樁周土開挖條件下鋼管樁屈曲穩(wěn)定性試驗研究

賈強，欒樹， 李際平，張鑫

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南，250100；2. 山東省建筑結構鑒定加固與改造重點實驗室，山東 濟南，250100)

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樁周土開挖條件下鋼管樁屈曲穩(wěn)定性試驗研究

賈強1,2，欒樹1,2， 李際平1,2，張鑫1,2

(1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南，250100；2. 山東省建筑結構鑒定加固與改造重點實驗室，山東 濟南，250100)

既有建筑物增設地下空間時，需要運用樁基礎支撐上部建筑物，才可開挖建筑物下面的土方。隨著樁周土減少，樁的屈曲穩(wěn)定性會相應減少。文章在模型箱內利用杠桿加載的方式對不同開挖深度條件下的鋼管樁的屈曲承載力進行了研究和測試，分析了其相應的穩(wěn)定系數(shù)。結果表明：當樁頂加載達到極限荷載時，樁身會出現(xiàn)突然的屈曲破壞；開挖比較小時，屈曲位置出現(xiàn)在樁土交界面附近，隨著開挖比的增加，屈曲位置明顯上移；隨著樁周土開挖深度增加，樁的穩(wěn)定系數(shù)隨之減小，當鋼管樁下端處于嵌固狀態(tài)時，其穩(wěn)定系數(shù)比處于非嵌固狀態(tài)時明顯要大；鋼管樁中部增設了水平拉接桿件后，其穩(wěn)定性明顯提高；樁周土的開挖比>0.5時，回轉半徑較大的鋼管樁穩(wěn)定性系數(shù)較大；當其值<0.5時，回轉半徑較大的鋼管樁穩(wěn)定性系數(shù)較小。

樁周土開挖；屈曲穩(wěn)定性；穩(wěn)定系數(shù)

0　引言

目前，有序、合理、綜合、高效地開發(fā)利用既有建筑物地下空間資源，成為擴充基礎設施容量，提高城市綜合防災能力，提高土地利用效率與節(jié)約土地資源的最為有效的途徑之一[1]。既有建筑物地下空間開發(fā)的核心技術是樁基礎托換和土方開挖。在既有建筑物下方興建地下室時，需要運用原樁基礎或增設新的樁基礎支撐上部建筑物，才可開挖建筑物下面的土方[2]。土方開挖過程中，隨著樁周土減少和樁基礎的暴露，被開挖托換樁周邊側阻力相應減少，同時樁周土的挖除會減少對樁的水平約束，進而降低其穩(wěn)定性[3-4]。

在北京市音樂堂改建工程中，將獨立柱基礎框架結構的觀眾廳新增一層高為6.5 m的地下室。為了防止樁基失穩(wěn)，選用了深為8 m的人工挖孔端承樁的方案，其樁徑達到1 m[5]?；窗?5層(局部17層)框—剪結構商住樓，采用長度為21 m、直徑為0.8和1 m兩種鉆孔灌注樁支撐上部結構，增設兩層地下室[6]。濟南商埠區(qū)某歷史建筑地下增層中，采用了微型鋼管樁托換支撐既有建筑的方案，為了保證樁的穩(wěn)定性，樁周土每開挖一定深度，鋼管間就設置一道拉結支撐桿件[7]。在此類既有建筑地下增層工程中，由于托換荷載大，如何保證樁周土開挖過程中托換樁的穩(wěn)定性成為關鍵技術問題。

目前，對埋置在土體中的混凝土樁在計算樁身軸心抗壓強度時，一般不考慮壓曲的影響，即取穩(wěn)定系數(shù)φ=1.0，但對于上部處于沒有土體約束的自由狀態(tài)的高承臺樁，應對樁的壓曲穩(wěn)定性進行驗算。JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》[8]第5.8.4條的規(guī)定，應根據(jù)樁頂約束情況、樁身露出地面的自由長度、樁的入土長度、樁側和樁底的土質條件確定樁身壓屈計算長度。早在 20世紀20年代，F(xiàn)orsesn提出了拼柱式高橋墩的穩(wěn)定性研究難點在于樁周土體的約束作用不易確定，胡人禮首先基于“m”法提出一組樁身計算長度的經驗計算公式，現(xiàn)仍被有關規(guī)范采用[9]。之后,許多學者采用引入最小勢能原理、變分法、伽遼金法能量法等對樁的屈曲穩(wěn)定性進行了理論研究[10-12]。另有部分學者采用鋼軌樁、鋼管樁、銅樁、木樁以及鋁樁對樁的屈曲穩(wěn)定性進行試驗研究，取得大量的研究成果[11-13]。賈強等針對地下增層中鋼管托換樁的受壓穩(wěn)定性進行了初步試驗研究，提出了底端固定、頂端鉸接的鋼管計算長度系數(shù)為0.616。但該試驗缺少不同開挖深度的對比試驗數(shù)據(jù)[12-14]。

