考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)的混合樁水平承載性能分析

穆保崗,班 笑,龔維明

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院南京 21009;2.帝國(guó)理工學(xué)院土木環(huán)境工程系倫敦 SW72AZ)

考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)的混合樁水平承載性能分析

穆保崗1,班 笑2,龔維明1

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院南京 21009;2.帝國(guó)理工學(xué)院土木環(huán)境工程系倫敦 SW72AZ)

深水橋梁基礎(chǔ)施工時(shí)的鋼護(hù)筒,在鉆孔灌注樁施工完畢后保留,樁體實(shí)際上形成了“上大下小”的變截面混合樁。采用非線性的NL法比較了蘇通大橋的鉆孔灌注樁在考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)和忽略鋼護(hù)筒效應(yīng)這兩種工況下基樁位移和內(nèi)力分布,結(jié)果表明考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)可減少樁頂位移約50%,在準(zhǔn)確計(jì)算水平荷載下的變形時(shí)不能忽略;制作并進(jìn)行了8個(gè)構(gòu)件的模型試驗(yàn),表明施工泥皮厚度將顯著影響水平荷載下的鋼護(hù)筒和內(nèi)部樁體的共同作用能力。

鋼護(hù)筒;混合樁;NL法;泥皮

1963年鉆孔灌注樁在中國(guó)河南安陽(yáng)宿橋首次成功使用,隨著高層建筑和大型橋梁的增多,應(yīng)用越來(lái)越廣泛,樁型也向著超長(zhǎng)大直徑方向發(fā)展。通常變截面樁是指其橫截面尺寸及性狀沿著樁身軸向變化的樁。普通的變截面樁有：擴(kuò)底樁、多級(jí)擴(kuò)徑樁、分段變截面(變徑)樁和組合型樁等(如圖1所示),并且做了較為深入系統(tǒng)的研究[1-4],但多數(shù)通常意義上的變截面樁沿樁身范圍內(nèi)材料同一,一般均為鋼筋混凝土樁,且大多研究集中于豎向承載力和變形特性的研究。

隨著跨海跨江大橋的建設(shè),橋梁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)應(yīng)用普遍,在深水中施工的大直徑鉆孔灌注樁,需預(yù)先打設(shè)鋼護(hù)筒形成圍堰。鋼護(hù)筒外徑一般比設(shè)計(jì)樁徑大0.2～0.4m,鋼護(hù)筒長(zhǎng)度一般為樁長(zhǎng)的40%左右,表1為近年部分深水橋梁樁的鋼護(hù)筒幾何尺寸[5-8]。成樁之后,因其拆除困難都被保留下來(lái),成為永久樁體結(jié)構(gòu)的一部分。樁體事實(shí)上形成了“上大下小”的變截面大直徑混合樁：上部為類似于鋼管混凝土柱、下部為鋼筋混凝土樁的混合樁身;在鋼護(hù)筒范圍內(nèi),由于鋼護(hù)筒的環(huán)箍效應(yīng),在承受水平荷載時(shí),該段樁體將呈現(xiàn)出鋼管-混凝土組合結(jié)構(gòu)的承載特性,稱之為鋼護(hù)筒效應(yīng)。目前的設(shè)計(jì)理論均忽略鋼護(hù)筒的作用,為驗(yàn)算通過而需加大基樁截面或增加抗彎配筋措施,從而顯著增加工程造價(jià)。合理地評(píng)估鋼護(hù)筒效應(yīng),對(duì)準(zhǔn)確驗(yàn)算基樁在極端水平荷載如地震荷載、船撞荷載下的大變形驗(yàn)算意義重大。

圖1 變截面樁的截面形狀

表1 部分工程中鋼護(hù)筒尺寸

國(guó)外的研究者也注意到海洋環(huán)境下的基樁施工的特殊性,進(jìn)行過樁頭的接頭試驗(yàn)和耐腐蝕環(huán)境的復(fù)合樁試驗(yàn)和理論研究[9-10]。美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范認(rèn)為,永久鋼護(hù)筒的壁厚大于3 mm時(shí),就可以認(rèn)為它參與受力[11]。日本大芝大橋則首次明確采用混合樁概念,采用帶凸緣的線形鋼管[12],使鋼管本身與填充的鋼筋混凝土達(dá)到整體受力作用。

