變截面管樁水平承載性狀模型試驗研究

尹宏春，楊慶光，劉 杰

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

變截面管樁水平承載性狀模型試驗研究

尹宏春，楊慶光，劉 杰

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

在室內(nèi)基坑中對1根等截面管樁和2根變截面管樁進(jìn)行單樁水平靜載荷模型試驗，對比研究兩類管樁單樁水平承載性能方面的差異。試驗結(jié)果表明：等截面模型管樁與變徑比為0.57與0.71的變截面模型管樁的單樁水平的臨界荷載依次為1.2, 1.6, 1.2kN；單位體積水平承載力特征值依次為95, 147，115kN/m3。變徑比為0.57與0.71的變截面管樁的單位水平承載能力比等截面管樁分別提高了55.1%和21.6%；變截面管樁變徑比越小，單位水平承載能力越大；材料的利用率也越高。

水平靜載荷；變截面管樁；等截面管樁；單位體積水平承載力

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以承載能力高、價格便宜、施工方便、質(zhì)量可靠而成為高層建筑中一種較好的樁基礎(chǔ)。變截面樁則以單位體積的承載能力高而在工程實踐中廣泛應(yīng)用。將上述兩者優(yōu)點結(jié)合起來的變截面管樁是一種新型的管樁，它由2節(jié)以上不同直徑的混凝土管和環(huán)形過渡鋼板構(gòu)成，第一節(jié)混凝土管直徑最小，混凝土管直徑依次變大，最后一節(jié)混凝土管直徑最大。

變截面樁在工程實踐中的應(yīng)用較多，例如韶關(guān)五里亭大橋基礎(chǔ)采用的是單排無承臺變截面大直徑樁結(jié)構(gòu)[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者在理論和實踐兩方面對樁基進(jìn)行了研究：劉杰等人[2]通過單樁水平靜荷試驗，研究軟土地基中預(yù)應(yīng)力管樁在水平荷載作用下的工作性狀；王梅等人[3]對大量的模型試驗結(jié)果進(jìn)行分析，提出了將m法中單一的m值與位移建立指數(shù)關(guān)系，在常用的單樁m法計算中可考慮單樁非線性響應(yīng)的影響；劉漢龍等人[4]進(jìn)行PCC樁水平承載特性模型試驗，分析研究得到管樁的最大彎矩在樁身的上半部；方燾[5]研究階梯型變截面樁變形及承載特性，經(jīng)過對比試驗確定變截面樁的最優(yōu)變截面位置為46.7%左右； 沈建霞等人[6]研究探討影響全直樁水平承載能力的因素；L. C. Reese 等人[7]在德克薩斯州 Manor 地區(qū)的硬黏土中進(jìn)行了樁水平靜載荷循環(huán)荷載試驗。

由此可見，學(xué)者們對變截面樁與管樁的水平承載性狀的理論研究較多，但對階梯型變截面管樁的水平承載特性的理論研究較少。本次試驗利用湖南工業(yè)大學(xué)的大型基坑（長6m，寬3m，深4.5m）進(jìn)行不同截面比變截面模型管樁和等截面模型管樁水平靜載荷對比試驗，對變截面管樁水平受力的狀況及水平承載能力進(jìn)行研究。

1 試驗設(shè)備與試驗?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備由加壓系統(tǒng)、試驗?zāi)Ｐ图氨O(jiān)測系統(tǒng)組成。加壓系統(tǒng)包括千斤頂、試塊和壓力傳感器；監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測原件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中千斤頂為油壓千斤頂，起重10t，上海滬南千斤頂廠制造。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗?zāi)Ｐ桶ㄍ馏w、樁體和試驗?zāi)Ｐ图虞d設(shè)計。

1.2.1 土體

試驗土體為粉質(zhì)黏土，原土取自湖南工業(yè)大學(xué)附近的基坑開挖工程，經(jīng)曝曬后過0.02m的土篩填進(jìn)基坑，每0.3m進(jìn)行一次整平、澆水。試驗土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 試驗土的物理力學(xué)指標(biāo)Table1 Physico-mechanical indexes of testing soils

