張波 董曉彥 屠海明

(1.上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司 200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 上海200092)

引言

鋼管樁基礎(chǔ)作為一種成熟的基礎(chǔ)形式在港口工程、電力和通信等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，而鋼管樁單樁基礎(chǔ)作為其中一種，主要應(yīng)用于承受水平荷載和彎矩的高聳結(jié)構(gòu)。

常規(guī)鋼管樁單樁基礎(chǔ)在沉樁完成后將開挖的基坑用素土回填夯實(shí)；而市區(qū)道路附近的鋼管樁基礎(chǔ)工程，當(dāng)周邊存在著較多的煤氣、給水或電力等重要管道時(shí)，為避免回填土夯實(shí)對(duì)管道產(chǎn)生不利影響，常采用素混凝土在無模板支護(hù)的情況下填充基坑。

本文將根據(jù)鋼管樁單樁基礎(chǔ)水平承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析素混凝土回填對(duì)鋼管樁單樁基礎(chǔ)水平承載能力的影響。

1 鋼管樁單樁基礎(chǔ)水平力承載力試驗(yàn)

在軟土地基中對(duì)相鄰的兩根鋼管單樁進(jìn)行水平承載能力試驗(yàn)，分別記為1#、2#樁。兩根鋼管樁材質(zhì)均為Q235B，樁長均為6m，樁徑均為0.5m，壁厚均為10mm。1#樁采用C15素混凝土在無模板支護(hù)的情況下回填，2#樁采用素土回填。基坑長寬均為1m，深2m。鋼管樁基礎(chǔ)尺寸如圖1所示，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.2 Test site

試驗(yàn)場地下方土體第1層為老填土，以粘性土為主，厚度在0.9m左右；第2層為粉質(zhì)粘土，以粘性土為主，液性指數(shù)IL=0.61，厚度在2m左右；第3層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，流塑，壓縮性高，液性指數(shù)IL=1.31，厚度在8.2m左右，地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Main physical and mechanical properties of soil

試驗(yàn)采取在樁頂逐級(jí)施加和卸載水平力及彎矩的方法，待土體穩(wěn)定后讀取樁頂水平位移讀數(shù)，結(jié)果如圖3所示。在試驗(yàn)過程中樁周邊土體均未產(chǎn)生明顯的塑性變形，所施加荷載未超出樁的水平承載力極限。

圖3 荷載-樁頂水平位移Fig.3 Load-horizontal displacement of pile top

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在樁頂施加水平力15.4kN、彎矩128kN·m的荷載，1#樁、2#樁樁頂水平位移分別為8mm、6.5mm，表明采用素混凝土回填的鋼管樁單樁基礎(chǔ)樁頂水平位移增大，水平承載能力下降。

2 素混凝土回填鋼管樁單樁基礎(chǔ)的計(jì)算分析

1#樁頂部采用素混凝土回填，行成的樁頭長寬均為1m，與樁身直徑差距不大，且樁頭和樁身形成一個(gè)整體共同抵抗頂部傳遞來的水平力和彎矩，故將1#樁按照變截面單樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

鄒貴華等[1]總結(jié)了變截面樁水平承載能力的變化規(guī)律，任士房等[2]給出了變截面樁樁身承載力和位移的計(jì)算方法，陳允銳[3]等驗(yàn)證了鋼管樁基礎(chǔ)SAP2000軟件分析結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果的一致性。借鑒上述計(jì)算方法分析鋼管樁單樁基礎(chǔ)樁頂水平位移，在SAP2000中建立1#樁模型并在長度方向分為60段，每一段0.1m，在節(jié)點(diǎn)處施加彈簧約束來模擬土體提供的水平位移抵抗力，在樁頂施加上部荷載，在樁底施加豎向位移約束，計(jì)算分析模型如圖4所示。

圖4 1#樁計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of pile 1

每一節(jié)點(diǎn)處施加的彈簧約束剛度K取值與樁身計(jì)算截面寬度和樁側(cè)地基土水平抗力系數(shù)有關(guān)[3]，并增加彈簧約束剛度折減系數(shù)來體現(xiàn)地基土擾動(dòng)產(chǎn)生的不利影響:

式中:m為地基土水平抗力系數(shù)；z為彈簧約束施加位置的深度；φ為彈簧約束剛度折減系數(shù)；b0為計(jì)算截面寬度；Δh為樁身分段長度。

1.地基土水平抗力系數(shù)m取值

根據(jù)規(guī)范[4]和地基土的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)，第一層土屬于老填土，m1值取10000kN/m4；第二層土屬于可塑狀粘性土，m2值取10000kN/m4；第三層土屬于淤泥質(zhì)土，m3值取4000kN/m4。

