竹節(jié)樁抗拔承載性能研究

陳焰明，吳 蔚，趙 毅

(1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018;寧波原水集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315100)

竹節(jié)樁抗拔承載性能研究

陳焰明1，吳 蔚1，趙 毅2

(1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018;寧波原水集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315100)

通過現(xiàn)場抗拔靜載試驗(yàn)和ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序建模計(jì)算研究竹節(jié)樁抗拔荷載傳遞機(jī)理及承載性能.采用ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序建立了竹節(jié)樁三位實(shí)體模型，并與現(xiàn)場實(shí)測資料對比，驗(yàn)證所建模型的合理性.通過該模型對竹節(jié)管樁抗拔承載力影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明竹節(jié)寬度及竹節(jié)間距對竹節(jié)管樁的抗拔承載力將產(chǎn)生較大影響.

竹節(jié)樁；抗拔承載力；荷載傳遞機(jī)理；三維建模

由于東部沿海地區(qū)地下水位線較高，因此需要設(shè)置樁基礎(chǔ)來提供抗拔力，這種承受抗拔力的樁基礎(chǔ)即為抗拔樁.抗拔樁應(yīng)用廣泛，如高壓輸電線塔、高聳結(jié)構(gòu)、高層及超高層建筑等[1].對于抗拔樁的承載形狀，陳錦劍等針對上海世博地下變電站的抗拔樁設(shè)計(jì)，采用基于非線性有限元的數(shù)值方法對抗拔樁在大面積深開挖過程中的受力特性進(jìn)行了研究[2]；Kulhawy對砂土中的鉆孔灌注樁抗拔性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[3]；羅耀武等針對砂土地基中不同L/d的抗拔樁進(jìn)行了模型試驗(yàn)，模型樁采用了3種不同界面，結(jié)合界面剪切試驗(yàn)探討了樁—土界面特性對抗拔樁荷載—位移曲線、極限承載力及殘余承載力的影響[4].

以上研究都是針對傳統(tǒng)等截面抗拔樁，目前針對竹節(jié)樁抗拔承載性狀的研究剛剛處于起步階段.因此，本文結(jié)合某工程抗拔樁抗拔試驗(yàn)，通過ADINA有限元軟件建立三維實(shí)體模型，研究了竹節(jié)樁抗拔承載機(jī)理，分析了竹節(jié)樁抗拔承載性狀的影響因素.

1 竹節(jié)樁抗拔承載機(jī)理

1.1 竹節(jié)樁工法簡介

竹節(jié)樁工法是一種新型環(huán)保施工工法，由于竹節(jié)樁是在工廠預(yù)制完成，只需在現(xiàn)場進(jìn)行接樁，故不存在泥漿排放問題，且竹節(jié)樁承載性能好，通過竹節(jié)與周圍土層咬合從而提高了抗拔樁的承載力.

竹節(jié)樁具體施工流程可分為以下幾個(gè)部分[5]：

(1)竹節(jié)樁起吊及測量定位：樁基就位后重新調(diào)整樁架垂直，按照吊點(diǎn)位置用壓樁機(jī)吊臂將樁喂入壓樁機(jī)，瞄準(zhǔn)樁位，然后將樁放下使樁尖對準(zhǔn)樁位(見圖1).

(2)靜力壓樁：靜壓沉樁采用液壓式機(jī)械，可分為抱壓式和頂壓式.本工程采用頂壓式樁機(jī)，確保樁帽、壓樁機(jī)導(dǎo)向桿及樁身在同一直線上.

(3)接樁：入土部分機(jī)械連接竹節(jié)樁的樁頭應(yīng)高出地面0.8～1.2 m，竹節(jié)樁吊到位時(shí)方可安裝插桿，采用上螺下頂接樁卡扣連接，同時(shí)在下節(jié)樁端面安放足夠的密封材料(環(huán)氧樹脂).

圖1 竹節(jié)樁起吊

1.2 竹節(jié)樁抗拔承載機(jī)理分析

由于竹節(jié)樁由竹節(jié)及管樁組成，與傳統(tǒng)樁有所區(qū)別，因此，其抗拔承載機(jī)理與傳統(tǒng)樁存在差異.竹節(jié)樁的樁頂抗拔荷載主要由竹節(jié)及管樁承擔(dān)，之后，再傳遞給樁周土層.竹節(jié)樁單元承載機(jī)理(見圖2).

P—竹節(jié)樁樁頂受到的抗拔荷載；F1—竹節(jié)樁的鍥入效應(yīng)；F2—竹節(jié)樁竹節(jié)部分的側(cè)摩阻力；F3—竹節(jié)樁傳統(tǒng)樁壁的側(cè)摩阻力圖2 竹節(jié)樁抗拔承載機(jī)理

2 竹節(jié)樁抗拔靜載試驗(yàn)

該工程為某住宅樓，采用竹節(jié)樁作為抗拔基礎(chǔ)，其中，竹節(jié)樁竹節(jié)部分直徑為500 mm，樁身直徑為460 mm，設(shè)計(jì)有效樁長為38 m，設(shè)計(jì)單樁豎向抗拔承載力特征值為400 kN.場地工程地質(zhì)條件(見表1).

