大直徑開口鋼管樁豎向承載特性試驗(yàn)研究

胡士兵，王忠瑾，張永永

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100；3.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州310014）

大直徑開口鋼管樁豎向承載特性試驗(yàn)研究

胡士兵*1，王忠瑾2，張永永3

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波315100；3.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江杭州310014）

利用分布式光纖傳感技術(shù)獲得了大直徑開口鋼管樁在豎向壓力下的樁身應(yīng)變。在抗壓靜載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力隨樁頂荷載的發(fā)揮規(guī)律。樁身軸力沿深度的分布、各土層側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮均與樁頂荷載的大小密切相關(guān)。在各級(jí)荷載下，樁身變形主要表現(xiàn)為軸向彈性壓縮。假定樁端阻力主要來(lái)自土塞，分析了土塞與內(nèi)壁的相互作用隨樁頂荷載的變化?；谝痪S豎向平衡分析和有效土塞高度的研究，建議了大直徑開口鋼管樁的承載力計(jì)算方法，為工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

分布式傳感光纖；大直徑；開口鋼管樁；土塞；荷載傳遞；豎向承載力

1　概述

相對(duì)于混凝土預(yù)制樁，鋼管樁具有較強(qiáng)的穿透力、較大的承載力與較高的強(qiáng)度，且鋼管樁施工速度快、打樁安全，更易于運(yùn)輸、更容易適應(yīng)各種復(fù)雜的地形。

相對(duì)鋼管樁在工程界的廣泛使用，其承載力試驗(yàn)與計(jì)算理論遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。已有關(guān)于大直徑鋼管樁承載力特性的試驗(yàn)研究較少，且部分試驗(yàn)結(jié)論差異較大甚至完全相反［1-2］，部分現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，按照現(xiàn)有的計(jì)算方法得到的結(jié)果較實(shí)測(cè)承載力大，這對(duì)工程安全性是極為不利的。目前，針對(duì)管樁承載力的理論研究，主要有基于可靠度理論的承載力分析方法、數(shù)值計(jì)算方法與對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方法的改進(jìn)。各種不確定性因素的變異性對(duì)樁基承載力可靠度均有影響，尤其對(duì)計(jì)算模式的不確定性非常敏感；數(shù)值計(jì)算結(jié)果與所選用的土體本構(gòu)模型、樁—土接觸計(jì)算模型、計(jì)算網(wǎng)格的選取等因素有關(guān)，且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)承載力結(jié)果有較大偏差［4-5］。

本文基于分布式光纖傳感技術(shù)，得到大直徑開口鋼管樁在荷載作用下的應(yīng)變等參數(shù)，結(jié)合某工程大直徑開口鋼管樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，分析了深厚土層中大直徑開口鋼管樁的豎向承載性狀和荷載傳遞機(jī)理，并對(duì)其承載力的計(jì)算方法進(jìn)行了初步探討。

2　工程地質(zhì)情況及試樁概況

試樁為龍?jiān)慈鐤|試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)工程基樁，S1樁與S2樁長(zhǎng)度均為36.8m，直徑為1400mm，抗壓承載力試驗(yàn)均采用靜載荷試驗(yàn)方法。S1試樁最大加載量為13200kN，S2試樁最大加載量為10800kN。

3　靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1各級(jí)荷載下的樁頂與樁端沉降

試樁各級(jí)荷載下的樁頂沉降、樁端沉降與樁身壓縮量如圖1所示。

圖1　S1與S2試樁荷載—沉降曲線

由圖1曲線可以看出，當(dāng)荷載較小時(shí)，樁頂即產(chǎn)生沉降，S1與S2試樁的荷載—沉降曲線表現(xiàn)為線性關(guān)系，樁端沉降很小。在此階段，樁頂沉降與樁頂荷載程線性關(guān)系，樁身變形表現(xiàn)為軸向彈性壓縮變形，樁頂沉降主要由樁身壓縮變形組成。

