預應力混凝土竹節(jié)樁承載性能對比試驗研究

楊成斌,張能欽,謝文蘋,周兆弟

(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.浙江天海管樁有限公司,浙江 杭州 310024)

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預應力混凝土竹節(jié)樁承載性能對比試驗研究

楊成斌1,張能欽1,謝文蘋1,周兆弟2

(1.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009; 2.浙江天海管樁有限公司,浙江 杭州 310024)

預應力混凝土竹節(jié)樁(簡稱“竹節(jié)樁”)是在普通預應力混凝土管樁(簡稱“管樁”)基礎上改良而來的新樁型。文章介紹了竹節(jié)樁的構造和接樁技術,并通過現(xiàn)場靜載試驗,對竹節(jié)樁在軟土地基中的承載性能進行了對比研究。試驗表明:竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力與管樁和預應力混凝土空心方樁(簡稱“方樁”)相比,均能提高20%左右,單樁豎向抗拔極限承載力比管樁提高60%以上。竹節(jié)樁由于設置了環(huán)向、縱向凸肋,改變了樁-土接觸方式和樁身粗糙度,有利于樁側摩阻力的充分發(fā)揮。在荷載水平較低時,樁頂位移曲線近似為直線,當荷載增加到一定程度時,會在土體中形成一個直徑與環(huán)向凸肋大小相當的圓筒形剪切滑動面。

預應力混凝土竹節(jié)樁;靜載試驗;極限承載力;沉降;上拔位移

0 引 言

普通預應力混凝土管樁(簡稱“管樁”)在我國于20世紀50年代試生產,經過半個多世紀的發(fā)展,目前已廣泛應用于高層建筑、港口、橋梁、高速公路等各類建筑物和構筑物的基礎中[1]。然而,在處理深厚軟土地基時,管樁還存在一些問題,影響其進一步推廣,主要表現(xiàn)為:① 樁側摩阻力較低,單樁豎向承載力不高;② 管樁主要通過焊接方式連接,焊接質量無法保證;③ 管樁的抗彎、抗剪性能較差[2-3],耐久性有待提高。

為了解決管樁存在的問題,研究者對樁身截面做了不同的改進[4-7],大都通過提高樁端阻力或樁側摩阻力的方法來改善樁的承載特性。日本早在1934年就對管樁的生產工藝進行了改進,在此基礎上開發(fā)了帶節(jié)PHC樁(簡稱“節(jié)樁”)[1],文獻[8-9]通過足尺模型試驗對節(jié)樁的承載性能進行了研究。我國冶金部建筑研究總院于1992年引進節(jié)樁技術,文獻[10]通過現(xiàn)場試驗,對節(jié)樁的荷載傳遞規(guī)律進行了分析研究。預應力混凝土竹節(jié)樁(簡稱“竹節(jié)樁”)是浙江天海管樁有限公司在普通管樁基礎上改良而來的新樁型,目前已在沿海軟土地區(qū)開展應用,但整體上仍處于技術開發(fā)和研究階段[11]。本文以現(xiàn)場靜載試驗為基礎,對竹節(jié)樁的承載特性進行對比研究。

1 預應力混凝土竹節(jié)樁介紹

1.1 預應力混凝土竹節(jié)樁的構造

預應力混凝土竹節(jié)樁是沿樁身外壁每隔1～3 m設置1節(jié)環(huán)向凸肋,與節(jié)樁的區(qū)別在于,其在樁周外側對稱加設了4條縱肋以連接環(huán)向凸肋,如圖1所示。竹節(jié)樁將管樁的光圓截面改為凹凸形,這種構造改變了樁-土接觸方式和樁身粗糙度,使得樁的側摩阻力充分發(fā)揮。與相同樁徑、樁長的管樁相比,竹節(jié)樁可節(jié)省混凝土用量15%以上,降低生產成本10%左右[11],經濟效益顯著。

圖1 預應力混凝土竹節(jié)樁

1.2 預應力混凝土竹節(jié)樁的接樁技術

普通管樁通常采用焊接的方式接樁,每次接樁時間約為20 min,且需要等焊縫自然冷卻至適宜溫度后方可繼續(xù)沉樁。這種接樁方式降低了管樁的施工效率,并且接頭易松動、開裂,往往成為工程質量隱患。

為了彌補焊接工藝的不足,浙江天海管樁有限公司研發(fā)了機械式接樁技術[12],連接件構造如圖2所示。接樁時在上節(jié)樁張拉端的小螺帽上安裝插桿,同時將彈簧、基墊、卡片和中間螺母依次安裝在下節(jié)樁固定端的大螺母內,連接件安裝完成后在下節(jié)樁端面涂抹環(huán)氧樹脂、固化劑等組成的密封材料,然后進行接樁操作,整個過程僅需2～3 min,大大提高了接樁效率。