2.計(jì)算截面寬度b0取值

上層素混凝土回填部分截面為方形，根據(jù)李維樹等[5]的研究，方樁的計(jì)算截面寬度b0與樁的截面寬度b有關(guān)，并與截面高度h和樁側(cè)土體裂隙擴(kuò)散角度θ有關(guān)，計(jì)算公式如下:

一般土體裂隙擴(kuò)散角度為30°，而本工程因采用素混凝土在無支護(hù)措施下直接填充基坑的施工方法，缺乏混凝土養(yǎng)護(hù)措施，且沒有采用素土回填夯實(shí)，混凝土終凝后產(chǎn)生的收縮會(huì)降低其與周邊土體的結(jié)合力，導(dǎo)致素混凝土回填部分側(cè)面無法有效傳遞摩擦力給周邊土體，故取樁側(cè)土體裂隙擴(kuò)散角度為0°，由此可得素混凝土回填部分計(jì)算截面寬度為:

下層鋼管樁計(jì)算截面寬度可直接按規(guī)范[4]進(jìn)行計(jì)算:

3.彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取值

采用素混凝土回填對(duì)周邊土體產(chǎn)生的擾動(dòng)，除了影響樁身計(jì)算截面寬度外，同時(shí)會(huì)降低土體對(duì)樁水平位移的抵抗能力，故增加折減系數(shù)φ以考慮抵抗能力的變化。其取值與施工過程產(chǎn)生的擾動(dòng)有關(guān)，擾動(dòng)越大，φ的取值越小；下部未擾動(dòng)的土體不進(jìn)行折減，取φ=1.0。

按上述方法可計(jì)算出樁身各節(jié)點(diǎn)的彈簧約束剛度，當(dāng)素混凝土換填部分的彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取0.3時(shí)，部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)值見表2。

表2 1#樁換算彈簧剛度(部分節(jié)點(diǎn))Tab.2 The equivalent spring stiffness of pile 1(part node)

3 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

首先利用第2章方法分析2#樁，因未采用素混凝土換填，在彈簧約束剛度計(jì)算時(shí)樁身計(jì)算寬度通長取1.125m，彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取1.0。建立模型分析后得到2#樁的樁頂水平最大位移為6.59mm，與實(shí)測(cè)值6.5mm的誤差為1.5%，證明計(jì)算合理。

對(duì)存在土體擾動(dòng)的1#樁，參照表2數(shù)據(jù)，按照素混凝土回填部分彈簧約束剛度折減系數(shù)φ分別取值0.3、0.4、0.7和1.0四種情況進(jìn)行分析，并將位移計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 1#樁荷載-樁頂水平位移曲線Fig.5 The curve of pile1# about load-horizontal displacement of pile top

從圖5可以得出，當(dāng)φ取值為1.0即土體無擾動(dòng)時(shí)，在樁頂水平力15.4kN、彎矩128kN·m的荷載下，樁頂水平位移計(jì)算值為5.0mm，小于2#樁的位移實(shí)測(cè)值6.5mm，這證明1#樁頂部進(jìn)行素混凝土回填后可以提高樁身剛度，如頂部混凝土基礎(chǔ)部分按常規(guī)方法進(jìn)行施工養(yǎng)護(hù)并在周邊采用素土回填夯實(shí)，基礎(chǔ)水平承載力會(huì)顯著提高。

隨著土體擾動(dòng)的增加，樁頂水平位移逐步放大，樁身水平承載能力相應(yīng)降低；當(dāng)體現(xiàn)擾動(dòng)情況的彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取值0.3時(shí)，在樁頂水平力15.4kN、彎矩128kN·m的荷載下，樁頂水平位移理論計(jì)算值為8.26mm，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值8mm的誤差為3.25%，且樁頂水平位移曲線能夠包絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

1.在軟土地基中進(jìn)行的鋼管樁單樁基礎(chǔ)水平力承載試驗(yàn)表明，鋼管樁頂部小面積范圍內(nèi)采用素混凝土回填會(huì)降低樁身水平承載力。

2.用SAP2000進(jìn)行鋼管樁單樁基礎(chǔ)受力分析時(shí)，可利用彈簧約束來模擬地基土對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生的側(cè)向抗力，并可以通過彈簧約束剛度折減系數(shù)來體現(xiàn)土體擾動(dòng)產(chǎn)生的不利影響。

3.計(jì)算分析采用素混凝土回填的鋼管樁單樁基礎(chǔ)時(shí)，素混凝土回填部分的樁身計(jì)算截面寬度取實(shí)際截面寬度，彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取0.3，樁頂水平位移計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相近。