楊成斌,張能欽,謝文蘋,周兆弟

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.浙江天海管樁有限公司,浙江 杭州 310024)

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預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁承載性能對(duì)比試驗(yàn)研究

楊成斌1,張能欽1,謝文蘋1,周兆弟2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.浙江天海管樁有限公司,浙江 杭州 310024)

預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁(簡(jiǎn)稱“竹節(jié)樁”)是在普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(簡(jiǎn)稱“管樁”)基礎(chǔ)上改良而來(lái)的新樁型。文章介紹了竹節(jié)樁的構(gòu)造和接樁技術(shù),并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn),對(duì)竹節(jié)樁在軟土地基中的承載性能進(jìn)行了對(duì)比研究。試驗(yàn)表明:竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力與管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁(簡(jiǎn)稱“方樁”)相比,均能提高20%左右,單樁豎向抗拔極限承載力比管樁提高60%以上。竹節(jié)樁由于設(shè)置了環(huán)向、縱向凸肋,改變了樁-土接觸方式和樁身粗糙度,有利于樁側(cè)摩阻力的充分發(fā)揮。在荷載水平較低時(shí),樁頂位移曲線近似為直線,當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí),會(huì)在土體中形成一個(gè)直徑與環(huán)向凸肋大小相當(dāng)?shù)膱A筒形剪切滑動(dòng)面。

預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁;靜載試驗(yàn);極限承載力;沉降;上拔位移

0 引 言

普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(簡(jiǎn)稱“管樁”)在我國(guó)于20世紀(jì)50年代試生產(chǎn),經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,目前已廣泛應(yīng)用于高層建筑、港口、橋梁、高速公路等各類建筑物和構(gòu)筑物的基礎(chǔ)中[1]。然而,在處理深厚軟土地基時(shí),管樁還存在一些問(wèn)題,影響其進(jìn)一步推廣,主要表現(xiàn)為:① 樁側(cè)摩阻力較低,單樁豎向承載力不高;② 管樁主要通過(guò)焊接方式連接,焊接質(zhì)量無(wú)法保證;③ 管樁的抗彎、抗剪性能較差[2-3],耐久性有待提高。

為了解決管樁存在的問(wèn)題,研究者對(duì)樁身截面做了不同的改進(jìn)[4-7],大都通過(guò)提高樁端阻力或樁側(cè)摩阻力的方法來(lái)改善樁的承載特性。日本早在1934年就對(duì)管樁的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn),在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了帶節(jié)PHC樁(簡(jiǎn)稱“節(jié)樁”)[1],文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)足尺模型試驗(yàn)對(duì)節(jié)樁的承載性能進(jìn)行了研究。我國(guó)冶金部建筑研究總院于1992年引進(jìn)節(jié)樁技術(shù),文獻(xiàn)[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)節(jié)樁的荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了分析研究。預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁(簡(jiǎn)稱“竹節(jié)樁”)是浙江天海管樁有限公司在普通管樁基礎(chǔ)上改良而來(lái)的新樁型,目前已在沿海軟土地區(qū)開(kāi)展應(yīng)用,但整體上仍處于技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究階段[11]。本文以現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)為基礎(chǔ),對(duì)竹節(jié)樁的承載特性進(jìn)行對(duì)比研究。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁介紹

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁的構(gòu)造

預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁是沿樁身外壁每隔1～3 m設(shè)置1節(jié)環(huán)向凸肋,與節(jié)樁的區(qū)別在于,其在樁周外側(cè)對(duì)稱加設(shè)了4條縱肋以連接環(huán)向凸肋,如圖1所示。竹節(jié)樁將管樁的光圓截面改為凹凸形,這種構(gòu)造改變了樁-土接觸方式和樁身粗糙度,使得樁的側(cè)摩阻力充分發(fā)揮。與相同樁徑、樁長(zhǎng)的管樁相比,竹節(jié)樁可節(jié)省混凝土用量15%以上,降低生產(chǎn)成本10%左右[11],經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁的接樁技術(shù)

普通管樁通常采用焊接的方式接樁,每次接樁時(shí)間約為20 min,且需要等焊縫自然冷卻至適宜溫度后方可繼續(xù)沉樁。這種接樁方式降低了管樁的施工效率,并且接頭易松動(dòng)、開(kāi)裂,往往成為工程質(zhì)量隱患。

為了彌補(bǔ)焊接工藝的不足,浙江天海管樁有限公司研發(fā)了機(jī)械式接樁技術(shù)[12],連接件構(gòu)造如圖2所示。接樁時(shí)在上節(jié)樁張拉端的小螺帽上安裝插桿,同時(shí)將彈簧、基墊、卡片和中間螺母依次安裝在下節(jié)樁固定端的大螺母內(nèi),連接件安裝完成后在下節(jié)樁端面涂抹環(huán)氧樹脂、固化劑等組成的密封材料,然后進(jìn)行接樁操作,整個(gè)過(guò)程僅需2～3 min,大大提高了接樁效率。