1.大螺母(內設卡臺裝環(huán)氧樹脂) 2.基墊 3.卡片 4.鋼棒 5.小螺帽 6.插桿 7.中間螺母 8.彈簧

2 竹節(jié)樁現(xiàn)場對比試驗研究

2.1 工程實例1

(1) 工程概況。某工程位于嘉興軟土地區(qū),地層分布及物理力學性質見表1所列。

表1 實例1地基土物理力學參數 kPa

設計采用樁基礎,試樁選用了竹節(jié)樁、管樁和方樁各2根進行抗壓對比試驗,設計樁長均為39 m,以⑥層黏土作為持力層,樁身混凝土強度為C80。竹節(jié)樁(編號SA1、SA2)最大外徑(帶肋)為500 mm,最小外徑為460 mm,壁厚100 mm;管樁(編號SB1、SB2)外徑為500 mm,壁厚100 mm;方樁(編號SC1、SC2)外邊長為500 mm,內徑為300 mm。

(2) 抗壓靜載試驗。試驗利用壓樁機及配重加載裝置,同時采用武漢沿海工程技術有限公司的基樁靜載荷測試分析系統(tǒng)全自動采集數據。試驗過程按照文獻[13]中關于慢速維持荷載法的規(guī)定進行,6根樁的試驗結果如圖3所示,見表2所列。

試樁編號樁徑或邊長/mm最大試驗荷載/kN豎向抗壓極限承載力/kN終壓沉降量/mmSA1500～4603840384036.79SA2500～4603840384037.89SB15003200320035.75SB25003200320038.61SC15003200313342.74SC25003200306845.39

(3) 試驗結果對比分析。由圖3可以看出,6根試樁的荷載(P)-沉降(s)曲線均為緩變型,表現(xiàn)為當荷載小于640 kN時,6根試樁的P-s曲線近似為直線,在中、高荷載時沉降有逐級加大的變化趨勢。

由圖3還可以看出,方樁在每級荷載下的沉降量均比竹節(jié)樁和管樁大。當荷載小于2 100 kN時,竹節(jié)樁的沉降量比管樁大。這是由于加載初期2種樁型對樁周土體的作用以摩擦力為主，竹節(jié)樁與管樁相比樁土接觸面積較小，因而提供的側摩阻力較小。當荷載大于2 560 kN時，竹節(jié)樁的樁身(特別是在非肋部處)與樁周土體緊密接觸，環(huán)肋下方土體試圖抵抗竹節(jié)樁向下運動，即對環(huán)肋產生較大的阻力，樁身沉降量明顯小于普通管樁的沉降量，承載性能顯著提高。

由表2可以看出,竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力為3 840 kN,與管樁和方樁相比均能提高20%左右,并且竹節(jié)樁在3種樁型中生產成本最低,經濟效益明顯。

2.2 工程實例2

(1) 工程概況。某工程位于沿海軟土地區(qū),基礎樁擬采用管樁和竹節(jié)樁2種樁型,設計有效樁長均為26 m,樁身混凝土強度為C80。S1、S2、S3試樁為竹節(jié)樁,S4、S5、S6試樁為管樁,6根試樁的參數與工程實例1中相應樁型的參數相同。場地地層及物理力學參數見表3所列,以⑥層黏土作為持力層,設計單樁豎向抗拔承載力特征值均為580 kN。

表3 實例2地基土物理力學參數 kPa

(2) 抗拔靜載試驗。按照慢速維持荷載法對6根樁分別進行單樁抗拔靜載試驗,試驗結果如圖4所示,見表4所列。

圖4 抗拔試驗U-δ曲線

試樁編號樁徑/mm最大試驗荷載/kN豎向抗拔極限承載力/kN最大上拔量/mmS1500～4601160≥116010.05S2500～4601160≥11609.39S3500～4601160≥11608.87S4500812696103.25S5500696580100.32S6500696580101.98

(3) 試驗結果對比分析。由圖4可知,3根竹節(jié)樁的荷載(U)-上拔位移(δ)曲線均呈緩變型,各級荷載下的上拔位移增量變化幅度不大。當竹節(jié)樁、管樁的累積加載量分別小于348、232 kN時,U-δ曲線近似為直線,3根管樁分別加載至812、696、696 kN時樁帽與樁身突然拉開,上拔位移急劇增大。按規(guī)范當累積上拔量超過100 mm時終止試驗,取上一級荷載作為抗拔極限承載力。

由圖4、表4可以看出,竹節(jié)樁由于設置了縱向、環(huán)向凸肋,有利于樁側摩阻力的充分發(fā)揮,因此在各級荷載下的上拔位移均比管樁小,而單樁豎向抗拔極限承載力能達到1 160 kN以上,比管樁提高60%以上。

3 竹節(jié)樁承載機理分析

在樁身構造方面,竹節(jié)樁沿樁身設置了環(huán)向凸肋,并通過縱向凸肋連接成整體,這種構造改變了樁-土接觸方式和樁身粗糙度,與管樁的光圓截面相比,側摩阻力顯著提高。

在沉樁方面,竹節(jié)樁在沉樁過程中環(huán)向凸肋對樁周土體具有擠密作用,并在肋部之間形成空隙,加快了樁周軟土的排水固結,提高了樁周土體的強度。沉樁完成后,樁周土體逐漸與樁身重新接觸。