中國(guó)的研究者也注意到了鋼護(hù)筒對(duì)樁體強(qiáng)度提高的影響[13],并認(rèn)為在水平荷載產(chǎn)生的彎矩分配中不能忽略,但對(duì)鋼護(hù)筒效應(yīng)考慮與否,對(duì)樁體水平荷載下樁體位移的影響,以及與普通鋼管柱相比其共同作用程度,均缺少量化分析。

1 鋼護(hù)筒對(duì)樁基水平位移影響的理論分析

1.1 水平荷載下單樁承載力適用方法選擇

水平荷載作用下樁和樁基的計(jì)算問題尚未完善。在線彈性地基反力法中,張有齡法(1937年)至今仍被有選擇地使用,一般認(rèn)為它比較適合于粘性土。建筑和公路等諸多行業(yè)規(guī)范普遍推薦使用的m法,常認(rèn)為是適用小位移情況下。

在極端荷載下,基樁的樁頂變形絕對(duì)值較大, NL法[14-15]則是基于大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),基于在大位移情況下的水平承載單樁實(shí)用非線性計(jì)算方法,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為土抗力隨深度的2/3次方變化,隨水平位移的1/3次方變化。樁側(cè)土抗力的計(jì)算式可表示為：

水平地基系數(shù)KN采用靜載試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式法的結(jié)果。通過對(duì)大量試樁的和地基土的物理力學(xué)指標(biāo)的對(duì)比分析表明,值與土的壓縮系數(shù)α有較好的相關(guān)性,并得到下列擬合關(guān)系式：

壓縮系數(shù)α具有較好的穩(wěn)定性,并和地基反力系數(shù)有著較好的相關(guān)性。

1.2 樁側(cè)土抗力函數(shù)的確定

將樁側(cè)土抗力的計(jì)算式p=代入撓曲微分方程：

當(dāng)樁的抗彎剛度EI為常數(shù)時(shí),可根據(jù)相似理論的方法利用標(biāo)準(zhǔn)樁的受力特性來(lái)推求實(shí)際工程樁的受力特性。

對(duì)于受水平荷載的單樁來(lái)說,微分方程式涉及的參數(shù)為抗彎剛度EI、橫向抗力系數(shù)(即樁寬×水平地基反力系數(shù))BKN、荷載作用點(diǎn)的高度L0,故實(shí)際工程樁相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樁的抗彎剛度、橫向抗力系數(shù)和自由長(zhǎng)度的相似系數(shù)應(yīng)按下列公式確定：

式中,下標(biāo)P表示實(shí)際樁,下標(biāo)S表示標(biāo)準(zhǔn)樁。

采用標(biāo)準(zhǔn)樁的主要參數(shù)規(guī)定詳見有關(guān)文獻(xiàn)[16],在此不再贅述。

1.3 蘇通大橋基樁算例

以蘇通大橋的工程試樁(K 129)為例,分別考慮采用鋼護(hù)筒和不采用鋼護(hù)筒這2種情況下樁頂按自由端分別計(jì)算。確定水平力HP從100 kN增加到1 000 kN時(shí)的單樁的受力特性。

樁長(zhǎng)為117m(地面以上部分20m,地面以下部分97m;樁徑2.5 m;鋼護(hù)筒長(zhǎng)度69m,地面以上部分20 m,地面以下部分49 m,鋼護(hù)筒壁厚25 mm。計(jì)算過程簡(jiǎn)列如下：

1)采用加權(quán)平均值的方法確定水平地基系數(shù)KN;

2)按照組合樁[17]確定樁的抗彎剛度EI;

5)根據(jù)實(shí)際工程樁荷載Hp及相似系

數(shù)求得相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)樁的水平荷載H s;

6)由Hs值查表并插值獲得此荷載下的標(biāo)準(zhǔn)樁各項(xiàng)特征值;

