砂層中靜壓預制沉樁模型試驗

賀 慧

1 概述

靜壓預制樁是依靠機械設備對預制混凝土樁施加的垂直壓力,把樁身壓入地基土中形成復合地基,達到提高地基整體承載力的目的。與打入樁相比較,靜壓樁具有節省材料、無振動、低噪聲等優點,所以靜壓施工法得到較快發展。同時靜壓樁沒有人工挖孔樁的施工抽水引起的危害和鉆孔樁施工泥漿滿地的煩惱,很適合城市地區使用。所以一些發展前沿城市的工業與民用建筑的基礎工程中,靜壓樁在三大樁基(鉆孔灌注樁、人工挖孔樁和預制樁)中已經占到65%。

2 靜壓樁的成樁機理

事實上,靜壓樁的施工終壓力與極限承載力是兩個不同概念,不僅性質不同,而且數值大小也會不同。靜壓樁在靜壓力的作用下沉入地基土中時,樁側表面與樁周土體摩擦力是滑動摩擦力,這種滑動摩擦力特別小,而且在同一土層中基本保持不變,不隨樁身入土深度的增大而累計增大,這從壓樁貫入阻力曲線即可看出,壓樁阻力是隨樁端處土體的軟硬程度即樁端處土體的抗沖剪阻力的大小而波動,靜壓樁沉樁穿越土層一般是軟弱松散的,含水量較高,孔隙比較大,當靜壓樁垂直受力下沉時,樁尖直接使土體產生沖剪破壞,同時樁周土體也產生剪切擠壓破壞,孔隙水受沖剪擠壓作用形成不均勻水頭,產生了超孔隙水壓力。這樣擾動了土體結構,使樁周的一倍樁徑范圍內的土體抗剪強度降低,黏性土發生稠化,粉土、砂土發生軟化。壓樁一旦終止,隨著時間的推移,超孔隙水壓力會慢慢消散,樁周土體固結,土的抗剪強度逐漸恢復,甚至超過原始強度。土體基本恢復后,原來施工下沉時樁側的滑動摩擦力變成承載時的靜摩擦力,靜壓樁才獲得工程上所需要的所謂特征承載力。根據統計數據分析,靜壓樁的極限承載力中,不管樁尖持力層是黏性土層、粉土層、砂土層還是風化巖層,樁端所能提供的端承力約為終壓力的45%～55%,其余部分要靠樁周土體抗剪強度的恢復來補充,根據許多靜壓樁的試驗資料分析,靜壓樁屬于端承摩擦樁或摩擦端承樁時,當長細比大概為50時,樁極限承載力約等于樁的終壓力值;長細比大于60時,樁的極限承載力一般大于終壓力值;長細比小于40時,極限承載力就會小于終壓力值。

3 試驗

3.1 模型試驗介紹

3.1.1 總體裝置

本模型試驗總體裝置主要由加壓裝置、反力裝置、模型箱及測讀系統組成。加壓裝置由千斤頂、量力環和壓力表組成;測讀系統主要由應變測量儀、各種型號的土壓力盒、沉降標等組成。

1)加載機采用的是瑞士生產的Amsler脈沖試驗機(見圖1),主要用來對結構構件進行波動應力疲勞試驗或靜載荷試驗,靜載荷試驗時可多點同步加載,同時還具有荷載保持功能。

主要技術指標如下:a.脈沖量:400 cm3/次;b.頻率:200次/min～800次/min,無級調速;c.脈沖千斤頂:50 kN/100 kN,100 kN/200 kN,250 kN/500 kN,500 kN/1 000 kN四種(見圖2)。擺式測力計量程有1/10,1/4,1/2,1四種。所加荷載通過脈沖試驗機的表盤就可以直接讀出,每級荷載加載精度可以滿足試驗的要求。

2)百分表與數據采集儀。百分表:量程為5 cm,最小分辨率均為0.01 mm(如圖3所示)。

數據采集儀:該應變采集儀的通道多達100個,能夠滿足試驗測點的數量要求,并實現了與電腦的連接,試驗中可對應變值進行實時觀測,同時還具有數據的自動采集和自動分析功能,為試驗提供了極大的方便(如圖4所示)。

3.1.2 模型箱

試驗所用模型箱是一個長80 cm,寬80 cm,高120 cm由鋼板和有機玻璃連接而成的方箱,模型箱內填的砂為天然砂。

3.1.3 模型樁

每根模型樁沿長度方向每隔10 cm對稱粘貼應變片,見圖5。

3.2 試驗過程

我們將沉降點布置在地面處,每組荷載加載后10 min讀百分表和數據采集儀,讀數開始后15 min加第二級荷載(即每級荷載間隔時間為15 min,讀數為5 min),卸載完后10 min時讀卸載讀數。

3.3 試驗結果

試驗結果見表1,表2。

表1 單樁豎向荷載作用下沉降和軸力的關系(一)

表2 單樁豎向荷載作用下沉降和軸力的關系(二)

4 結語

1)由模型單樁垂直荷載試驗數據的擬合分析,所得各級荷載作用下豎向土阻力f1沿深度z的變化符合函數方程:

2)由本次砂箱中模型靜壓預制成樁垂直荷載試驗,所取得的樁、土荷載的資料來看,試驗所得數據基本合乎規律,試驗比較正確。

[1] 吳 炳.樁和樁基的剛度系數及其應用——橋梁墩臺樁基的計算方法[J].橋梁建設,1977(3):52-54.

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