表1 試驗(yàn)場地土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

為確定竹節(jié)樁的抗拔承載力，對該工程中的3根竹節(jié)樁(A331，A5及A182)進(jìn)行單樁豎向抗拔靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)執(zhí)行《建筑樁基監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2014)[6]及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)[7]，采用慢速維持載荷方法分級加載進(jìn)行試驗(yàn)，分級荷載宜為最大加載值的1/10，其中第1級加載量可取為分級荷載的2倍，每級荷載施加之后，應(yīng)分別按照第5 min、15 min、30 min、45 min及60 min測度樁頂上拔量，之后，每隔30 min測度一次，直至上拔量達(dá)到穩(wěn)定不變，再繼續(xù)施加下一級荷載；卸載值為每級加載值的2倍，且維持荷載1 h，并分別在15 min、30 min及60 min測度，卸載至零后測度樁頂殘余上拔量，并維持時(shí)間不小于3 h.

根據(jù)試驗(yàn)所采集的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)整理后獲得竹節(jié)樁抗拔力與上拔量之間的關(guān)系曲線(見圖3).從試樁的P-s曲線中可知，竹節(jié)樁在加載至最大上拔荷載800 kN過程中，與此對應(yīng)的樁頂上拔量連續(xù)、無突變，屬于換變型曲線，結(jié)合規(guī)范可知竹節(jié)樁單樁豎向抗拔承載力特征值為400 kN.

P—樁頂上拔荷載；S—樁頂上拔量圖3 竹節(jié)樁抗拔載荷試驗(yàn)曲線

3 有限元模型分析

由于現(xiàn)場試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，本文結(jié)合ADINA有限元分析軟件分析竹節(jié)樁的抗拔承載機(jī)理.本文將竹節(jié)樁模型定義為線彈性，而樁周土層則采用Mohr-Coulomb模型，考慮到土體自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場，運(yùn)用位移控制法施加豎向荷載[8]，土體參數(shù)參照表1.竹節(jié)樁與土接觸面摩擦系數(shù)μ可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

μ=tanψ

(2)

ADINA有限元分析軟件中的模型網(wǎng)格劃分及竹節(jié)樁網(wǎng)格劃分(見圖4).

圖4 整體模型及竹節(jié)樁網(wǎng)格劃分

為驗(yàn)證本文所建立的ADINA模型的合理性，現(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場抗拔試驗(yàn)進(jìn)行分析.本節(jié)通過與該試驗(yàn)得到的P-s曲線進(jìn)行對比(見圖5)，結(jié)果表明，兩者計(jì)算結(jié)果基本吻合，從而說明所建模型的合理性；需要說明的是，本文所建立的有限元模型尚未考慮竹節(jié)樁的打入對周邊土層造成的擾動(dòng)，從而使得有限元計(jì)算得到的P-s曲線比現(xiàn)場試樁得到的P-s曲線要小.

P—樁頂上拔荷載；S—樁頂上拔量圖5 有限元計(jì)算荷載位移曲線與實(shí)測曲線對比

4 參數(shù)分析

竹節(jié)樁的竹節(jié)間距及寬度是影響竹節(jié)樁抗拔承載力的關(guān)鍵因素，竹節(jié)樁與傳統(tǒng)管樁的區(qū)別在于此，故本節(jié)分析竹節(jié)樁的竹節(jié)寬度及竹節(jié)間距對竹節(jié)抗拔樁承載力的影響.

4.1 竹節(jié)寬度

與傳統(tǒng)的圓柱形抗拔樁相比，由于竹節(jié)樁的管徑不同產(chǎn)生的竹節(jié)，從而使得竹節(jié)抗拔樁的抗拔承載力比普通圓柱形抗拔樁的抗拔承載力要大(見圖6)，不同竹節(jié)寬度的竹節(jié)抗拔樁具有不同的抗拔承載力.本節(jié)控制竹節(jié)樁的竹節(jié)間距為1 m，改變竹節(jié)樁的竹節(jié)寬度.由圖6可知，樁頂荷載為400 kN時(shí)，竹節(jié)寬度從20 mm增加到60 mm，相應(yīng)的樁頂上拔量為3.23 mm減小到2.60 mm，減幅達(dá)到24.23%.究其原因，隨著竹節(jié)寬度的增大，竹節(jié)抗拔樁與樁周土層的接觸面增大，從而使得竹節(jié)樁的抗拔側(cè)摩阻力在增大；同時(shí)，竹節(jié)樁竹節(jié)寬度的增大，其破壞模式也在發(fā)生變大，竹節(jié)上部土層對竹節(jié)樁的抗拔承載力造成了一定的影響.由于本工程的基樁為工程樁，尚未做竹節(jié)樁的破壞性試驗(yàn)，所以，在樁頂抗拔力800 kN作用下，竹節(jié)樁尚未達(dá)到破壞狀態(tài)；但竹節(jié)樁竹節(jié)寬度太大，則會(huì)給竹節(jié)樁施工帶來一定的困難.