1.2.2 模型樁制作和試驗布置

試驗?zāi)Ｐ凸軜恫捎米灾其撃＃灾睆?.26mm鋼絲制作鋼筋籠，用C20細(xì)石混凝土澆筑而成。模型管樁利用2mm厚鋼板制作管樁端頭，采用焊接、環(huán)氧樹脂相結(jié)合的方法實現(xiàn)接管和封口。模型管樁鋼模及接頭如圖1所示。

圖1 管樁鋼模及接頭Fig.1 Steel mould and joint of pipe pile

本次試驗對1根等截面管樁和2根變截面模型管樁單樁載荷試驗研究，模型樁尺寸設(shè)計如表2所示。

表2 模型樁尺寸設(shè)計Table2 Size of model pile

1.2.3 加載設(shè)計

（a）I borrowed the book from the library.I can keep the book for a week.

加載時采用單向多循環(huán)法，每級荷載增加后，恒載4min，測讀水平位移，同時讀取土壓力和樁身應(yīng)變片的讀數(shù)；停2min，測讀殘余水平位移，完成一個加卸循環(huán)，如此循環(huán)5次便完成一次荷載觀測。當(dāng)水平位移超過30mm或者樁體被破壞則終止加載。

因變截面管樁與等截面管樁體積相差不大，在設(shè)計水平荷載時，變截面管樁與等截面管樁每級荷載的增量均為400N，具體荷載依次為400, 800, 1200N,…，直到達(dá)到試驗終止條件。

2 試驗結(jié)果分析

定義變截面管樁中的第一節(jié)混凝土筒直徑與第二節(jié)混凝土筒直徑的比為變徑比，故B樁的變徑比為0.57，C樁的變徑比為0.71。根據(jù)水平靜載荷試驗結(jié)果，可得等截面與變截面管樁的水平荷載-位移-時間、水平荷載-位移梯度和水平荷載-位移關(guān)系曲線。

2.1 荷載-位移-時間關(guān)系

圖2為單樁水平荷載-位移-時間曲線。

圖2 荷載-位移-時間曲線Fig.2 The curves of load-time-displacement

從圖2可知，A, B, C樁的最大水平荷載所對應(yīng)的最大水平位移分別為31.887, 32.187, 37.862mm。樁的靜載荷試驗中，樁頂?shù)乃轿灰七_(dá)到30mm時的荷載即為試驗終止荷載，樁身受到的水平荷載依次為3.2, 4.4, 4.0kN。B樁與A樁比，樁的終止荷載提高了37.5%；C樁與A樁對比，樁的終止荷載了提高了25.0%。

樁的水平位移變化實質(zhì)上是樁本身和樁周土擠壓產(chǎn)生的變形。大位移變形樁的水平位移主要是樁周土的擠壓變形。3根樁的樁周土是同種土，但在靜壓樁過程中，由于第二節(jié)混凝土筒的直徑比第一節(jié)混凝土筒的直徑大，壓樁時，第一節(jié)的混凝土筒的樁周土得到壓密，下層土體得到了改良，提高了土體的承載能力。因此變截面管樁樁身位移變化速度小于等截面管樁樁身水平位移變化速度。

圖3為單樁水平荷載-位移梯度曲線。

圖3 荷載-位移梯度曲線Fig.3 The curves of load-displacement gradient

從圖3可知，3根樁的水平荷載-位移梯度曲線均由2條直線組成。3條曲線的轉(zhuǎn)折點分別為1.2, 1.6, 1.2kN，因此3根樁的臨界荷載依次為1.2, 1.6, 1.2kN。當(dāng)樁頂水平荷載小于臨界荷載時，3根管樁等水平荷載下，樁身位移梯度由大到小依次為A樁、B樁和C樁，樁的位移變化主要是樁本身的變形。這時樁剛度的平均值由大到小依次為C樁、B樁和A樁，表明樁的剛度是影響樁頂位移變化的主要因素。

