徐 凱

(廣州市市政工程試驗檢測有限公司,廣東 廣州 510520)

0 引言

樁的現(xiàn)場靜載試驗是目前公認(rèn)的獲得樁基承載機(jī)理和變形性狀的最直觀和最有效的方法。靜載試驗不但能夠獲取樁基設(shè)計參數(shù)和施工質(zhì)量控制參數(shù)[1-2],同時還可對樁基型式和樁底持力層進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計,使得樁-土協(xié)調(diào)工作,最大化地發(fā)揮地基承載能力與樁基自身強(qiáng)度的作用,從而達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[3-4]。對于灌注樁的荷載傳遞規(guī)律[5],國內(nèi)外均有較全面和系統(tǒng)的研究,并有較為成熟的理論成果。但對靜壓預(yù)應(yīng)力管樁,由于在其樁身上埋設(shè)測試元件技術(shù)難度較高,導(dǎo)致目前國內(nèi)外關(guān)于靜壓預(yù)應(yīng)力管樁荷載傳遞規(guī)律的試驗較少,因此靜壓預(yù)應(yīng)力管樁的承載特性[6]難以得到較為系統(tǒng)的研究。本文通過預(yù)應(yīng)力管樁的試樁靜載荷試驗結(jié)果,研究靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在軸向荷載作用下的承載特性,并分析樁側(cè)摩阻力與樁端阻力在豎向荷載作用下兩者的工作機(jī)制及變化規(guī)律。

1 試驗方案

本次研究主要在管樁的土層交接處的樁身和樁底埋應(yīng)變計,在樁每一檢測部位對稱埋置應(yīng)變計2個,4號、5號樁每樁8個部位共埋置16個應(yīng)變計。2號、9號樁每樁7個部位共埋置14個應(yīng)變計。表1為試樁樁長及超前鉆土層情況。

表1 試樁情況一覽表

壓樁施工時,記錄每米壓力值。壓至離設(shè)計樁底標(biāo)高0.5 m～1.0 m處復(fù)壓3次,記錄壓力與沉降量[7]。壓至距樁底標(biāo)高0.05 m～0.1 m處再復(fù)壓3次。

慢速靜載試驗選用1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號和9號樁共9根管樁進(jìn)行對比研究。其中,在試驗過程中,對2號、4號、5號和9號樁進(jìn)行樁身應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)時監(jiān)測。

2 試驗數(shù)據(jù)的理論分析

2.1 截面彈性應(yīng)變值

對同一應(yīng)變計,加載越大,相對應(yīng)的殘余應(yīng)變也越大[8]。分析時假定殘余應(yīng)變與加載是線性關(guān)系,則最終測得的殘余應(yīng)變是對應(yīng)最大加載的,其他各級加載對應(yīng)的殘余應(yīng)變按式(1)調(diào)整:

(1)

2.2 土層承載力

計算出樁身各斷面的軸力值后,各層土的摩阻力和端阻力[9]分別按式(2),式(3)計算:

(2)

(3)

其中,qsi為樁身第i斷面與第i+1斷面間的軸向側(cè)摩阻力;qsn為樁端應(yīng)變計下0.5 m的側(cè)摩阻力;qp為樁的端阻力;u為樁身周長;li為樁第i斷面與第i+1斷面間的樁長;Qn為樁端軸力。

3 靜壓預(yù)應(yīng)力管樁承載特性分析

3.1 荷載-沉降曲線分析

圖1為2號、4號、5號、9號樁在間歇期為一個月時的靜載荷試驗。圖2為1號、3號、6號、8號預(yù)應(yīng)力管樁在間歇期約為2年的載荷試驗結(jié)果。

由圖1和圖2可知,4號樁的Q-s曲線呈緩變型,而1號、3號樁的Q-s曲線呈陡降型,且承載力較4號樁的承載力小很多。5號樁和6號樁Q-s曲線呈陡降型,5號樁的極限承載力要比6號樁的極限承載力要小一些。8號樁和9號樁Q-s曲線均為陡降型,兩者的極限承載力較為接近。造成這些現(xiàn)象的原因為兩年地下水的變化造成樁端土層風(fēng)化現(xiàn)象進(jìn)一步發(fā)展,從而降低樁端土承載力。持力層為礫質(zhì)黏性土?xí)r,雖然地下水的變化軟化樁端土,但影響程度較小。

