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        鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁的極限抗拔破壞試驗(yàn)研究

        2022-10-15 08:41:22陳久照李超華孫志賢
        廣東土木與建筑 2022年9期
        關(guān)鍵詞:承載力焊縫

        楊 眉,陳久照,李超華,孫志賢

        (廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500)

        0 引言

        實(shí)際工程中,一些建、構(gòu)筑物會(huì)由于風(fēng)力或者水的浮力等而受到上拔荷載,設(shè)置抗拔樁是常采用的一種解決基礎(chǔ)抗拔或者抗浮的方法,基礎(chǔ)抗拔問(wèn)題如果處理不好將會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。因此,確定其單樁抗拔極限承載力的大小是樁基礎(chǔ)工程中研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

        SHANKER K 等人[1]依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果提出了一個(gè)在砂類(lèi)土中預(yù)測(cè)抗拔樁極限承載能力的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。酈建俊等人[2]利用極限平衡法,在假設(shè)滑移面為冪函數(shù)形式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了分層地基中極限承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。馬杰等人[3]通過(guò)抗拔樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了樁側(cè)阻力軟化特性。周俊鵬等人[4]實(shí)施了黃土地基上的抗拔與抗壓試驗(yàn),分別研究樁的受力性能。羅耀武[5]研究了開(kāi)挖對(duì)抗拔樁極限承載力的影響。孫洋波[6]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了適用于軟土地區(qū)擴(kuò)底抗拔樁單樁承載力計(jì)算公式。已有的基樁研究,針對(duì)某種特定樁型做一系列的單樁抗拔極限承載力破壞試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)較少,而鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁在實(shí)際工程中應(yīng)用又非常廣泛,因此,本研究針對(duì)鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)極限抗拔試驗(yàn),研究其極限抗拔承載力與承載力特征值的比值大小規(guī)律和影響因素,對(duì)指導(dǎo)其設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

        1 等截面抗拔樁的破壞形態(tài)及極限承載力理論取值

        影響樁的破壞形態(tài)有多種因素,破壞形態(tài)主要有以下3種[7-9]。

        1.1 沿樁土接觸面發(fā)生圓柱型剪切破壞

        如圖1?所示,這是經(jīng)常出現(xiàn)的一種破壞形態(tài)??拱螛吨饕蓚?cè)摩阻力抵抗樁頂荷載,當(dāng)側(cè)摩阻力達(dá)到極限值時(shí),樁土之間的相對(duì)位移會(huì)逐漸增大,然后達(dá)到臨界值,樁從土中被拔出而破壞。該破壞形態(tài)下的極限抗拔承載力可按式⑴計(jì)算[8-10]:

        式中:Pu為等截面抗拔樁的極限抗拔承載力(kN);W為樁的自重(地下水以下取有效自重,kN);d為樁的樁徑(m);L為樁的樁長(zhǎng)(m);K為側(cè)壓力系數(shù);γ為土的有效重度平均值(kN/m3);φ為樁周土的平均有效內(nèi)摩擦角(°)。

        1.2 與樁長(zhǎng)等高的倒圓錐臺(tái)形剪切破壞

        這種破壞形式不常見(jiàn),其樁身與樁周土的粘結(jié)效果很好,樁在上拔時(shí),樁土之間的側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于樁周土體自身的粘結(jié)力,所以在樁上拔過(guò)程中,產(chǎn)生倒圓錐臺(tái)形剪切破壞,如圖1?所示,一般發(fā)生在軟巖層中和樁長(zhǎng)小但樁徑大的抗拔中。這種抗拔樁的極限承載力近似等于樁體自重加上倒錐臺(tái)形的土體重量,計(jì)算公式如式⑵所示:

        Pu=W+Wc⑵

        式中:Wc為倒錐臺(tái)形土體有效重量(kN)。

        1.3 復(fù)合剪切面剪切破壞

        復(fù)合剪切面剪切破壞如圖2 所示,這種破壞形式經(jīng)常是土體由一個(gè)破壞面開(kāi)始發(fā)展為多個(gè)破壞面,主要發(fā)生在樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)和硬黏土土層中。由于樁長(zhǎng)較長(zhǎng),從上到下穿過(guò)不同的土層,各土層性質(zhì)復(fù)雜,所以各層土與樁之間的粘結(jié)力也不一樣,因此樁上拔過(guò)程中,樁周土體會(huì)產(chǎn)生多個(gè)截面的剪切破壞。

