靜鉆根植樁抗拔荷載傳遞機(jī)理試驗(yàn)研究

文/邢 軍 杭州景觀園林建筑設(shè)計(jì)有限公司 浙江杭州 310012陳振東 江蘇誠達(dá)建筑有限公司寧波分公司 浙江寧波 315000吳磊磊、嚴(yán)天龍、陳洪雨 中淳高科樁業(yè)股份有限公司 浙江寧波 315000

?

靜鉆根植樁抗拔荷載傳遞機(jī)理試驗(yàn)研究

文/邢 軍 杭州景觀園林建筑設(shè)計(jì)有限公司 浙江杭州 310012
陳振東 江蘇誠達(dá)建筑有限公司寧波分公司 浙江寧波 315000
吳磊磊、嚴(yán)天龍、陳洪雨 中淳高科樁業(yè)股份有限公司 浙江寧波 315000

【摘要】靜鉆根植樁通過采用擴(kuò)底及注漿技術(shù)大幅度改善樁周土的物理力學(xué)性狀，最大程度發(fā)揮預(yù)制樁樁身高強(qiáng)承載力性能，達(dá)到比鉆孔灌注樁更為節(jié)約資源的目的。作者在試驗(yàn)樁樁身預(yù)埋鋼筋應(yīng)力計(jì)，通過現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，實(shí)測在拔荷載作用下靜鉆根植樁的受力性狀，對該新樁型的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于樁周土性狀的改良，靜鉆根植樁的樁側(cè)阻力大幅度提高，樁端擴(kuò)底部位的端阻力也得到有效改善。

【關(guān)鍵詞】靜鉆根植樁，靜載試驗(yàn)，應(yīng)力監(jiān)測，受力性狀

1、前言

靜鉆根植樁施工流程為：預(yù)鉆孔后進(jìn)行擴(kuò)底，再注入樁端、樁周水泥漿，最后依靠樁身自重植入高強(qiáng)預(yù)制樁。這種特殊的施工工藝，優(yōu)點(diǎn)一是靜鉆根植樁施工過程中樁孔部位原狀土體經(jīng)攪拌分散后大部分仍保留在孔內(nèi)，未打破地基土的應(yīng)力平衡，不會發(fā)生鉆孔灌注樁泥漿護(hù)壁而導(dǎo)致的應(yīng)力釋放現(xiàn)象；優(yōu)點(diǎn)二是通過樁周注漿，改善樁周土的物理力學(xué)性能，從而提高樁側(cè)阻力；優(yōu)點(diǎn)三是通過可控的液壓技術(shù)進(jìn)行樁端擴(kuò)底操作、并注入水泥漿后形成較高強(qiáng)度的擴(kuò)底構(gòu)造，改善和提高了樁端持力層的承載性能。

鑒于靜鉆根植樁新型的施工工藝，其受力性狀不同于傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁，為了探究靜鉆根植樁的荷載傳遞特性、總結(jié)樁端及樁側(cè)阻力合理計(jì)算方法，給工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，需要深入開展相關(guān)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)及理論分析工作。

本文則通過工程現(xiàn)場試驗(yàn)，在靜鉆根植樁的預(yù)制樁身內(nèi)不同截面預(yù)埋多組鋼筋應(yīng)力計(jì)，進(jìn)行現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，對不同土層的樁側(cè)摩阻力實(shí)測值與估算值以及樁端阻力的實(shí)測值與估算值進(jìn)行對比分析，對其受力性狀做出科學(xué)研究。

2、試驗(yàn)概況

本次荷載傳遞特性試驗(yàn)抗拔樁共兩枚，編號為試樁B、試樁C，配樁形式為PHC 600(110)B-10,15 C80+ PHDC650-500 （100）B-15 C80，樁長40m，鉆孔直徑為750mm，擴(kuò)底直徑為1200mm，擴(kuò)底高度為2400mm.