3.2 壓樁力與壓入深度曲線分析

圖3為壓樁力與深度的變化曲線,由圖3可知,當(dāng)管樁入土深度小于10 m時,壓樁力并不隨入土深度的增加而線性增加,且該范圍內(nèi)的壓樁力較小,僅為160 kN～440 kN;當(dāng)管樁入土深度大于10 m且小于14 m時,隨著入土深度的增加,壓樁力大部分在600 kN～1 640 kN之間變化,這是因為管樁進(jìn)入礫砂層,土質(zhì)情況較好,因此需要較大的壓樁力才能穿過。當(dāng)預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)入礫質(zhì)黏性土?xí)r,壓樁力又減小一些,再到全風(fēng)化粗?；◢弾r,隨著入土深度的增加,壓樁力又逐漸增大,大部分壓樁力在950 kN～2 100 kN之間變化,最大達(dá)到4 000 kN。進(jìn)入到強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r后,壓樁力顯著增大,壓樁力在1 610 kN～3 600 kN之間。

3.3 樁側(cè)摩阻力性狀分析

2號、4號、5號、9號樁的樁側(cè)摩阻力與入土深度曲線見圖4。由圖4可知,當(dāng)荷載較小時,樁上部土層側(cè)摩阻力增加相較于下部土層快。側(cè)摩阻力分布圖中樁身入土深度大概6 m以上的土層,在第三級荷載以后側(cè)摩阻力接近或達(dá)到極限側(cè)摩阻力,土體側(cè)阻力隨著荷載增加幾乎不變或小幅增長。當(dāng)豎向荷載較大時,樁上部土層已達(dá)到極限荷載,當(dāng)荷載增加時,樁下部土層側(cè)摩阻力也隨之增長。當(dāng)荷載接近或達(dá)到最大加載荷載時,預(yù)應(yīng)力管樁的樁側(cè)摩阻力大部分都達(dá)到極限摩阻力,樁端阻力將發(fā)揮重要作用。

由圖4還可以看到,各管樁的側(cè)阻力較JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范推薦的經(jīng)驗值要大,尤其是樁端附近的側(cè)阻力相對于樁基規(guī)范有明顯的增大[10]。強(qiáng)風(fēng)化層側(cè)摩阻力的實(shí)測值為219 kPa,而樁基規(guī)范中的推薦值140 kPa～160 kPa,該現(xiàn)象與樁側(cè)土的擠密及樁端土壓實(shí)有關(guān)。

3.4 樁側(cè)阻力和樁端阻力之間的關(guān)系

2號、4號、5號、9號樁的樁側(cè)阻力、樁端阻力分擔(dān)荷載的比例關(guān)系見圖5。由圖5可知,2號、5號和9號樁表現(xiàn)為摩擦樁特征,在荷載作用下,樁側(cè)阻力發(fā)揮主要作用,承擔(dān)大部分荷載,而樁端承擔(dān)的荷載較小。當(dāng)達(dá)到破壞荷載時,樁側(cè)阻力所占比例略有下降,而樁端阻力所占比例略有上升。4號樁表現(xiàn)為摩擦端承樁的特征,在荷載不大時,樁側(cè)阻力占主要地位,承擔(dān)大部分荷載,而樁端承擔(dān)的荷載較小。隨著荷載的不斷增加,樁側(cè)阻力所占比例逐漸下降,而樁端阻力所占比例顯著上升,這是因為4號樁的持力層為強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r層,樁端土質(zhì)情況較好,端承力較大,而2號、5號和9號樁持力層為全風(fēng)化粗粒花崗巖層或礫質(zhì)黏性土,樁端土質(zhì)情況較為軟弱,端承力相對較小。

4 結(jié)論

本項目通過試樁的靜載荷試驗結(jié)果,研究靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在軸向荷載作用下的承載特性,并分析樁側(cè)摩阻力與樁端阻力在豎向荷載作用下兩者的工作機(jī)制及變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:

1)影響靜壓預(yù)應(yīng)力管樁承載和沉降特性的主要因素有:樁身入土深度、成樁擠土效應(yīng)、樁端持力層類型、靜壓沉樁施工方法、終壓力值和時間效應(yīng)等。

2)當(dāng)持力層為強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化層時,靜壓預(yù)應(yīng)力管樁的極限承載力會產(chǎn)生一定程度上的降低,靜壓預(yù)應(yīng)力管樁的設(shè)計要考慮長期地下水變化對管樁樁端持力層造成的影響。

3)樁側(cè)土的擠密和端阻的增強(qiáng)效應(yīng),使得樁端附近的側(cè)阻力相對于樁基規(guī)范中的經(jīng)驗值更大。