文章針對樁周土體開挖卸荷條件下的鋼管樁樁身穩(wěn)定性進行試驗研究，通過測試樁身極限承載力及應力分布規(guī)律，分析不同開挖深度和不同的約束形式對鋼管樁屈曲穩(wěn)定性的影響，提出其穩(wěn)定性系數(shù)，為地下增層托換樁的設計提供理論支持。

1　模型試驗的準備

1.1模型箱設計

試驗模型箱邊長為1 m×1 m、高為1.5 m上面開口，由三塊厚度為10 mm的鋼板和L75×5的等邊角鋼組裝焊接而成。為了裝卸土方便，箱體一側安裝可拆卸式擋板，擋板對面鋼板頂端焊接一U型套箍，作為杠桿加載裝置的支點。模型箱示意圖如圖1所示。

1.2試驗加載裝置

文中試驗采用杠桿加載法，杠桿由2個16號槽鋼對焊而成，一端穿入箱頂套箍內，中部通過套管向鋼管樁加載，杠桿荷載放大系數(shù)為3，加載裝置示意圖如圖2所示。

1.3鋼管樁的選用

根據(jù)工程中常用鋼管樁長徑比，選用試驗樁樁長分別為1.2 m，外徑分別為16和20 mm，壁厚為1.0 mm，材料強度等級為Q235。為準確獲得鋼材的極限抗拉強度值，在鋼管上截取材料加工成寬度為4 mm、長度為400 mm的三組試件進行拉伸試驗，得到其極限抗拉強度見表1。

在樁側面垂直于杠桿加載平面上粘貼應變片，沿樁身等間距(200 mm)布設，通過靜態(tài)應變儀測出鋼管樁樁身應變(如圖3所示)。

圖1　模型箱示意圖/mm(a) 平面圖;(b) 立面圖

圖2　加載裝置示意圖/mm

圖3　樁身應變片布置圖

組號123極限拉力/kN2.0301.9662.046抗拉強度值/MPa270262272

1.4樁周土參數(shù)

樁周土選用中砂，其物理力學參數(shù)見表2。為測試代表樁周土對鋼管樁的約束程度的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，將樁長1000 mm鋼管樁埋入模型箱，在樁頂通過彈簧測力計施加水平拉力，用百分表測得樁頂位移，得到樁的水平力—位移曲線如圖4所示。

利用JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》[8]附錄E.0.8條公式，計算得到樁周土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)值為6.93 MN/m4。

表2　樁周土物理力學參數(shù)

1.5試驗工況

鋼管樁樁長1.2 m，樁周土的開挖深度分別為0、0.35、0.55、0.75和1.20 m，相應開挖深度與樁長的比值(以下簡稱“開挖比”)為0、0.29、0.46、0.63和1。樁兩端的約束方式：樁的頂端通過轉軸于杠桿相連，可視為鉸接；樁的底端有非嵌固和嵌固兩種

方式，非嵌固是將鋼管插入焊接在底板的短鋼筋上，嵌固則上將鋼管下端圍焊在邊長為0.8 m的正方形鋼板上。另外，為了驗證在樁頂部和樁身中部設置水平拉接桿件對于提高樁身穩(wěn)定的有效性，模型箱對角線方向焊接鋼筋在兩側對樁身形成約束(如圖5所示)。