在荷載傳遞方面,竹節(jié)樁承受豎向荷載時,樁身肋部將應力傳遞到土體中,使樁周軟土進一步擠密,同時文獻[8,11]指出肋部還具有承壓作用,產生的承壓力又作為附加應力施加于樁周土體,提高了樁周土體的抗剪強度。當傳遞給樁周土體的應力超過土體的抗剪強度時,便在土體中形成一個直徑與環(huán)向凸肋大小相當的圓筒形剪切滑動面,滑動面內的土體隨著樁身一起位移。

4 結 論

竹節(jié)樁是在普通管樁基礎上改良而來的新樁型,通過設置環(huán)向和縱向凸肋,改變了樁-土接觸關系,有效提高樁側摩阻力。

在相同條件下,竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力與管樁和方樁相比均能提高20%左右,單樁豎向抗拔極限承載力比管樁提高60%以上,同時竹節(jié)樁能節(jié)省混凝土用量,降低生產成本,經濟效益顯著。

竹節(jié)樁屬于摩擦端承樁,在荷載水平較低時,樁頂位移曲線近似為直線,當荷載增加到一定程度時,會在土體中形成一個直徑與環(huán)向凸肋直徑大小相當的圓筒形剪切滑動面。

[1] 匡紅杰,朱群芳,徐祥源.先張法預應力混凝土異型樁的發(fā)展概況調研[J].混凝土與水泥制品,2012(12):27-30.

[2] 周安,劉小樂,陳凱,等.PHC管樁抗彎承載力研究[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2014,37(1):91-94.

[3] 周安,陳凱,劉小樂,等.預應力混凝土管樁抗裂抗剪性能研究[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2013,36(9):1093-1096.

[4] 黃敏,龔曉南.一種帶翼板預應力管樁及其性能初步研究[J].土木工程學報,2005,38(5):59-62.

[5] 高盟,王瀅,高廣運,等.一種大直徑擴底樁端阻力和側阻力的確定方法[J].巖土力學,2013,34(3):797-801.

[6] 巨玉文,梁仁旺,白曉紅,等.擠擴支盤樁中支盤破壞形態(tài)的試驗研究[J].工程力學,2013,30(5):188-194.

[7] 張忠苗,喻君,張廣興,等.PHC管樁和預制方樁受力性狀試驗對比分析[J].巖土力學,2008,29(11):3059-3065.

[8] OGURA H,YAMAGATA K,OHSUGI F.Study on bearing capacity of nodular cylinder pile by full-scaled test of jacked piles[J].Journal of Structural and Construction Engineering,1988,386:66-77.

[9] SHODA D,UCHIDA K,KAWABATA T,et al.Analysis of ultimate bearing capacity for nodal base of pile with multi-stepped two diameters[C]//Proceedings of the Seventeenth International Offshore and Polar Engineering Conference,Lisbon,Portugal.[S.l.:s.n.],2007:1433-1439.

[10] 史玉良.預制節(jié)樁的荷載試驗及荷載傳遞性能分析[J].工業(yè)建筑,1993(7):3-9,20.

[11] 熊厚仁,牛志榮,蔣元海,等.新型帶肋預應力管樁承載特性試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2009(2):32-35.

[12] 周兆弟.上螺下頂接樁扣及預制件:ZL200510102752X[P].2005-09-14.

[13] 中國建筑科學研究院.建筑基樁檢測技術規(guī)范:JGJ 106—2014[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014:15-16.

(責任編輯 張淑艷)

Contrastive experimental study of bearing capability of pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile

YANG Chengbin1,ZHANG Nengqin1,XIE Wenping1,ZHOU Zhaodi2

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Zhejiang Tianhai Pipe Pile Co., Ltd., Hangzhou 310024, China)

Pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile(PSCBP) is a new type of pile which is developed on the basis of traditional pre-stressed spun concrete pipe pile(PSCPP). The structure and mechanical bonding technology of PSCBP are introduced, and its bearing capability in soft soil is researched based on static load tests. The results show that the vertical ultimate bearing capacity of single PSCBP increases by 20% compared with that of PSCPP and pre-stressed spun concrete square pile(PSCSP), and the vertical uplift ultimate bearing capacity of single PSCBP increases by over 60% compared with that of PSCPP. Due to the annular and longitudinal convex rib, contact area between the pile and soft soil and pile roughness increase. In this case, the side friction of PSCBP is fully exerted. The curves of displacement at the top of the PSCBP are similar to straight lines in the low load. When the load increases, a cylindrical shear plane which is same as annular convex rib in diameter will be formed in the soft soil.

pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile(PSCBP); static load test; ultimate bearing capacity; settlement; uplift displacement

2015-06-18；

2015-07-28

合肥工業(yè)大學產學研校企合作資助項目(W2014JSFW0415)

楊成斌(1962-),男,安徽滁州人,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.022

TU473.11

A

1003-5060(2016)10-1407-04