當(dāng)樁頂荷載增大到一定值時(shí)，樁頂沉降增速逐漸增大，荷載—沉降曲線逐漸變?yōu)榉蔷€性，樁端沉降亦逐步增大。由圖1可知，在各級(jí)荷載作用下，樁身壓縮變形主要表現(xiàn)為彈性壓縮變形。樁頂荷載增大到一定值后，樁端沉降開始趨于明顯，且表現(xiàn)為非線性沉降。

3.2各級(jí)荷載下的樁身軸力

通過預(yù)埋在樁身的光纖傳感器可以得到試樁在各級(jí)荷載下的樁身應(yīng)變分布，試樁S1與S2的樁身軸力沿深度的分布如圖2所示。

圖2　樁身軸力分布圖

3.3各級(jí)荷載作用下樁側(cè)摩阻力與樁土相對(duì)位移的關(guān)系

各級(jí)荷載下樁側(cè)摩阻力與樁土相對(duì)位移的關(guān)系，分布式光纖傳感技術(shù)可得到每間隔0.05m樁身截面的應(yīng)變，本文選取數(shù)據(jù)較好的斷面計(jì)算了樁側(cè)平均摩阻力與樁土相對(duì)位移的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3可知，樁側(cè)摩阻力的大小和樁土相對(duì)位移有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與樁土相對(duì)位移的大小呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)樁土相對(duì)位移較小時(shí)，樁側(cè)摩阻力隨著樁土相對(duì)位移的增大而增大，隨著樁土相對(duì)位移的逐漸增大，樁側(cè)摩阻力達(dá)到峰值，此后樁側(cè)摩阻力幾乎不再增大。

由圖3還可看出，在同一土層中，隨著樁土相對(duì)位移的增大，樁側(cè)摩阻力相應(yīng)增大，增加的幅度也基本一致。

圖3　樁側(cè)摩阻力—樁土相對(duì)位移曲線

S1試樁與S2試樁的平均樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度與樁土的相對(duì)位移較合理。

3.4樁端阻力與樁端沉降的關(guān)系及破壞模式

由圖1可知，當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁端沉降十分微小，只有當(dāng)樁頂荷載增大到一定程度時(shí)，樁端才開始產(chǎn)生明顯沉降。由計(jì)算得到的樁端阻力與實(shí)測(cè)得到的樁端沉降，可得到樁端阻力與樁端沉降的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4可知，在極限載荷內(nèi)，樁端阻力的發(fā)揮與樁端位移的大小呈雙折線關(guān)系。

S1試樁最終加載至13200kN，與此對(duì)應(yīng)的樁端沉降為78.73mm，S2試樁樁頂最終加載10800kN，對(duì)應(yīng)的樁端沉降為108.90mm，S1與S2試樁均發(fā)生刺入破壞。從S1試樁與S2試樁的樁端阻力與樁端沉降的擬合度看，采用三折線模型可較好地?cái)M合樁端阻力與樁端位移的關(guān)系。

4　大直徑開口鋼管樁承載機(jī)理分析

圖4　樁端阻力與樁端位移曲線

目前，針對(duì)開口鋼管樁的承載力的計(jì)算理論還不完善，相關(guān)的試驗(yàn)研究亟待開展，特別是大直徑開口鋼管樁的承載力計(jì)算方法。在施工過程中，由于大直徑開口鋼管樁中間是空的，其擠土效應(yīng)與實(shí)心樁擠土機(jī)理存在較大的區(qū)別，部分土體會(huì)擠入到樁中，形成土塞，土塞與樁內(nèi)壁的相互作用是一個(gè)和多種因素相關(guān)的復(fù)雜問題。土塞的性質(zhì)不僅會(huì)直接影響到樁端阻力的發(fā)揮，還會(huì)對(duì)樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生影響。開口鋼管樁的樁端阻力主要來(lái)自樁內(nèi)壁所形成的土塞。

試驗(yàn)和理論分析均表明［9-10］，鋼管樁樁身側(cè)摩阻力與樁內(nèi)壁土塞阻力的發(fā)揮是不同。樁側(cè)摩阻力在各級(jí)荷載下均得到有效發(fā)揮，而樁內(nèi)壁的摩阻力，只有當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，才能得到有效發(fā)揮。土塞模量愈低，土塞高度愈大，充分發(fā)揮土塞側(cè)阻所需沉降也越大。