7)確定實(shí)際工程樁的受力特征：

樁頂位移：

8)重復(fù)(3)-(7)步驟就可確定工程樁在不同水平荷載Hp作用下的受力特性。

不考慮鋼護(hù)筒作用的構(gòu)件受力分析時(shí),需要重新確定樁的抗彎剛度。經(jīng)過計(jì)算得到= 3.5×107kN?m2,重新代入計(jì)算,把在相同水平荷載條件下考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)和不考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)構(gòu)件的重要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如表2所示。

1.4 小結(jié)

從表2可以看出鋼護(hù)筒對(duì)構(gòu)件的水平向約束十分明顯,在相同荷載條件下,不考慮鋼護(hù)筒構(gòu)件的樁頂水平位移是考慮鋼護(hù)筒構(gòu)件樁頂水平位移的2倍。如加載到1 000 kN時(shí),考慮鋼護(hù)筒構(gòu)件的樁頂位移僅為48.8 mm,而忽略鋼護(hù)筒構(gòu)件的樁頂位移達(dá)到了100 mm,而最大彎矩的深度分布也有所變化。

圖2 樁頂位移變化圖

圖3 泥面位移變化圖

圖2和3是考慮鋼護(hù)筒作用和忽略鋼護(hù)筒作用2種情況下的樁頂位移和泥面位移的變化曲線。

可以看出,考慮鋼護(hù)筒作用與否的樁頂和泥面的位移變化很大,對(duì)彎矩最大值和最大彎矩的分布位置也有所影響。在實(shí)際工程中采用位移控制最大水平承載力時(shí),鋼護(hù)筒效應(yīng)不應(yīng)忽略,考慮鋼護(hù)筒作用在計(jì)算水平位移變形會(huì)更加準(zhǔn)確,這在橋梁樁基的水平極限承載力驗(yàn)算方面具有重要的意義。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容

為了獲取鋼護(hù)筒和混凝土樁共同受力的情況,共制作了8根構(gòu)件,構(gòu)件名稱如表3所示,主要考慮可能影響其共同作用的因素泥皮[18]。其中泥皮的厚度控制在3～5mm,鋼護(hù)筒花紋打磨形成。

試驗(yàn)采用C30混凝土,Q235的鋼筋和Q335的3 mm厚鋼板,套有鋼護(hù)筒的混凝土構(gòu)件尺寸如圖4所示,外套鋼護(hù)筒的長(zhǎng)度為2 500 mm。

試驗(yàn)在東南大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行。

表2 考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)和不考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)的重要參數(shù)對(duì)比

圖4 構(gòu)件幾何尺寸圖

測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示,采用千斤頂施加水平力,采用雙(單)向多循環(huán)加卸載法,按照位移控制的加載方式以5 mm的級(jí)差進(jìn)行荷載的遞增。每級(jí)荷載施加后,恒載2 m in測(cè)讀水平力,然后卸載至零,至此完成一個(gè)加卸載循環(huán),如此循環(huán)2次便完成一級(jí)荷載的試驗(yàn)觀測(cè)。

當(dāng)鋼管底部開裂或水平位移超過200 mm終止試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表3 構(gòu)件特性

2.2 構(gòu)件破壞形式

圖6 構(gòu)件破壞形態(tài)

2.3 鋼護(hù)筒和樁共同作用的受力分析

從8根構(gòu)件中選擇4根類型不同的構(gòu)件進(jìn)行比較分析,如圖7所示,7(a)和7(b)是無(wú)泥皮的構(gòu)件, 7(c)和7(d)是護(hù)筒內(nèi)有泥皮的構(gòu)件。

其中,CH1-CH 4為鋼護(hù)筒表面應(yīng)變值,鋼護(hù)筒內(nèi)部混凝土配置了4根豎向鋼筋,CH 7、CH9為豎向鋼筋應(yīng)變值。

圖7 構(gòu)件共同作用情況

圖7(a)、(b)相當(dāng)于鋼管混凝土構(gòu)件,鋼護(hù)筒和混凝土的接觸良好,兩者可以很好地共同作用。鋼護(hù)筒和鋼筋的應(yīng)變?cè)诩虞d初期和最終階段重合,表明在加載初期和最終階段,鋼護(hù)筒和內(nèi)部的鋼筋混凝土共同工作。

