張發(fā)佳

（福建省三明農(nóng)業(yè)學(xué)校，福建 三明365500）

1 引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（簡(jiǎn)稱PHC 管樁）常被用來承受下壓或上拔荷載，已在國內(nèi)外各類巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。與常規(guī)灌注樁相比：PHC 管樁采用工廠化預(yù)制生產(chǎn)，能夠較好地保證樁身質(zhì)量；管樁機(jī)械化施工速度快，不需要進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，可有效縮短施工工期；PHC 管樁施工過程一般沒有大范圍的土方開挖和泥漿排放，有利于施工場(chǎng)地范圍的環(huán)境保護(hù)。此外，PHC 管樁的樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、抗腐蝕能力強(qiáng)。

地基與基礎(chǔ)之間的相互作用具有時(shí)空效應(yīng)，基礎(chǔ)承載性能受地質(zhì)條件、基礎(chǔ)型式、荷載工況等多種因素的影響。相同地基條件下不同類型基礎(chǔ)型式、同一個(gè)基礎(chǔ)型式在不同的地基條件下、同一個(gè)基礎(chǔ)型式在不同荷載工況下的承載性能往往都會(huì)存在一定的差異。大量研究表明，對(duì)不同地質(zhì)條件、不同樁基型式而言，其抗壓與抗拔承載條件下的荷載-位移特征、受力特性和樁周土體側(cè)阻力發(fā)揮均有所不同?？傮w上看，相對(duì)于各類樁基抗壓承載性能研究而言，樁基礎(chǔ)抗拔承載性能研究相對(duì)滯后。國內(nèi)外實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，一般都是采用土體抗壓極限側(cè)摩阻力乘以抗拔折減系數(shù)估算抗拔樁的極限承載力[5～9]。然而，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的PHC 管樁抗壓和抗拔承載性能對(duì)比研究工作顯得更少。本文開展了河漫灘復(fù)雜地質(zhì)條件下的3 根PHC 管樁單樁抗壓和3 根PHC 管樁單樁抗拔靜載荷現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，并且在基礎(chǔ)施工過程中進(jìn)行了高應(yīng)變法跟蹤檢測(cè)初打和復(fù)打監(jiān)測(cè)，據(jù)此分析了PHC 管樁抗壓和抗拔的荷載-位移特性及河漫灘地基承載性能，可為河漫灘復(fù)雜地質(zhì)條件下的PHC 管樁設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 場(chǎng)地條件

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地為河漫灘，較為平整。地質(zhì)勘察結(jié)果表明，該場(chǎng)地淺層以淤泥為主，深層以粉質(zhì)黏土和粉砂為主，地下水以孔隙性潛水為主。施工和試驗(yàn)期間的地下水位約為1m。試驗(yàn)場(chǎng)地的地層分布及其主要物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地的地層分布特征及其性質(zhì)

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用PHC 管樁型號(hào)相同，樁型均為600AB（130）型，樁長(zhǎng)19m。試驗(yàn)PHC 管樁共6 根，其中3 根用于單樁抗壓承載力試驗(yàn)，分別記為C1、C2和C3，3 根單樁用于抗拔承載力試驗(yàn)，分別記為T1、T2和T3。

樁長(zhǎng)19m 的PHC 管樁試驗(yàn)單樁均有2 節(jié)組成，第1 節(jié)樁長(zhǎng)12m，第2 節(jié)樁長(zhǎng)7m，2 節(jié)樁之間采用機(jī)械嚙合接頭。圖1 給出了抗拔試驗(yàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其尺寸示意圖。

如圖1 所示，為方便試驗(yàn)過程中上拔荷載施加以及位移傳感器布置，將PHC 管樁單樁試驗(yàn)基礎(chǔ)頂部設(shè)計(jì)為承臺(tái)及基礎(chǔ)立柱結(jié)構(gòu)，承臺(tái)和立柱均采用正方形，其中基礎(chǔ)承臺(tái)平面尺寸為1.0m×1.0m，厚度為0.6m，基礎(chǔ)立柱為0.6m×0.6m，高度為1.2m，露出地面0.2m。同時(shí)，在基礎(chǔ)立柱中布置了4 根地腳螺栓，作為抗拔試驗(yàn)連接件與試驗(yàn)反力系統(tǒng)連接。PHC管樁單樁抗壓試驗(yàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其尺寸與圖1 所示的抗拔基礎(chǔ)類似，二者不同之處在于，抗壓試驗(yàn)基礎(chǔ)立柱中沒有布置地腳螺栓。

