螺鎖式異型復合樁承載力試驗分析

朱 正

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

螺鎖式異型復合樁(以下簡稱異型復合樁)是水泥土樁與植入的螺鎖式異型管樁復合而成的樁型。近年來，在沿海軟土地區(qū)逐步推廣和應用，該樁同時具備異型管樁和水泥土樁的優(yōu)點，既利用了異型管樁高強度、低壓縮模量來承擔荷載，又利用異型管樁與水泥土樁接觸面的強黏結(jié)力、異型管樁樁身帶肋的特點增大樁土接觸面積來提高側(cè)摩阻力。

目前國內(nèi)不少學者對異型管樁及水泥土復合樁承載特性展開研究。吳邁等[1]通過模型試驗提出芯樁承擔大部分荷載，并通過樁側(cè)和樁端阻力傳遞給水泥土，水泥土進一步通過樁側(cè)和樁端阻力傳遞給樁周土。董平等[2]通過對混凝土芯水泥土樁進行有限元分析，提出上部荷載基本由混凝土內(nèi)芯承擔，該復合樁的工作特性與單樁相似，而不是復合地基的性狀。陳穎輝等[3]通過現(xiàn)場試驗提出芯樁側(cè)面積過小和水泥土樁強度過低時，芯樁與水泥土之間摩阻力、端阻力先進入極限狀態(tài)，從而引起樁身破壞。錢于軍等[4]主要通過對現(xiàn)場管樁及水泥土-管樁復合樁進行試樁試驗，測試樁身軸力分布，提出復合基樁樁土界面的側(cè)摩阻力較PHC管樁與鉆孔灌注樁均有大幅度提高。龔曉南等[5]通過對現(xiàn)場靜載荷試驗及有限元分析提出竹節(jié)樁樁周水泥土可以增大樁-土接觸面積從而增大樁側(cè)摩阻力。李立業(yè)[6]通過試驗提出混凝土預制樁植入水泥土攪拌樁的過程對水泥土有一定的擠密作用，可以減小水泥土的總變形，但在排水條件較差的土層中，水泥土的強度和模量增加不明顯。

通過對上海某工程異型復合樁試樁和工程樁進行靜載荷試驗，分析異型復合樁的抗壓和抗拔承載特性。

1 工程地質(zhì)條件

表1 土層分布情況與土體力學指標

2 試樁情況及試驗結(jié)果分析

2.1 承載力估算

在試驗場地南區(qū)、北區(qū)各進行6根異型復合樁破壞性豎向抗壓靜載荷試驗和6根異型復合樁破壞性豎向抗拔靜載荷試驗。異型復合樁施工過程：先施打直徑700mm的水泥土攪拌樁(外芯樁)，6h內(nèi)植入異型管樁(內(nèi)芯樁)，外芯樁和內(nèi)芯樁等長，異型管樁采用的型號：抗壓試樁為T-PHC C500-460(110)-15，15，12，抗拔試樁為T-PHC D500-460(130)-10，10，11，支撐樁為T-PHC C500-460(110)-10，10，11。樁頂標高均為4.300m，異型復合樁如圖1所示。根據(jù)JGJ/T405—2017《預應力混凝土異型預制樁技術規(guī)程》[7]中異型復合樁承載力計算公式，參考表1中各土層物理力學指標，初步估算本場地試樁在3種破壞模式下抗壓及抗拔極限承載力標準值，其中抗拔樁只考慮群樁呈非整體破壞，極限承載力估算結(jié)果如表2所示，異型復合樁豎向抗壓和抗拔極限承載力取估算結(jié)果的小值。

表2 極限承載力估算結(jié)果 kN

根據(jù)表2中承載力估算結(jié)果可知，一般情況下，異型復合樁的外芯與樁周土界面先出現(xiàn)破壞。本工程抗拔樁不允許出現(xiàn)裂縫時軸心抗裂拉力為1 466kN以及抗壓樁不考慮壓曲影響下樁身軸心受壓承載力為3 691kN。本次試驗抗壓試樁豎向抗壓極限承載力標準值取3 600kN，抗拔試樁豎向抗拔極限承載力標準值取1 450kN。

