荷載為1000kN時(shí)，兩種樁型樁身軸力分布曲線(xiàn)較接近。樁頂荷載1000kN樁身軸力分布曲線(xiàn)規(guī)律當(dāng)樁頂試樁荷載為1000kN時(shí)，兩種樁型樁身軸力分布曲線(xiàn)較接近。樁頂荷載2000kN樁身軸力分布曲線(xiàn)規(guī)律當(dāng)樁頂上拔荷載大于3000kN時(shí)，兩種樁型樁身軸力分布曲線(xiàn)差異明顯。樁頂荷載3000kN樁身軸力分布曲線(xiàn)規(guī)律隨著樁頂試樁荷載的增大，樁側(cè)注漿抗拔樁距樁端附近的樁身軸力增長(zhǎng)有限。而擴(kuò)底抗拔樁相應(yīng)位置處的樁身軸力增長(zhǎng)幅度較大。樁頂荷載4000kN樁身軸力分布曲線(xiàn)規(guī)律隨著樁頂試樁荷載的增大，樁側(cè)注漿抗拔樁距樁端附近的樁身軸力增長(zhǎng)有限。而擴(kuò)底抗拔樁相應(yīng)位置處的樁身軸力增長(zhǎng)幅度較大。樁頂荷載5000kN樁身軸力分布曲線(xiàn)規(guī)律樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性擴(kuò)底-19m樁側(cè)注漿-19m當(dāng)試樁荷載較小時(shí)，兩種樁型均依靠樁側(cè)摩阻力抵抗上拔荷載。樁頂荷載1000kN樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性擴(kuò)底側(cè)注漿當(dāng)樁頂荷載逐漸增大時(shí)，淺部土層，樁側(cè)注漿抗拔樁的側(cè)摩阻力明顯比擴(kuò)底抗拔樁相應(yīng)區(qū)域的樁側(cè)摩阻力大深部土層，兩種樁型側(cè)摩阻力的發(fā)揮差異不大。樁頂荷載3000kN樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性擴(kuò)底側(cè)注漿當(dāng)試樁達(dá)到較高水平時(shí)，對(duì)于樁側(cè)注漿抗拔樁來(lái)說(shuō)，全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的側(cè)摩阻力得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，特別是深部土層側(cè)摩阻力的增長(zhǎng)幅度較大。擴(kuò)底抗拔樁全樁長(zhǎng)范圍的側(cè)摩阻力亦有增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度有限。樁頂荷載5000kN樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性擴(kuò)底側(cè)注漿土層試樁實(shí)測(cè)平均值/kPa勘察報(bào)告值/kPa增強(qiáng)系數(shù)β（7）粉質(zhì)粘土83481.73（8）粉質(zhì)粘土84.7521.63（9）粉土粉砂93.3701.33（10）粉土粉砂97.7701.40樁側(cè)注漿增強(qiáng)系數(shù)土層試樁實(shí)測(cè)平均值/kPa勘察報(bào)告值/kPa實(shí)測(cè)值與建議值的比值（7）粉質(zhì)粘土56.3481.17（8）粉質(zhì)粘土58521.12（9）粉土粉砂60700.86（10）粉土粉砂62700.89擴(kuò)底抗拔樁擴(kuò)大頭抗力的發(fā)揮特性擴(kuò)底-19m樁側(cè)注漿-19m擴(kuò)大頭抗力等截面段樁側(cè)摩阻力擴(kuò)底抗拔樁-199號(hào)樁11號(hào)樁13號(hào)樁平均值樁頂極限荷載6000.005500.005500.005666.67樁端附近軸力(kN)3172.002896.003003.003023.67擴(kuò)大頭抗力占比0.530.530.550.53樁側(cè)注漿-192號(hào)樁4號(hào)樁6號(hào)樁平均值樁頂極限荷載5000.004500.005000.004833.33樁端附近軸力(kN)858.00855.00910.00874.33樁端軸力占比0.170.190.180.18擴(kuò)大頭抗力的發(fā)揮特性極限狀態(tài)下，擴(kuò)大頭提供的抗拔承載力可占總承載力的50%以上擴(kuò)大頭的承載機(jī)理試樁試驗(yàn)的數(shù)值擬合Q=3000kNQ=4000kNQ=5000kNQ=5500kN擴(kuò)大頭的承載機(jī)理擴(kuò)大頭與周邊土體的相互作用根據(jù)擴(kuò)頭段法向應(yīng)力分布，計(jì)算得到擴(kuò)頭段的抗拔擴(kuò)頭段法向應(yīng)力豎向分力提供了擴(kuò)頭段的主要抗拔力，占擴(kuò)頭段總抗拔力約70%。擴(kuò)大頭的承載機(jī)理擴(kuò)底抗拔樁的承載力由樁側(cè)摩阻力與擴(kuò)大頭抗力共同組成，兩者承載力的發(fā)揮是一個(gè)異步的過(guò)程首先由等截面段樁土側(cè)摩阻力提供抗拔力；當(dāng)上拔荷載進(jìn)一步增大后，擴(kuò)大頭開(kāi)始逐漸發(fā)揮作用，并且擴(kuò)大頭抗力占試樁總荷載的比例逐步上升當(dāng)?shù)冉孛娑螛秱?cè)摩阻力達(dá)到極限狀態(tài)后，擴(kuò)大頭可繼續(xù)提供抗拔承載力，甚至超過(guò)樁側(cè)摩阻力提供的抗拔承載力擴(kuò)大頭周邊土體隨樁頂加載增加，受到擴(kuò)大頭的擠壓力逐漸增大，逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，并最終貫穿整個(gè)擴(kuò)大頭區(qū)域，周邊土體受壓達(dá)到極限狀態(tài)后，擴(kuò)底抗拔樁發(fā)生整體向上的變形，達(dá)到破壞狀態(tài)。擴(kuò)大頭的承載機(jī)理擴(kuò)底抗拔樁極限承載力計(jì)算方法

假定極限破裂面荷載傳遞法被動(dòng)土壓力折減系數(shù)為被動(dòng)土壓力折減系數(shù)取值表擴(kuò)大頭角度

(度)0°5°15°20°30°折減系數(shù)0.120.550.900.950.97極限狀態(tài)下法向壓力計(jì)算值擴(kuò)大頭位置被動(dòng)土壓力值組號(hào)樁號(hào)實(shí)測(cè)極限承載力(kN)實(shí)測(cè)平均值旁壓法計(jì)算值SBZ1a（有效樁長(zhǎng)18m）9#60005666520011#550013#5500SBZ2（有效樁長(zhǎng)30m）16#66006733670018#7200