圖1 試驗(yàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及尺寸

試驗(yàn)中所有PHC 管樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。為加強(qiáng)PHC 管樁單樁與承臺(tái)立柱部分的連接，所有PHC 單樁試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)均將預(yù)應(yīng)力鋼筋錨入承臺(tái)且樁頭埋入承臺(tái)0.2m。同時(shí)，所有PHC 單樁均采用了鋼筋混凝土填芯措施，填芯部分縱向鋼筋按基樁拉力計(jì)算，并采用螺旋箍筋加強(qiáng)，填芯長(zhǎng)度5d（d為PHC 管樁外徑），可提高樁接頭點(diǎn)延性與抗變形能力。

4 基礎(chǔ)施工與測(cè)試

所有PHC 管樁單樁均采用D45 柴油錘進(jìn)行錘擊法施工，按標(biāo)高和貫入度雙重控制，并以標(biāo)高為主，錘擊壓應(yīng)力不大于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

施工過程中同時(shí)開展了振動(dòng)噪聲測(cè)試，以分析PHC 管樁打樁施工對(duì)周圍環(huán)境影響程度。測(cè)點(diǎn)按距打樁點(diǎn)由近及遠(yuǎn)順序布置，分別為5m、10m、15m、20m、30m、40m、50m、60m 和70m，以后按10m 遞增。噪聲測(cè)試按照規(guī)范[10]要求進(jìn)行。振動(dòng)噪聲測(cè)試結(jié)果表明，距離施工場(chǎng)界200m 以外，噪聲降至70dB（A）。

此外，基礎(chǔ)施工過程還采用了高應(yīng)變法對(duì)試樁首先進(jìn)行跟蹤檢測(cè)（初打）。由于場(chǎng)地含水量較大，初打過程中PHC 管樁周圍土體未能充分固結(jié)，側(cè)摩阻力和端阻力發(fā)揮很小。因此，在樁基休止過一段時(shí)間后，再次對(duì)試樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)（復(fù)打），通過對(duì)管樁復(fù)打檢測(cè)結(jié)果和初打檢測(cè)結(jié)果的比較，得到承載力恢復(fù)系數(shù)（樁周土阻力恢復(fù)系數(shù)）。高應(yīng)變初打和復(fù)打檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表2 所示，土阻力恢復(fù)系數(shù)平均值為1.55。

表2 高應(yīng)變法試驗(yàn)和靜載荷試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果

5 試驗(yàn)系統(tǒng)及加載方案

所有PHC 管樁抗壓和抗拔承載力試驗(yàn)均采用錨樁提供反力。抗壓和抗拔試驗(yàn)系統(tǒng)包括反力基礎(chǔ)、反力鋼梁、千斤頂及相關(guān)連接螺栓與墊板等。

所有試驗(yàn)均采用慢速維持荷載法[11～13]。以試驗(yàn)基礎(chǔ)水平承載力設(shè)計(jì)值的1/10 為增量，進(jìn)行荷載分級(jí)，確定每一級(jí)荷載增量。第1 級(jí)水平力加載量為分級(jí)荷載增量的2 倍，此后各級(jí)荷載按分級(jí)荷載增量，進(jìn)行等量逐級(jí)加載，加載過程中可自動(dòng)加載、補(bǔ)載與恒載。試驗(yàn)前，在試驗(yàn)基礎(chǔ)立柱下壓力和上拔力荷載方向?qū)ΨQ布置4 個(gè)量程為50mm、精度為0.01mm 的電子位移傳感器，以測(cè)試各級(jí)荷載作用下基礎(chǔ)的下壓和上拔位移值。試驗(yàn)過程中通過樁基靜載荷測(cè)試分析儀，控制荷載施加并進(jìn)行位移的自動(dòng)記錄。取4 個(gè)電子位移傳感器實(shí)測(cè)結(jié)果平均值作為相應(yīng)荷載等級(jí)對(duì)應(yīng)位移，分別繪制抗壓試驗(yàn)荷載-位移曲線和抗拔試驗(yàn)荷載-位移曲線，以研究相應(yīng)基礎(chǔ)的承載性能。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)獲得的基礎(chǔ)荷載-位移曲線充分體現(xiàn)了地基基礎(chǔ)體系承載和變形性狀。

從圖2 所示的抗壓荷載-位移曲線可看出，3 根單樁抗壓荷載-位移曲線均呈圖“緩變型”變化規(guī)律，由于試驗(yàn)中抗壓試驗(yàn)加載到試驗(yàn)系統(tǒng)最大承載能力1 650kN 后，便停止了加載。因此，抗壓荷載-位移曲線僅存在處于初始彈性直線段和彈塑性曲線過渡段，尚未達(dá)到直線破壞段，也均未達(dá)到40mm 的極限位移。取最大的加載量作為單樁極限承載力，可將1 650kN作為本次PHC 管樁單樁試驗(yàn)基礎(chǔ)的抗壓極限承載力，對(duì)應(yīng)下壓位移為7.14mm。單樁抗壓荷靜載荷試驗(yàn)和高應(yīng)變法試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果如表2 所示，結(jié)果表明：試驗(yàn)場(chǎng)地條下PHC 管樁單樁豎向抗壓動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)均值為1.23。