圖4　樁的水平力-位移關系曲線圖

圖5　樁身中部增設水平拉接桿件圖

1.6加載方法

試驗用砝碼和砂袋加載。加載水平在預估屈曲極限荷載80%以下時，每級加載量為極限荷載的10%；超過80%后每級加載量為極限荷載的5%。每級加載待靜態(tài)應變儀讀數(shù)穩(wěn)定后5 min讀取應變值，記錄數(shù)據(jù)后再進行下一級的加載。

2　試驗結果及分析

2.1試驗現(xiàn)象

當樁頂加載達到極限荷載時，樁身出現(xiàn)突然屈曲破壞。開挖比較小時，屈曲位置出現(xiàn)在樁土交界面附近(如圖6所示)；隨著開挖比的增加，屈曲位置明顯上移。

2.2樁身應變

通過靜態(tài)應變儀測試了樁身不同埋深處的荷載與應變關系曲線。其中，樁長為1.2 m、外徑為16 mm、壁厚為1 mm的鋼管樁，約束形式為上端鉸接，下端非嵌固，樁周土開挖350 mm樁頂荷載—應變曲線圖如圖7所示。

圖6　鋼管樁的屈曲破壞位置圖

圖7　樁身荷載—應變曲線圖

從圖7可以看出，在樁頂荷載達到極限荷載之前，鋼管樁的荷載應變關系為線性增長，當樁頂荷載達到極限荷載時，屈曲位置附近的應變急劇增加。

2.3鋼管樁穩(wěn)定系數(shù)影響因素分析

GB 50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》中[15]，軸心受壓構件的穩(wěn)定性按式(1)計算為

(1)

式中：N為軸心壓力，N；A為截面面積，m2；f為材料強度，Pa；φ為穩(wěn)定性系數(shù)。

通過試驗得到鋼管樁的受壓極限荷載，以及鋼管截面面積和實測材料強度，可反算出樁的穩(wěn)定性系數(shù)。

不同組合工況下，不同開挖比的樁頂極限荷載、穩(wěn)定系數(shù)等試驗和計算結果見表3。

表3　鋼管樁不同開挖比穩(wěn)定性試驗和計算結果

將表3中不同回轉半徑鋼管在樁底為非嵌固和嵌固兩種約束狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)—開挖比關系繪制成曲線，如圖8(a)、(b)所示。

2.3.1開挖比

通過圖8的曲線可以看出，隨著開挖比的增加，鋼管樁的穩(wěn)定系數(shù)明顯下降。這說明樁周土的約束作用明顯提高了樁的穩(wěn)定性。

2.3.2樁端和樁身約束

比較圖8可知，樁下端處于嵌固狀態(tài)時，穩(wěn)定系數(shù)比處于非嵌固狀態(tài)時明顯要大。這說明鋼管樁下端嵌固在巖石中，對提高其穩(wěn)定性明顯是有利的。

鋼管樁中部增設了水平拉接桿件后，在相同的開挖比(0.625)和樁底約束條件下，穩(wěn)定性系數(shù)提高了1.39倍。這是由于增設水平拉接桿件后，鋼管樁的計算長度明顯減少，從而減少了長細比，提高了穩(wěn)定性系數(shù)。

2.3.3回轉半徑

從圖8中還可以看出，在樁周土的開挖比較大時(>0.5)，回轉半徑較大的鋼管樁穩(wěn)定性系數(shù)較大。這是因為開挖比大時，樁周土的約束明顯減弱，相同的計算長度回轉半徑較大的鋼管長細比小，穩(wěn)定性系數(shù)較高。相反，樁周土的開挖比較小時(<0.5)，回轉半徑較大的鋼管樁穩(wěn)定性系數(shù)較小。此時，鋼管大部分埋在土體中，樁周土對鋼管的約束明顯。外徑為20 mm的鋼管與外徑為16 mm相同壁厚(1 mm)的鋼管相比，回轉半徑增大了1.26倍，而其抗彎剛度增大了2.03倍。因此，達到臨界荷載前外徑大的鋼管引起的深層土體中的變形小，樁周土的約束力小，其穩(wěn)定性系數(shù)相應變小。

事實上，影響鋼管樁穩(wěn)定性的因素不僅僅是開挖比、回轉半徑、兩端約束和增設水平拉接桿件等，樁周土的水平抗力系數(shù)也是重要因素，但本試驗僅選用了砂質土，其他類型土對樁穩(wěn)定性的影響需做進一步的試驗研究。