表4 抗拔試驗結(jié)果

2.2 試樁概況

試樁達到28d齡期后進行破壞性靜載荷試驗。采用慢速維持荷載法，抗壓靜載荷試驗采用壓重平臺反力裝置，壓板尺寸與復合樁的截面尺寸一致，抗拔靜載荷試驗采用支撐樁提供反力。加載按極限承載力標準值的1/10為加載極差，直到加載至破壞?？拱卧嚇独塾嬌习瘟砍^30mm時終止加載，其余樁頂位移觀測量、試驗終止標準及極限承載力判定等均參照DG/TJ08—218—2017《建筑地基與基樁檢測技術規(guī)程》[8]、JGJ106—2014《建筑基樁檢測技術規(guī)范》[9]執(zhí)行。

2.3 試驗結(jié)果及分析

北區(qū)6根抗壓試樁編號為NY1～NY6，6根抗拔試樁編號為NB1～NB6。南區(qū)6根抗壓試樁編號為SY1～SY6，6根抗拔試樁編號為SB1～SB6，試驗結(jié)果如表3，4所示，抗壓樁曲線如圖2所示，抗拔樁曲線如圖3所示。

表3 抗壓試驗結(jié)果

圖2 抗壓樁Q-s曲線

圖3 抗拔樁U-δ曲線

2.3.1承載力分析

1)北區(qū)NY6抗壓樁因樁頂混凝土壓碎停止試驗，樁土界面未發(fā)生破壞，其余5根抗壓樁的豎向抗壓極限承載力實測值為估算值(4 053.0 kN)的1.15～1.24倍；南區(qū)6根抗壓樁的豎向抗壓極限承載力實測值為估算值(4 053.0kN)的0.98～1.07倍。

2)北區(qū)6根抗拔樁的豎向抗拔極限承載力實測值為估算值(1 905.8 kN)的0.91～1.06倍。南區(qū)6根抗拔樁的豎向抗拔極限承載力為估算值(1 905.8kN)的0.61～0.68倍。

3)僅南區(qū)6根抗拔試樁承載力不滿足設計要求，根據(jù)表2承載力估算，水泥土與管樁界面的側(cè)阻力比外芯水泥土與樁周土界面的側(cè)阻力大得多。水泥土與管樁界面提前破壞，文獻[10]提出水泥土與混凝土芯體的黏結(jié)強度隨水泥土強度的增加而增大，在水泥土質(zhì)量有保證的情況下不易出現(xiàn)水泥土與管樁接觸面的破壞，能夠保證水泥土與管樁協(xié)同工作。說明該6根試樁水泥土與管樁的凝結(jié)力差，水泥土強度低。

2.3.2破壞特征分析

圖2，3說明：與南區(qū)相比，北區(qū)試樁整體上沉降量或上拔量均較小。破壞面位于外芯與樁周土界面時，破壞前一、二級的s-lgt，δ-lgt曲線均出現(xiàn)輕微彎曲，樁頂位移達到穩(wěn)定標準時間明顯較長，均超過360min，破壞趨勢呈緩變型。破壞面位于內(nèi)芯與外芯界面時，破壞前一級、二級的δ-lgt曲線無彎曲，樁頂位移達到穩(wěn)定標準時間為210min以內(nèi)，破壞趨勢呈突變型。

2.3.3不同破壞模式下承載力恢復情況

在NY1，SY5抗壓試樁完成第1次破壞性抗壓靜載荷試驗結(jié)束28d后，再進行第2次破壞性抗壓靜載荷試驗。在NB2，SB4抗拔試樁進行第1次破壞性抗拔靜載荷試驗結(jié)束28d，90d后，再進行第2次、第3次破壞性抗拔靜載荷試驗，試驗結(jié)果如表5，6所示。