圖3 為3 根PHC 管樁單樁試驗(yàn)基礎(chǔ)抗拔荷載-位移曲線。

從圖3 中試驗(yàn)基礎(chǔ)抗拔荷載-位移曲線均呈“陡變型”變化規(guī)律，可取陡變起點(diǎn)荷載作為相應(yīng)試驗(yàn)基礎(chǔ)的抗拔極限承載力，則T1、T2和T3的抗拔極限承載力分別為880kN、800kN和800kN，對(duì)應(yīng)上拔位移分別為9.43mm、8.96mm 和7.96mm。取其平均值826.7kN 作為本次PHC 管樁單樁試驗(yàn)基礎(chǔ)抗拔極限承載力，對(duì)應(yīng)平均位移為8.78mm。

圖2 PHC 管樁單樁實(shí)測(cè)抗壓荷載- 位移曲線

圖3 PHC 管樁單樁實(shí)測(cè)抗拔荷載- 位移曲線

假設(shè)PHC 管樁單樁抗壓和抗拔承載力樁側(cè)摩阻力提供，根據(jù)樁土體系荷載傳遞機(jī)理，樁側(cè)阻力一般是自上而下逐步發(fā)揮的，樁側(cè)阻力發(fā)揮值與樁土相對(duì)位移量密切相關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)基礎(chǔ)施加荷載大小，計(jì)算每一級(jí)下壓和上拔荷載作用下的樁側(cè)摩阻平均值，可繪制出如圖4 所示的樁土界面?zhèn)饶ψ枇ζ骄惦S基頂位移變化曲線。

圖4 表明PHC 管樁單樁下壓狀態(tài)下樁土界面平均極限側(cè)阻力值為46.1kPa，而對(duì)應(yīng)的上拔狀態(tài)下平均極限側(cè)阻力值為23.1kPa，即試驗(yàn)條件下，PHC 管樁樁土界面上拔平均極限側(cè)阻力值是下壓狀態(tài)下極限側(cè)阻力的50.1%。根據(jù)樁土體系荷載傳遞機(jī)理，單樁抗壓和抗拔承載力主要由樁側(cè)摩擦阻力提供。根據(jù)試驗(yàn)基礎(chǔ)施加荷載大小，可計(jì)算每一級(jí)下壓和上拔荷載作用下的樁側(cè)摩阻平均值。計(jì)算表明：PHC 管樁單樁下壓狀態(tài)下樁土界面平均極限側(cè)阻力值為46.1kPa，而對(duì)應(yīng)的上拔狀態(tài)下平均極限側(cè)阻力值為23.1kPa，即試驗(yàn)條件下，PHC 管樁樁土界面上拔平均極限側(cè)阻力值是下壓狀態(tài)下極限側(cè)阻力的50.1%。由此可得到試驗(yàn)場(chǎng)地土體抗拔側(cè)摩阻力折減系數(shù)平均值為λ＝0.501?？箟簶杜c抗拔樁荷載傳遞機(jī)理有所不同，這主要是二者之間的樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的差異所造成。研究表明，造成這種差異的內(nèi)在原因很多，其中樁周土的泊松效應(yīng)、剪脹性及主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)是重要影響因素[14,15]。

圖4 PHC管樁單樁抗壓抗拔試驗(yàn)實(shí)測(cè)荷載- 位移曲線

7 結(jié)論

1）PHC 管樁單樁抗壓和抗拔荷載-位移曲線呈現(xiàn)不一樣的變化規(guī)律?？箟汉奢d-位移為“緩變型”變化規(guī)律，存在初始彈性直線段和彈塑性曲線過渡段。而抗拔荷載-位移曲線則呈“陡變型”變化規(guī)律。

2）根據(jù)PHC 管樁單樁抗壓和抗拔荷載-位移曲線變化規(guī)律，采用不同的極限承載力確定方法得到本試驗(yàn)中河漫灘場(chǎng)地樁長(zhǎng)為19m 的600AB(130)型PHC 管樁單樁下壓極限承載力和位移為1650kN、7.14mm，對(duì)應(yīng)樁土界面平均極限側(cè)阻力值為46.1kPa。抗拔極限承載力和位移為826.7kN、8.78mm，對(duì)應(yīng)平均極限側(cè)阻力值23.1kPa。試驗(yàn)場(chǎng)地抗拔側(cè)摩阻力折減系數(shù)為0.501。

3）綜合分析試驗(yàn)基礎(chǔ)高應(yīng)變法跟蹤檢測(cè)初打和復(fù)打以及抗壓承載力試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)河漫灘場(chǎng)地土阻力恢復(fù)系數(shù)平均值為1.55，單樁豎向抗壓動(dòng)靜對(duì)比系數(shù)均值為1.23。