1.大螺母(內(nèi)設(shè)卡臺(tái)裝環(huán)氧樹脂) 2.基墊 3.卡片 4.鋼棒 5.小螺帽 6.插桿 7.中間螺母 8.彈簧

2 竹節(jié)樁現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)研究

2.1 工程實(shí)例1

(1) 工程概況。某工程位于嘉興軟土地區(qū),地層分布及物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1所列。

表1 實(shí)例1地基土物理力學(xué)參數(shù) kPa

設(shè)計(jì)采用樁基礎(chǔ),試樁選用了竹節(jié)樁、管樁和方樁各2根進(jìn)行抗壓對(duì)比試驗(yàn),設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)均為39 m,以⑥層黏土作為持力層,樁身混凝土強(qiáng)度為C80。竹節(jié)樁(編號(hào)SA1、SA2)最大外徑(帶肋)為500 mm,最小外徑為460 mm,壁厚100 mm;管樁(編號(hào)SB1、SB2)外徑為500 mm,壁厚100 mm;方樁(編號(hào)SC1、SC2)外邊長(zhǎng)為500 mm,內(nèi)徑為300 mm。

(2) 抗壓靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)利用壓樁機(jī)及配重加載裝置,同時(shí)采用武漢沿海工程技術(shù)有限公司的基樁靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)全自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程按照文獻(xiàn)[13]中關(guān)于慢速維持荷載法的規(guī)定進(jìn)行,6根樁的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,見(jiàn)表2所列。

試樁編號(hào)樁徑或邊長(zhǎng)/mm最大試驗(yàn)荷載/kN豎向抗壓極限承載力/kN終壓沉降量/mmSA1500～4603840384036.79SA2500～4603840384037.89SB15003200320035.75SB25003200320038.61SC15003200313342.74SC25003200306845.39

(3) 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。由圖3可以看出,6根試樁的荷載(P)-沉降(s)曲線均為緩變型,表現(xiàn)為當(dāng)荷載小于640 kN時(shí),6根試樁的P-s曲線近似為直線,在中、高荷載時(shí)沉降有逐級(jí)加大的變化趨勢(shì)。

由圖3還可以看出,方樁在每級(jí)荷載下的沉降量均比竹節(jié)樁和管樁大。當(dāng)荷載小于2 100 kN時(shí),竹節(jié)樁的沉降量比管樁大。這是由于加載初期2種樁型對(duì)樁周土體的作用以摩擦力為主，竹節(jié)樁與管樁相比樁土接觸面積較小，因而提供的側(cè)摩阻力較小。當(dāng)荷載大于2 560 kN時(shí)，竹節(jié)樁的樁身(特別是在非肋部處)與樁周土體緊密接觸，環(huán)肋下方土體試圖抵抗竹節(jié)樁向下運(yùn)動(dòng)，即對(duì)環(huán)肋產(chǎn)生較大的阻力，樁身沉降量明顯小于普通管樁的沉降量，承載性能顯著提高。

由表2可以看出,竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力為3 840 kN,與管樁和方樁相比均能提高20%左右,并且竹節(jié)樁在3種樁型中生產(chǎn)成本最低,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2.2 工程實(shí)例2

(1) 工程概況。某工程位于沿海軟土地區(qū),基礎(chǔ)樁擬采用管樁和竹節(jié)樁2種樁型,設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)均為26 m,樁身混凝土強(qiáng)度為C80。S1、S2、S3試樁為竹節(jié)樁,S4、S5、S6試樁為管樁,6根試樁的參數(shù)與工程實(shí)例1中相應(yīng)樁型的參數(shù)相同。場(chǎng)地地層及物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3所列,以⑥層黏土作為持力層,設(shè)計(jì)單樁豎向抗拔承載力特征值均為580 kN。

表3 實(shí)例2地基土物理力學(xué)參數(shù) kPa

(2) 抗拔靜載試驗(yàn)。按照慢速維持荷載法對(duì)6根樁分別進(jìn)行單樁抗拔靜載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,見(jiàn)表4所列。

圖4 抗拔試驗(yàn)U-δ曲線

試樁編號(hào)樁徑/mm最大試驗(yàn)荷載/kN豎向抗拔極限承載力/kN最大上拔量/mmS1500～4601160≥116010.05S2500～4601160≥11609.39S3500～4601160≥11608.87S4500812696103.25S5500696580100.32S6500696580101.98