表5，6結(jié)果說明，抗壓試樁NY1，SY5第2次破壞試驗(28d后)的抗壓極限承載力實測值和第1次破壞試驗相同，對應的沉降量減少。抗拔試樁NB2第2次破壞試驗(28d后)的抗拔極限承載力實測值和第1次破壞試驗相同，第3次破壞試驗(90d后)的抗拔極限承載力為第1次破壞試驗的1.07倍?？拱卧嚇禨B4第2次破壞試驗(28d后)及第3次破壞試驗(90d后)的抗拔極限承載力均是第1次破壞試驗的0.56倍。

表5 抗壓樁試驗結(jié)果對比

當破壞面位于外芯與樁周土界面時，破壞模式為塑性破壞，隨著樁周土體恢復和重新固結(jié)后，承載力能恢復或增長。當破壞面位于內(nèi)芯和外芯界面時，破壞模式為脆性破壞，水泥土與樁側(cè)表面黏結(jié)力破壞，樁側(cè)極限摩阻力大大降低，且不能恢復。

2.4 試樁承載力差異性原因分析

針對南、北區(qū)試樁承載力差異性較大，從工程地質(zhì)條件、水泥土攪拌樁質(zhì)量、異型管樁接樁質(zhì)量展開分析。

1)地質(zhì)條件

對試樁范圍內(nèi)原狀土進行靜力觸探試驗，土層分布參考試樁范圍內(nèi)詳勘孔，統(tǒng)計各土層比貫入阻力平均值，南區(qū)、北區(qū)試樁范圍地層對比如表7所示。

表7中數(shù)據(jù)說明：南區(qū)、北區(qū)土層分布情況基本一致，②3-1，②3-2層原狀土靜力觸探Ps值有所差別。北區(qū)②3-1層土靜力觸探Ps平均值是南區(qū)的1.33倍，北區(qū)②3-2層土靜力觸探Ps平均值是南區(qū)的1.86倍。在樁身0～1.8m范圍內(nèi)土層為①1-1層雜填土，雜填土中含有碎石等，在樁身1～10m范圍內(nèi)土層為②3-1黏質(zhì)粉土和②3-2砂質(zhì)粉土，水泥土攪拌樁施工及異型管樁植入過程中，因①1-1，②3-1，②3-2土層中排水條件好，擠密效果好，水泥漿液與碎石、粉土、砂土結(jié)合形成素混凝土、強度高的水泥土加固體，對提高抗壓、抗拔承載力均有利。

2)攪拌樁施工質(zhì)量

對7d齡期的異型復合樁外芯水泥土攪拌樁進行靜力觸探試驗，測試深度為樁長范圍內(nèi)，南、北區(qū)抗壓試樁和抗拔試樁各檢測3根，統(tǒng)計不同土層靜力觸探Ps的平均值，靜力觸探測試結(jié)果如表8所示。

表6 抗拔樁試驗結(jié)果對比

表7 土層對比

表8 試樁靜力觸探測試結(jié)果

表8結(jié)果說明：在①1-1，②3-1，②3-2層土中，南、北區(qū)水泥土攪拌樁Ps值均較高，土體加固效果明顯；在③，④，⑤1層土中，南區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高2%～7%，提高不明顯，北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高31%～56%；在⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1層土中，南區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高21%～34%，北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高45%～85%；在①1-1，②3-1，②3-2層土中，南區(qū)、北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相差不大，排除該土層對承載力差異的影響；在③，④，⑤1，⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1層土中，北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值是南區(qū)水泥土靜力觸探Ps值的1.21～1.38倍。

3)異型管樁接樁質(zhì)量

在試樁前后均對試驗樁進行低應變及孔內(nèi)攝像檢測，樁身均無缺陷，排除接樁位置脫開對承載力的影響。分析可知，南北區(qū)異型復合樁試樁結(jié)果差異性原因主要為水泥土攪拌樁的施工質(zhì)量。

抗壓試樁和抗拔試樁頂標高相同，抗壓樁樁長42m，抗拔樁樁長31m，抗壓樁及抗拔樁樁身0～10m范圍內(nèi)土層為①1-1，②3-1，②3-2；抗壓樁及抗拔樁樁身10～31m范圍內(nèi)土層為③，④，⑤1；抗壓樁樁身31～42m范圍內(nèi)土層為⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1。