        對(duì)于圖2?中的剪切破壞,抗拔極限承載力近似等于下半部分發(fā)生圓柱形剪切破壞的樁體樁側(cè)阻力與樁身自重以及樁體上半部分倒錐臺(tái)形的土體重量之和,計(jì)算公式如式⑶所示:

        2 單樁豎向抗拔破壞試驗(yàn)

        2.1 工程概況

        本次抗拔樁極限承載力試驗(yàn)樁共10根,采用預(yù)應(yīng)力管樁和鋼管樁兩種樁型,詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

        表1 試驗(yàn)樁參數(shù)Tab.1 Test Pile Parameters

        2.2 工程地質(zhì)

        本場(chǎng)地的地質(zhì)情況,以鉆孔1為例,地層由上至下依次為:

        ⑴雜填土:黃褐,中密,很濕,可塑,雜色,稍密,主要由混凝土和鉆渣組成,欠固結(jié),土質(zhì)不均。分層厚度2.6 m。

        ⑵淤泥質(zhì)土:黃褐,稍密,很濕,可塑,灰黑色,飽和,流塑,含腐殖味,有臭味,下部有較多的砂。分層厚度1.8 m。

        ⑶細(xì)中砂:黃,中密,飽和,不均勻,灰黑色,分選性較好,松散,粘粒成分較高,石英質(zhì),顆粒較均勻。分層厚度1.4 m。

        ⑷粉質(zhì)粘土:雜色,中密,飽和,不均勻,圓,黃褐色,可塑,粘性一般,干強(qiáng)度中等,無(wú)搖震反應(yīng)。分層厚度1.2 m。

        ⑸淤泥質(zhì)土:黃褐,稍密,很濕,可塑,灰黑色,飽和,流塑,含腐殖味,有臭味,下部有較多的砂。分層厚度2.8 m。

        ⑹粗砂:黃褐色,灰白色,分選性較好,飽和,中密,局部礫砂含量較多,粒徑不均。分層厚度5.1 m。

        ⑺礫砂:黃褐色,灰白色,分選性較好,飽和,中密,石英質(zhì),粒徑不均。分層厚度2.0 m。

        ⑻強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r:灰黑色,巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,巖芯破碎,呈半巖半土狀,局部為碎塊狀。分層厚度1.9 m。

        ⑼微風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r:灰黑色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,巖芯較完整,巖芯呈短柱狀,長(zhǎng)柱狀,局部為機(jī)械攪碎呈塊狀,錘擊聲脆,RQD=81%。分層厚度1.4 m。

        2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        本試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn),得到抗拔樁在上拔過(guò)程中的荷載-位移曲線(xiàn),位移-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線(xiàn),從而確定單樁豎向抗拔極限承載力。試驗(yàn)加載方法采用慢速維持荷載法,當(dāng)樁頂上拔量速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),再施加下一級(jí)荷載。加載采用逐級(jí)等量加載,每級(jí)加載量取分級(jí)荷載;如加載至靜載試驗(yàn)最大荷載值仍未發(fā)生破壞,則繼續(xù)按照分級(jí)荷載逐級(jí)加載,直至破壞。卸載按照《建筑地基基礎(chǔ)檢測(cè)規(guī)范:廣東省規(guī)范DBJ/T 15-60—2019》執(zhí)行。

        2.3.1 受力主筋設(shè)計(jì)受力主筋設(shè)計(jì)如式⑸所示:

        式中:Nt為鋼筋的極限抗拉承載力(N);d為鋼筋直徑(mm);fsk為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)。

        本輪試驗(yàn)采用鋼筋HRB400,直徑d為25 mm,極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為540 N/mm2,計(jì)算出單根鋼筋的極限抗拉承載力為264.93 kN。