圖5　內(nèi)壁摩阻力隨樁頂荷載的變化

由圖5可知，當(dāng)試樁S1與S2樁頂荷載分別小于4800kN和6000kN時(shí)，樁端阻力微小，樁內(nèi)壁摩阻力幾乎為0，此時(shí)上部土塞力的傳遞對(duì)承載力沒有有效發(fā)揮。只有當(dāng)樁頂荷載增大到一定程度時(shí)，樁端處土塞與內(nèi)壁的摩擦力開始有效發(fā)揮，且隨樁頂荷載的繼續(xù)增大，土塞總的摩阻力呈線性增大，直至樁端土體發(fā)生刺入破壞。

當(dāng)樁端處土塞摩阻力開始有效發(fā)揮時(shí)，土塞的受力可采用簡(jiǎn)化的一維豎向平衡分析［9］，如圖8所示。

圖6　土塞的應(yīng)力條件（Randolph，1991）

已有研究成果顯示，一定高度以上的土柱部分對(duì)于土塞承載力的貢獻(xiàn)非常小，即存在土塞的有效高度。目前，被認(rèn)可的土塞有效高度一般為5倍樁徑左右，當(dāng)高度大于此數(shù)值時(shí)，土柱多數(shù)情況下不會(huì)發(fā)生破壞［10］。

5　結(jié)論

在某工程2根大直徑開口鋼管樁試樁靜載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出了如下結(jié)論：

（1）大直徑開口鋼管樁的承載力表現(xiàn)為摩擦樁的性狀，在各級(jí)荷載作用下，樁身軸向變形呈線性壓縮變形。樁身側(cè)摩阻力沿樁深的發(fā)揮是一個(gè)異步的過程，上部土層的側(cè)摩阻力發(fā)揮先于下部土層。隨著荷載的增加，平均側(cè)摩阻力也相應(yīng)增大，但增加的幅度也有所差別。

（2）各級(jí)荷載下，樁身軸力隨著深度的增加而減少。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁身下部軸力幾乎為0，隨著荷載的增大，樁端阻力也開始逐漸發(fā)揮出來(lái)，所占樁頂荷載的比例隨荷載的增加逐漸增大，樁頂荷載接近極限承載力時(shí)，本文工程中采用的基樁樁端力約為極限荷載的20%。

（3）樁身側(cè)摩阻力沿樁深的發(fā)揮是一個(gè)異步的過程，上部土層的側(cè)摩阻力發(fā)揮先于下部土層。隨著荷載的增加，平均側(cè)摩阻力也相應(yīng)增大，但增加的幅度也有所差別。

（4）樁內(nèi)壁所形成的土塞，其與內(nèi)壁相互作用于樁頂荷載大小密切相關(guān)。只有當(dāng)樁頂荷載增大到一定值，土塞與內(nèi)壁的摩阻力才能得到有效發(fā)揮，樁端力主要與有效土塞高度內(nèi)的摩阻力相平衡。

［1］金東振，施嗚昇，秦玉琪，等.提高大直徑鋼管樁承載力的探討［J］.水運(yùn)工程，1980（9）：1-6.

［2］賈德慶，陳鋒，呂黃.大直徑開口鋼管樁承載力特性的分析［J］.水運(yùn)工程，2004（10）：22-24.

［3］胡利文，賈德慶，傅潔馨.開口鋼管樁承載力影響因素［J］.水運(yùn)工程，2005（9）：17-22.

［4］許英，徐駿，吳興祥.港口工程大直徑管樁豎向承載力可靠性研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25（6）：516-519.

［5］魏興龍，左軍成，段愛華.開口鋼管樁豎向承載力分析［J］.人民長(zhǎng)江，2011，42（11）：32-34.

［6］王君輝，馮建國(guó)，張華平.開口鋼管樁樁基承載力樁端部分

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A

1004-5716（2016）02-0017-04

2015-10-14

2015-11-30

胡士兵（1980-），男（漢族），安徽天長(zhǎng)人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事巖土工程研究、設(shè)計(jì)、咨詢等工作。