南區(qū)③，④，⑤1層土中水泥土成樁質(zhì)量差，內(nèi)芯與外芯界面黏結(jié)力小且接觸面積較外芯與樁周土的接觸面積小，南區(qū)抗拔試樁在內(nèi)芯與外芯界面先達到極限破壞狀態(tài)。

從荷載傳遞規(guī)律來看，荷載是先從內(nèi)芯向外芯擴散，進一步從外芯向樁周土體擴散，使得抗壓樁上部荷載有效擴散到影響范圍大的深層土體中。南區(qū)抗壓樁穿透③，④，⑤1軟弱土層，進入⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1土質(zhì)較好土層，水泥土強度較高，抗壓試樁在外芯與樁周土界面先達到極限破壞狀態(tài)。因北區(qū)水泥土質(zhì)量整體較南區(qū)好，北區(qū)抗壓樁承載特性優(yōu)于南區(qū)。

3 工程樁試驗情況

本工程異型復合樁樁頂標高為-10.000～-12.000m，樁長為18～28m，均為兩節(jié)樁，上節(jié)樁樁周土層主要為③，④層淤泥質(zhì)土黏土，設計要求工程樁靜載荷試驗檢測比例為1%，經(jīng)低應變和孔內(nèi)攝像法檢測，有嚴重接樁缺陷的樁(如脫開、錯位)，均須進行靜載荷試驗。

經(jīng)檢測，承載力不合格的工程樁均由上、下節(jié)樁接樁處脫開引起，抗壓破壞荷載和抗拔破壞荷載試驗主要為第5，6級荷載，破壞面均位于內(nèi)芯與外芯界面，破壞模式為脆性破壞，主要因上節(jié)樁樁周土質(zhì)差、水泥土強度低。

根據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計，抗壓承載力滿足設計要求的樁，在第5級荷載作用下，累計沉降量均不超過6mm，在最大加載量作用下，累計沉降量均不超過30mm；抗拔承載力滿足設計要求的樁，在第5級荷載作用下，累計上拔量均不超過4mm，在最大加載量作用下，累計上拔量均不超過15mm。為避免因試驗過程造成過工程樁的脆性破壞，因此要求對抗壓靜載荷試驗，累計沉降量超過30mm或第5級荷載作用下，累計沉降量超過6mm作為試驗終止條件；對抗拔靜載荷試驗，累計上拔量超過15mm或第5級荷載作用下，累計上拔量超過4mm作為試驗終止條件。滿足上述試驗終止條件的樁，須進地基加固或補樁處理。

4 結(jié)語

1)異型復合樁破壞面位于內(nèi)芯與外芯界面時，界面破壞剪應力小于水泥土剪應力，破壞模式為脆性破壞，水泥土與樁側(cè)表面的黏結(jié)力破壞，導致樁側(cè)極限摩阻力大大降低，承載力不易恢復；破壞面位于外芯與混凝土界面時，破壞模式呈緩變型，屬于塑性破壞，隨著樁周土重新固結(jié)，承載力能恢復破壞前狀態(tài)。

2)影響異型復合樁承載力的主要因素有水泥土的均勻性、強度、異型管樁的接樁質(zhì)量；工程樁施工前應進行工藝性試樁，確定水泥土攪拌樁施工參數(shù)，嚴格控制異型管樁的接樁質(zhì)量，確保工程樁的承載安全。

3)異型復合樁設計時，需考慮軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土對水泥土樁成樁質(zhì)量影響，樁長設計時應穿透淤泥質(zhì)土層，進入較好的持力層。

4)在施工過程中，對水泥土攪拌樁采用靜力觸探測試，能有效反映異型復合樁的施工質(zhì)量。

5)對工程樁采用靜載荷法進行承載力驗收試驗時，應避免因試驗造成工程樁的脆性破壞，可根據(jù)檢測成果設計合理的抗壓、抗拔靜載荷試驗終止條件。