抗拔靜載試驗(yàn)采用地基土的反力作為荷載，樁身應(yīng)力采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，預(yù)先在室內(nèi)完成標(biāo)定。應(yīng)力計(jì)埋設(shè)主要根據(jù)試樁位置土層分布情況，以主要土層分界面作為埋設(shè)截面。試樁B、C各設(shè)置4個埋設(shè)截面，埋深依次為1m、14.5m、23.5m、39m，每個截面對稱布置2只鋼筋應(yīng)力計(jì)。根據(jù)配樁情況，對需埋設(shè)應(yīng)力計(jì)的樁進(jìn)行埋設(shè)位置的標(biāo)示，確保了現(xiàn)場正確組合配樁。

埋設(shè)有應(yīng)力計(jì)的預(yù)制樁在進(jìn)場時均進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)成活率復(fù)核，結(jié)果表明應(yīng)力計(jì)全部成活。由于受施工過程中若干因素的影響，沉樁完成后部分截面的應(yīng)力計(jì)失效，但均為下部數(shù)據(jù)，其結(jié)果仍有重要意義。

試驗(yàn)場地地基土的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1　地基土物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physico-mechanical indexes of soils in test site

靜鉆根植樁的單樁豎向承載力特征值必須通過靜載荷試驗(yàn)確定，在初步設(shè)計(jì)階段的估算按下式確定：

式中

Tuk-----單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

λi-----抗拔系數(shù)；

除了口服中藥湯劑外，進(jìn)行耳周穴位注射，操作如下：患者取坐位，如單側(cè)耳鳴取患側(cè)耳門、聽宮、聽會及同側(cè)的翳風(fēng)；若為雙側(cè)耳鳴則取雙側(cè)耳門、聽宮、聽會及翳風(fēng)。用10ml注射器抽取藥物注射用燈盞花素（批號：20151203,規(guī)格：20mg,衡陽恒生制藥有限公司生產(chǎn)）20mg（用5ml滅菌注射用水稀釋），常規(guī)消毒耳門、聽宮、聽會、翳風(fēng)穴局部皮膚后，進(jìn)針點(diǎn)選于該穴或其敏感痛點(diǎn)，得氣后，回抽無血，然后緩慢注入藥液，其中耳門、聽宮、聽會各注射1ml，翳風(fēng)穴注射2ml。起針后為防出血可用無菌棉球按壓片刻。穴位注射注射治療隔日一次，5次為1個療程，治療3個療程。

qsik-----樁側(cè)第i 層土（巖）的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，按本地區(qū)混凝土預(yù)制樁實(shí)測值取值；

ui-----樁身周長（PHDC 樁按節(jié)外徑計(jì)算）；

li-----樁穿越第i層土（巖）的厚度；

Gpk-----單樁自重標(biāo)準(zhǔn)值，地下水位以下應(yīng)扣除浮力。

3、單樁靜載荷試驗(yàn)

根據(jù)預(yù)估的單樁極限承載力，試樁B、試樁C最大上拔荷載不小于1760kN。試驗(yàn)中根據(jù)現(xiàn)場情況決定終止加載值。

各抗拔樁的U-δ曲線如圖1、圖2所示。

圖1　試樁B荷載-上拔量曲線Fig. 1 U-δcurve of test pile B

圖2　試樁C荷載-上拔量曲線Fig. 2 U-δcurve of test pile C

由以上U-δ曲線可知，試樁B、試樁C單樁極限抗拔承載力取最大加載值?？拱卧嚇秴R總結(jié)果如表2所示。

表2　抗拔靜載荷試驗(yàn)成果匯總表Table 2 Summary of static tensile load test results

從圖1、圖2看，兩試驗(yàn)樁的荷載與變形關(guān)系仍為緩變性，可見兩樁仍未進(jìn)入真正的極限狀態(tài)。

4、軸力計(jì)算及荷載傳遞分析

靜載荷試驗(yàn)時，每級荷載穩(wěn)定后測定應(yīng)力計(jì)的頻率值，結(jié)合試驗(yàn)前的初始頻率和應(yīng)力計(jì)的標(biāo)定系數(shù)，即可換算應(yīng)力計(jì)所受軸力。鑒于鋼筋應(yīng)力計(jì)和樁身混凝土變形協(xié)調(diào)，即應(yīng)變一致，則可通過應(yīng)力計(jì)受力推算第n個測試截面處樁的軸力大小Qn.