當(dāng)樁頂水平荷載大于臨界荷載時，同等水平荷載下，樁身位移梯度由大到小依次為A樁、C樁和B樁，樁周土進(jìn)入塑性階段，樁的位移變化主要是樁周土的擠壓變形。這時樁周土的擠壓變形主要來自于樁體擠壓，所以樁身應(yīng)力越大，土體的擠壓變形也越大。靜壓樁時，變截面管樁的下層土體得到壓密，下層土的地基系數(shù)變大，提高了下部樁的樁身彎矩和剪力；下部樁的樁身彎矩和剪力的變大，使上部樁的樁身彎矩和剪力減小。變截面管樁下部樁的樁身應(yīng)力比等截面管樁的大，這樣充分發(fā)揮了下部樁的樁身潛力，所以在等水平荷載情況下，變截面管樁的位移梯度小于等截面的位移梯度。由于B樁比C樁的截面比小，所以B樁下層土體的壓密面積比C樁的大，在等水平荷載下B樁比C樁的位移梯度小。

2.3 水平承載力特征值

圖4為3根管樁的水平荷載-位移曲線。

圖4 荷載-位移曲線Fig.4 The curves of horizontal load-displacement

從圖4可知，A樁的曲線較陡，已接近破壞狀態(tài)，B樁的曲線變化緩慢，C樁的曲線介于兩者之間。從曲線變化趨勢可知，A樁的樁周土已接近土的極限狀態(tài)，B樁的樁周土塑性發(fā)展較慢，而C樁的樁周土次之。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，對于水平樁可取樁的水平位移為10mm所對應(yīng)的樁身承載力的75%為單樁水平承載力特征值，從而得到A, B, C樁單樁水平承載力特征值分別為1.5, 2.1, 1.9kN。如果將水平承載力特征值與樁身體積之比定義為單位體積水平承載力特征值，那么A, B, C樁單位體積水平承載力特征值分別為95, 147, 115kN/m3。比較3樁的單位體積水平承載力特征值可知，B樁比A樁提高了55.1%，C樁比A樁提高了21.6%，這說明變截面管樁比等截面管樁承載能力高。B和C樁變徑比分別為0.57和0.71，說明變截面管樁變徑比越大，單位體積水平承載力特征值越小，材料利用率也越低。

3 結(jié)論

本文通過2種不同尺寸的變截面管樁單樁與等截面管樁的水平載荷模型試驗，對黏性土地層中變截面管樁的水平荷載性狀進(jìn)行了研究，可以得出如下結(jié)論：

1）在同等條件下的軟黏土層中，變截面管樁的水平承載性能比等截面管樁的高；變截面管樁的位移梯度變化比等截面管樁的緩慢。

2）變徑比分別為0.57和0.71的變截面管樁的單位體積水平承載能力特征值比等截面管樁分別提高55.1%和21.6%。變截面管樁變徑比越小，單位體積水平承載力特征值越大，材料利用率也越高。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Model Test Study of Horizontal Bearing Behaviors of Variable-Section Pipe Piles

Yin Hongchun，Yang Qingguang，Liu Jie
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Makes single pile horizontal static load model tests on an equal-diameter pipe pile and 2 variable-section pipe piles in the indoor foundation pit, and compares and studies their difference of horizontal bearing capacity. The results show that: the critical load of equal-diameter pipe pile and variable-section pipe piles of variable section ratio of 0.57 and 0.71 is 1.2, 1.6 and 1.2kN, respectively; their characteristic value of horizontal bearing capacity per unit volume is 95, 147 and 115 kN/m3, respectively. The pipe piles of variable section ratio of 0.57 and 0.71 improve horizontal bearing capacity of 55.1% and 21.6% per unit volume respectively comparing to equal-diameter pipe pile; and the smaller variable section ratio of variable-section pipe pile is, the greater horizontal bearing capacity per unit volume is and the higher material utilization is.

horizontal static load；variable-section pipe pile；equal diameter pipe pile；horizontal bearing capacity per unit volume

TU473.1

A

1673-9833(2014)02-0038-04

2013-12-23

國家自然科學(xué)基金資助項目（51208194）

尹宏春（1988-），男，湖南邵陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為地基處理，E-mail：hilbok88@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.02.008