圖7(c)、(d)構(gòu)件的鋼護(hù)筒和混凝土之間并不完全接觸,或是有泥皮、花紋或是兩者皆有。泥皮的存在使鋼護(hù)筒和鋼筋的應(yīng)變分離的趨勢(shì)較為明顯,隨著荷載的增加,在相同荷載水平下,鋼護(hù)筒的縱向應(yīng)變值要明顯大于樁內(nèi)部鋼筋縱向應(yīng)變值,差值在50%左右,鋼護(hù)筒和混凝土之間共同作用程度減弱,鋼護(hù)筒承受了絕大部分的彎矩。

這里僅給出構(gòu)件正常破壞的荷載-位移曲線,如圖8所示。

圖8 荷載位移曲線

圖8(a)相當(dāng)于鋼管混凝土構(gòu)件,從0 kN加載到40 kN時(shí),水平位移隨荷載的增加近似成線性增加,說明構(gòu)件處于彈性工作階段。當(dāng)位移達(dá)到60 mm時(shí),構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段,曲線非常平緩,延性很好。

圖8(b)無(wú)花紋有泥皮兩根構(gòu)件的差別比較大, GN1的延性要高于GN2,2根構(gòu)件的最大水平承載力比較接近,均為27 kN左右,但均小于無(wú)花紋無(wú)泥皮的構(gòu)件承載力。

可見,泥皮的存在影響了單樁的水平極限承載力,施工中減小泥皮厚度有助于提高構(gòu)件水平承載力。

3 結(jié) 論

通過以上的理論分析和模型試驗(yàn)表明：

1)不可回收的鋼護(hù)筒與原鉆孔灌注樁實(shí)際上形成了上大下小的變截面混合樁,基于NL法的算例說明考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)可以減少樁頂位移約50%,在準(zhǔn)確計(jì)算水平荷載下的變形時(shí)不能忽略。

2)模型試驗(yàn)表明在水平反復(fù)荷載作用下,鋼護(hù)筒與內(nèi)部的鋼筋混凝土的應(yīng)變值在針對(duì)水平荷載響應(yīng)上存在差異。

3)室內(nèi)模型試驗(yàn)表明,控制施工泥皮厚度將顯著影響水平荷載下的鋼護(hù)筒和內(nèi)部樁體的共同作用能力。

該文所開展的研究只是針對(duì)采用鉆孔灌注樁的深水橋梁基礎(chǔ)鋼護(hù)筒效應(yīng)的初步理論計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)M,鑒于其對(duì)基樁水平變形的顯著影響,有待進(jìn)一步揭示其共同作用的內(nèi)在機(jī)理。

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(編輯 王秀玲)

Lateral Load Capacity Analysis of Variab le Section Hybrid Pileswith Wteel Casing

MUBao-gang1,BANXiao2,GONGWei-ming1
(1.Civil Engineering Co llege,Southeast University,Nanjing 210096,P.R.China; 2.Department of Civil and Environmental Engineering,Imperial College London,London SW7 2AZ,UK)

With the construction of deep-water bridge foundation,steel casing is left after the construction of cast-in place piles due to the dismantle difficulty.Then the pile actually forms a variable section pile which has bigger section area at upper part.Using the non linear NL method,the disp lacement and the internal force are analyzed for piles with and w ithout casing in Sutong Bridge.It is found that the disp lacement of pilew ith casing can be reduced by 50%,and it can notbe ignored foraccurate calculation of disp lacement.8model pile tests are carried out,which suggests that the slurry thickness can significantly affect the capability of co-w orking betw een the pile and the casing.

steel casing;hybrid piles;NL method;slurry

TU47

A

1674-4764(2011)03-0068-06

2010-12-14

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAG07B01)

穆保崗(1974-),男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事巖土及地下結(jié)構(gòu)等方面研究,(E-mail)mubaogang@ seu.edu.cn。