(3) 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。由圖4可知,3根竹節(jié)樁的荷載(U)-上拔位移(δ)曲線均呈緩變型,各級(jí)荷載下的上拔位移增量變化幅度不大。當(dāng)竹節(jié)樁、管樁的累積加載量分別小于348、232 kN時(shí),U-δ曲線近似為直線,3根管樁分別加載至812、696、696 kN時(shí)樁帽與樁身突然拉開(kāi),上拔位移急劇增大。按規(guī)范當(dāng)累積上拔量超過(guò)100 mm時(shí)終止試驗(yàn),取上一級(jí)荷載作為抗拔極限承載力。

由圖4、表4可以看出,竹節(jié)樁由于設(shè)置了縱向、環(huán)向凸肋,有利于樁側(cè)摩阻力的充分發(fā)揮,因此在各級(jí)荷載下的上拔位移均比管樁小,而單樁豎向抗拔極限承載力能達(dá)到1 160 kN以上,比管樁提高60%以上。

3 竹節(jié)樁承載機(jī)理分析

在樁身構(gòu)造方面,竹節(jié)樁沿樁身設(shè)置了環(huán)向凸肋,并通過(guò)縱向凸肋連接成整體,這種構(gòu)造改變了樁-土接觸方式和樁身粗糙度,與管樁的光圓截面相比,側(cè)摩阻力顯著提高。

在沉樁方面,竹節(jié)樁在沉樁過(guò)程中環(huán)向凸肋對(duì)樁周土體具有擠密作用,并在肋部之間形成空隙,加快了樁周軟土的排水固結(jié),提高了樁周土體的強(qiáng)度。沉樁完成后,樁周土體逐漸與樁身重新接觸。

在荷載傳遞方面,竹節(jié)樁承受豎向荷載時(shí),樁身肋部將應(yīng)力傳遞到土體中,使樁周軟土進(jìn)一步擠密,同時(shí)文獻(xiàn)[8,11]指出肋部還具有承壓作用,產(chǎn)生的承壓力又作為附加應(yīng)力施加于樁周土體,提高了樁周土體的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)傳遞給樁周土體的應(yīng)力超過(guò)土體的抗剪強(qiáng)度時(shí),便在土體中形成一個(gè)直徑與環(huán)向凸肋大小相當(dāng)?shù)膱A筒形剪切滑動(dòng)面,滑動(dòng)面內(nèi)的土體隨著樁身一起位移。

4 結(jié) 論

竹節(jié)樁是在普通管樁基礎(chǔ)上改良而來(lái)的新樁型,通過(guò)設(shè)置環(huán)向和縱向凸肋,改變了樁-土接觸關(guān)系,有效提高樁側(cè)摩阻力。

在相同條件下,竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力與管樁和方樁相比均能提高20%左右,單樁豎向抗拔極限承載力比管樁提高60%以上,同時(shí)竹節(jié)樁能節(jié)省混凝土用量,降低生產(chǎn)成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

竹節(jié)樁屬于摩擦端承樁,在荷載水平較低時(shí),樁頂位移曲線近似為直線,當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí),會(huì)在土體中形成一個(gè)直徑與環(huán)向凸肋直徑大小相當(dāng)?shù)膱A筒形剪切滑動(dòng)面。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Contrastive experimental study of bearing capability of pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile

YANG Chengbin1,ZHANG Nengqin1,XIE Wenping1,ZHOU Zhaodi2

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Zhejiang Tianhai Pipe Pile Co., Ltd., Hangzhou 310024, China)

Pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile(PSCBP) is a new type of pile which is developed on the basis of traditional pre-stressed spun concrete pipe pile(PSCPP). The structure and mechanical bonding technology of PSCBP are introduced, and its bearing capability in soft soil is researched based on static load tests. The results show that the vertical ultimate bearing capacity of single PSCBP increases by 20% compared with that of PSCPP and pre-stressed spun concrete square pile(PSCSP), and the vertical uplift ultimate bearing capacity of single PSCBP increases by over 60% compared with that of PSCPP. Due to the annular and longitudinal convex rib, contact area between the pile and soft soil and pile roughness increase. In this case, the side friction of PSCBP is fully exerted. The curves of displacement at the top of the PSCBP are similar to straight lines in the low load. When the load increases, a cylindrical shear plane which is same as annular convex rib in diameter will be formed in the soft soil.

pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile(PSCBP); static load test; ultimate bearing capacity; settlement; uplift displacement

2015-06-18；

2015-07-28

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(W2014JSFW0415)

楊成斌(1962-),男,安徽滁州人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.022

TU473.11

A

1003-5060(2016)10-1407-04