圖8　不同回轉半徑鋼管樁的穩(wěn)定性系數(shù)—開挖比關系曲線圖(a)樁底非嵌固；(b)樁底嵌固

3　工程驗證

濟南皮膚病醫(yī)院位于濟南市中山公園東老商埠一期地塊內，為單層帶局部地下室的砌體結構，建筑面積約165.08 m2，為仿德式歷史風貌建筑(如圖9所示)。山東融匯建設開發(fā)有限公司在對該地塊開發(fā)的同時，擬對該建筑原址保護，并在其下方增設三層地下停車場[7]。

圖9　濟南皮膚病醫(yī)院南立面圖

工程共使用48根直徑為146 mm、壁厚為12 mm的無縫鋼管支撐上部結構，鋼管長度為15 m(下端進入中風化巖層1 m)。支撐鋼管和墻體托換梁的平面布置圖如圖10所示。為了保證土方開挖過程中鋼管樁的穩(wěn)定性，對開挖過程進行了數(shù)值模擬，并借鑒了本試驗結果，提出了每向下開挖2.5 m，在鋼管間設置一道水平和斜向的拉結支撐桿件的設計方案。土方開挖至底板設計標高，施工現(xiàn)場情況如圖11所示。在樁周土開挖過程中，用光柵應變計對鋼管的應力變化進行觀測，結果在31.3～46.4 N/mm2范圍內，其值遠小于鋼管強度設計值215 N/mm2。

圖10　鋼管樁和托換梁平面布置圖/mm

圖11　土方開挖至底板設計標高的施工現(xiàn)場圖

4　結論

通過上述研究可知：

(1) 開挖比較小時，鋼管樁受壓屈曲位置出現(xiàn)在樁土交界面附近；隨著開挖比的增加，屈曲位置明顯上移。隨著樁周土開挖深度增加，其對鋼管樁的約束減少，樁的穩(wěn)定系數(shù)隨之減小。

(2) 鋼管樁下端處于嵌固狀態(tài)時，其穩(wěn)定系數(shù)比處于非嵌固狀態(tài)時明顯要大。鋼管樁中部增設了水平拉接桿件后，其穩(wěn)定性明顯提高。樁周土的開挖比>0.5時，回轉半徑較大的鋼管樁穩(wěn)定性系數(shù)較大；樁周土的開挖比<0.5時，回轉半徑較大的鋼管樁穩(wěn)定性系數(shù)較小。

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(學科責編：吳芹)

Experimental study on steel pipe pile bucking stability under excavation conditions

Jia Qiang1,2，LuanShu1,2，Li Jiping1, 2，etal.

(1. School of Civil Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China；2. Shandong Provincial Key Laboratory of Appraisal and Retrofitting in Building structures, Jinan 250100, China)

The underpinning pile can be used to support the existing building for construction of basement. The soil excavation around the pile can decrease the bearing capacity of piles. The piles bucking stability in different excavation depth was tested in model box by pry bar loading devise. Then, the stability coefficient was calculated. The test results indicate：when the loads on the top of the pile reaching ultimate load, the body of the pile appears the buckling deformation. At the beginning of soil excavation, the buckling location of pile is near the interface of the pile and soil. The deeper soil excavation, the higher location of pile buckling; The stability coefficient decreases with the soil excavation around the pile;the stability coefficient with end build-in is higher than with end non embedded;the stability coefficient of piles increases obviously after the horizontal components installed on the piles;the stability coefficient of piles with high radius of gyration is bigger than with low radius of gyration when the ratio of excavation depth to length of pile over 0.5; on the contrary, the stability coefficient of piles with high radius of gyration is smaller than with low radius of gyration when the ratio of excavation depth to length of pile under 0.5.

soil excavation around the pile; bucking stability; stability coefficient

2015-11-03

國家自然科學基金項目(51278286)；教育部創(chuàng)新團隊項目(IRT13075)

賈強(1970-)，男，教授，博士，主要從事建筑物鑒定加固等方面的研究.E-mail:jiaqiang@sdjzu.edu.cn

1673-7644(2016)02-0103-06

TU473

A