靜鉆根植樁在樁端具有擴(kuò)底構(gòu)造，擴(kuò)底部位水泥土強(qiáng)度高，在該部位軸力計(jì)算時考慮對擴(kuò)底部位水泥土與樁身進(jìn)行復(fù)合計(jì)算。此外，由于現(xiàn)場試驗(yàn)時進(jìn)行了樁頭加固處理，并進(jìn)行了灌芯，故對于樁頂部分也考慮對填芯混凝土進(jìn)行復(fù)合計(jì)算。

兩個測試截面之間的各土層的平均側(cè)摩阻力可由下式計(jì)算得出：

其中，F(xiàn)i表示測試截面之間樁的側(cè)表面積。

圖3　各級荷載下試樁B軸力圖Fig. 3 Axial force of test pile B under different loads

圖4　各級荷載下試樁C軸力圖Fig. 4 Axial force of test pile C under different loads

由各試驗(yàn)樁的軸力圖可知，側(cè)摩阻力從樁身上部先開始發(fā)揮，故在荷載較小時，樁深部的軸力較小，甚至接近于0。隨著荷載增大，側(cè)摩阻力進(jìn)一步發(fā)揮。

所有試驗(yàn)樁的樁頂至以下1m范圍內(nèi)，軸力遞減幅度大，原因一是樁孔內(nèi)較高強(qiáng)度的水泥土芯所發(fā)揮的土塞作用導(dǎo)致，同時大量水泥漿圍繞樁頂與其形成一體，所以側(cè)阻理論計(jì)算截面與實(shí)際截面存在很大差異，導(dǎo)致試驗(yàn)樁均出現(xiàn)淺部樁側(cè)摩阻嚴(yán)重偏大現(xiàn)象。根據(jù)軸力分布情況計(jì)算各截面之間土層平均側(cè)摩阻力，將最大加載荷載時所得的側(cè)摩阻力與地勘提供的極限側(cè)摩阻力進(jìn)行比較，如表3-表4所示。

表3　試樁B最大荷載作用下土層平均側(cè)摩阻力Table3 Average qsi of soil layers under max load of test pile B

表4　試樁C最大荷載作用下土層平均側(cè)摩阻力Table 4 Average qsi of soil layers under max load of test pile C

試樁B、C在14.5m-23.5m均采集到了可靠的數(shù)據(jù)，并由此可以計(jì)算出23.5以下的軸力和側(cè)阻力。從應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果看：

（1）在本次試驗(yàn)的最大拔荷載作用下，0～23.5m范圍內(nèi)土體的側(cè)阻已達(dá)到極大發(fā)揮，尤其是試樁B，側(cè)摩阻力已達(dá)到峰值?？梢?，PHDC竹節(jié)樁抗拔荷載作用下，側(cè)阻仍由上至下漸變發(fā)揮；

（2）從試樁B、試樁C的側(cè)阻分布看，23.5m以上的側(cè)阻發(fā)揮差異較大，這是由于兩樁四周的水泥土作用效果差異引起，對抗拔荷載下的PHDC竹節(jié)樁，樁周的水泥土性狀會直接影響抗拔效果；

（3）在最大抗拔力作用下試樁B、試樁C仍未進(jìn)入真正的極限狀態(tài)，但從兩樁的側(cè)阻發(fā)揮程度分析，真正進(jìn)入極限狀態(tài)時試樁C的抗拔力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試樁B，這為PHDC竹節(jié)樁的抗拔承載力計(jì)算帶來困難；

（4）試樁B、試樁C的抗拔試驗(yàn)結(jié)果，與同直徑的管樁和鉆孔樁相比，應(yīng)有很大優(yōu)勢，這是由于下部竹節(jié)及擴(kuò)大樁端所致。

5、結(jié)語

靜鉆根植樁因施工工藝、構(gòu)造等有別于傳統(tǒng)型，需要對其荷載傳遞特性進(jìn)行深入研究和分析。通過本次試驗(yàn)研究的開展，可以得到以下結(jié)論：

（1）與管樁和鉆孔灌注樁比，靜鉆根植樁使能夠大幅度提高樁側(cè)阻力。

（2）在拔荷載作用下，樁周水泥土性狀對靜鉆根植樁提供的側(cè)摩阻力影響很大，易造成抗拔承載力離散性較大。

（3）靜鉆根植樁的PHDC竹節(jié)和擴(kuò)大樁端，雖然能提高基樁的抗拔承載力，但由于樁側(cè)阻力的離散性，會直接影響其發(fā)揮。

（4）本文采用的靜鉆根植樁抗拔承載力的計(jì)算公式，在充分保證樁周水泥土質(zhì)量的前提下是可靠的。

參考文獻(xiàn)

[1]張日紅，吳磊磊，孔清華.靜鉆根植樁基礎(chǔ)研究與實(shí)踐[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2013,35 （zk2）：1200-1203.

[2]周佳錦，王奎華，龔曉南，等.靜鉆根植竹節(jié)樁承載力及荷載傳遞機(jī)制研究[J]. 巖土力學(xué)，2014,35（5）：1367-1376

【中圖分類號】TU 443

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A