        以鋼管樁受力主筋設(shè)計(jì)為例,根據(jù)靜載試驗(yàn)荷載值,考慮到鋼筋需要搭接并可能會(huì)彎折一定角度,將最大試驗(yàn)荷載乘以安全系數(shù)1.2,計(jì)算所需鋼筋數(shù)量如表2所示。

        表2 受力主筋設(shè)計(jì)Tab.2 Design of Stressed Main Reinforcement

        2.3.2 鋼筋焊接搭接計(jì)算長(zhǎng)度

        鋼筋接頭焊縫的抗剪承載力設(shè)計(jì)值按式⑹計(jì)算:

        式中:Rf為鋼筋接頭焊縫的抗剪承載力設(shè)計(jì)值(N);h為焊縫厚度(mm),約按0.3 取用;l為鋼筋搭接焊縫長(zhǎng)度(mm);ft為焊縫抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2),對(duì)HRB400級(jí)鋼筋取用200 N/mm2。

        為保證焊縫具有足夠的抗力,應(yīng)使Rf>Nt,則有:

        單面焊接長(zhǎng)度為7.1d,雙面焊為4d,d為25 mm。由于搭接到樁體上,并考慮實(shí)際的一些操作因素,比如焊接不滿(mǎn)焊,操作不熟練,焊接參數(shù)選擇不當(dāng),為改善鋼筋搭接根部熱影響而局部減薄焊縫等,鋼筋焊接長(zhǎng)度還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況乘以安全系數(shù)2.0~2.5,因此焊縫長(zhǎng)度建議為8d(200 mm)及以上,焊接長(zhǎng)度還可根據(jù)實(shí)際需要再適當(dāng)增長(zhǎng)。

        2.4 試驗(yàn)結(jié)果

        本次試驗(yàn)樁抗拔結(jié)果如表3所示。

        從表3 可以得到,6 根鋼管樁的試驗(yàn)極限值與承載力特征值的比值平均值為3.05,介于2.1 倍~3.8 倍,但都高于2 倍,而4 根預(yù)應(yīng)力管樁相應(yīng)的比值為2.3,介于1.8倍~2.6倍。由此可以知道,鋼管樁的設(shè)計(jì)安全系數(shù)實(shí)際高于預(yù)應(yīng)力管樁,具有2 倍承載力特征值左右的安全空間,而預(yù)應(yīng)力管樁受力設(shè)計(jì)也具有1.3 倍承載力特征值左右的安全空間。

        表3 試樁抗拔結(jié)果Tab.3 Uplift Results of Test Piles

        觀(guān)察鋼管樁的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),隨著樁的承載力特征值增大或者入土樁長(zhǎng)的增加,試驗(yàn)極限值與承載力特征值的比值反而越小的趨勢(shì);預(yù)應(yīng)力管樁的數(shù)據(jù)表明,隨著樁的承載力特征值增大,該比值并無(wú)明顯增大或減小的趨勢(shì)。

        在本試驗(yàn)中,鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)生抗拔破壞時(shí),最大上拔位移均基本處于30~40 mm,具有統(tǒng)一性,可為設(shè)計(jì)提供參考。

        3 結(jié)論

        本文通過(guò)開(kāi)展對(duì)6 根鋼管樁和4 根預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔破壞試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn):

        ⑴對(duì)于鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁,按照經(jīng)驗(yàn),極限抗拔力取承載力特征值的2 倍是合理的,鋼管樁取2 倍值偏保守,承載力特征值較小的鋼管樁相對(duì)特征值較大的鋼管樁具有更大的安全系數(shù)。

        ⑵ 鋼管樁的抗拔極限值與承載力特征值的比值,隨著承載力特征值的增大呈現(xiàn)出越小的趨勢(shì),而預(yù)應(yīng)力管樁的抗拔極限值與承載力特征值的比值并無(wú)明顯增大或減小的趨勢(shì)。

        ⑶入土樁長(zhǎng)對(duì)于鋼管樁試驗(yàn)極限值與承載力特征值的比值影響較明顯;本試驗(yàn)場(chǎng)地,鋼管樁和預(yù)應(yīng)力管樁發(fā)生抗拔破壞時(shí),最大上拔位移均基本處于30~40 mm,具有統(tǒng)一性。

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