P—樁頂上拔荷載；S—樁頂上拔量圖6 竹節(jié)寬度對抗拔承載力的影響

4.2 竹節(jié)間距

竹節(jié)樁的竹節(jié)間距是一個(gè)非常重要的參數(shù).竹節(jié)間距涉及到竹節(jié)樁的承載機(jī)理.本節(jié)采用控制變量法，控制竹節(jié)的寬度為20 mm，改變竹節(jié)的間距，不同竹節(jié)間距的竹節(jié)樁P-s曲線(見圖7)，不同竹節(jié)間距的竹節(jié)樁具有不同的抗拔承載力.由圖可知，隨著竹節(jié)間距的增大，竹節(jié)樁的抗拔承載力在降低.在同一樁頂軸力作用下，隨著竹節(jié)間距的增大，竹節(jié)樁的樁頂位移在增大.如樁頂荷載為400 kN時(shí)，竹節(jié)間距從1 m增加到3 m，相應(yīng)的樁頂上拔量從3.23 mm增加到3.88 mm，增幅達(dá)到20.12%.

P—樁頂上拔荷載；S—樁頂上拔量圖7 竹節(jié)間距對抗拔承載力的影響

5 結(jié) 論

竹節(jié)樁的抗拔承載力是目前工程界較為關(guān)注的熱點(diǎn)問題.但有關(guān)研究還相當(dāng)缺乏.本文全面深入地探討了竹節(jié)樁的抗拔承載力問題，主要得到以下結(jié)論：

(1)簡要介紹了竹節(jié)樁的施工工藝，并對三根竹節(jié)樁進(jìn)行了現(xiàn)場抗拔試驗(yàn)，由于在抗拔試驗(yàn)中施加的荷載尚未達(dá)到竹節(jié)樁的破壞荷載，故尚未得出該工程中的三根竹節(jié)樁抗拔承載力，但與傳統(tǒng)管樁作為抗拔樁相比，竹節(jié)樁作為抗拔樁具有很大的優(yōu)勢.

(2)采用ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序建立竹節(jié)樁基礎(chǔ)的三維實(shí)體有限元模型，結(jié)合竹節(jié)樁的現(xiàn)場試驗(yàn)，證明了本文模型的準(zhǔn)確性.

(3)分析了竹節(jié)樁抗拔承載力的影響因素，結(jié)果表明，竹節(jié)寬度及竹節(jié)間距都對竹節(jié)樁抗拔承載力產(chǎn)生較大影響.例如：控制竹節(jié)間距為1 m、樁頂荷載為400 kN時(shí)，竹節(jié)寬度從20 mm增加到60 mm，相應(yīng)的樁頂上拔量為3.23 mm減小到2.60 mm，減幅達(dá)到24.23%；控制竹節(jié)寬度和荷載不變，竹節(jié)間距從1 m增加到3 m，相應(yīng)的樁頂上拔量從3.23 mm增加到3.88 mm，增幅達(dá)到20.12%.

[1] 史佩棟.樁基工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 陳錦劍，王建華，范 巍，等.抗拔樁在大面積深開挖過程中的受力特性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(3)：402-407.

[3] FH Kulhawy，DW Kozera，JL Withiam. Uplift Testing of Model Drilled Shaft in Sand [J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division,1979,105(1):31-47

[4] 羅耀武，胡 琦，凌道盛，等.樁—土界面特性對砂土地基中抗拔樁承載特性影響的模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32(3)：722-727.

[5] 浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.2013—G32機(jī)械連接先張法預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁[S].杭州：浙江工商大學(xué)出版社，2013.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ106—2014建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[7] 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[8] 岳 戈，陳 權(quán).ADINA應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例詳解[M].北京：人民交通出版社，2008.

StudyonMechanismofNodularPileunderUpliftLoad

CHEN Yan-ming1,WU Wei1,ZHAO Yi2

(1.Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018,China; 2.Ningbo Raw Water Group Co.,LTD.,Ningbo 315100,China)

A series of field test and finite element analysis software ADINA were used to study the mechanism of the nodular pile under uplifting. The finite element analysis software ADINA was also applied to establish three dimensional calculation models of nodular pile,the feasibility of three dimensional calculation model is able to be assessed by a comparison with existing methods. The influencing factors of the uplift capacity of nodular piles are studied by this model,it shows: the uplift capacity of nodular pile is sensitive to the nodular width and spacing.

nodular pile; uplift capacity; load-transfer mechanism; three-dimensional model

2016-06-15

陳焰明(1969-)，男，安徽安慶人，高級工程師，主要研究方向?yàn)樗娛┕けO(jiān)理及地基處理.

TU 443

A

1008-536X(2016)10-0064-04