竹節型管樁抗拔承載性能試驗研究

陳 必 權

(中煤浙江勘測設計有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

目前，竹節型管樁在土建工程中得到了廣泛應用，竹節型管樁是在傳統的預應力管樁基礎上，在樁身每隔一定距離設置形似竹節的外凸橫肋而得名的，其目的是為了改善傳統管樁側表面光滑而與周圍土體摩擦作用相對較小的弱點，使樁側表面傳遞荷載的能力增強。竹節型管樁的研究大多應用于現場工程試驗中，是因為通過此試驗得到的數據精度較高，有較高的可靠性，可以放心使用。但其也有一定的缺點，就是其只能進行一次試驗，不可重復利用，花費較大。因此室內模型試驗就成為一種較好的補充研究方法[1-5]。對不同節間距模型樁進行室內模型試驗，研究了竹節型管樁在土層中的荷載傳遞規律和竹節間距的改變對承載性能的影響。

2 試驗概況

本次試驗主要是針對粉土土層，探討竹節型管樁的單樁抗拔承載性能和如何合理布置竹節間距，為了比較竹節間距的不同對樁承載力的影響，試驗定制了一款長為1 200 mm，寬為600 mm，高為850 mm的模型箱，設計了5根模型樁，模型樁的直徑是20 mm且長度是650 mm。在5根模型樁中除了第一根樁是等截面模型樁以外，其余的樁全是竹節模型樁，每根竹節型管樁的竹節直徑都相同，直徑為25 mm，只是竹節間距不同。第二根樁的竹節間距為30 mm、第三根樁的竹節間距為50 mm、第四根竹樁的節間距為75 mm、第五根樁的竹節間距為100 mm。從樁底以上50 mm開始往上間隔100 mm在樁身布置5組電阻應變片(應變片編號從上至下依次為1號～5號)，在樁周土體充填時設置兩組微型土壓力盒，由于模型箱尺寸限制，試驗分兩次完成，試驗箱中土體為取自某工地的粉土，制作重塑土層時將粉土逐層加入振搗壓實，在試驗過程中需要注意在每級荷載加載穩定后立刻測讀樁身應變、樁周土壓力變化、樁頂位移等有關參數，制成相關圖表后分析比較上述五種樁型的抗拔承載性能的差異。

在模型樁的承載性能測定完成后利用環刀法取出離樁周較遠未受擾動的土體，對土體進行土工試驗測定重塑粉土的土工參數，其參數詳見表1。

表1 模型試驗用土試驗參數

3 試驗數據測量方法

本試驗中測量樁頂的上拔位移時先在樁頂上對稱布置百分表，安裝之后開始分級加載，當每級加載達到加載標準并穩定后記錄百分表讀數和相應荷載值；在加載前在樁身兩側貼應變片，加載完成后記錄各應變片讀數，通過換算可得到軸向應力；加載前和加載后分別記錄模型樁四周的土壓力盒讀數，待加載完成后對比加載前后的應變值變化量，經過公式換算可得到土壓力值。

4 試驗結果及對比分析

通過模型試驗測得的不同竹節間距模型樁的承載性能的試驗數據，繪制Q—S曲線，對四種不同的竹節間距造成的樁體抗拔能力影響進行對比研究，探尋竹節型管樁的承載性能的影響因素以及原理。

4.1 上拔荷載與位移量對比分析

等截面管樁、竹節間距分別為30 mm，50 mm，75 mm，100 mm的竹節型管樁Q—S曲線如圖1所示。

從圖1可以發現5根模型樁上拔位移量—荷載曲線在初期變化較小，曲線較平緩，由此可以得知樁身的上拔量受荷載影響較大，即荷載小，則其小；荷載大，則其大；5根模型樁的曲線的曲率隨著荷載的增大而逐漸增大，雖然曲率較初期變化較大，但基本屬于緩變型曲線。若承載力控制條件控制在1.2 mm上拔量的話，則等截面管模型樁的抗拔承載力約為158 N，竹節間距為100 mm的竹節型管樁抗拔承載力約為197 N，竹節間距為75 mm的竹節型管樁抗拔承載力約為211 N，竹節間距為50 mm的竹節型管樁抗拔承載力約為222 N，竹節間距30 mm的竹節型管樁抗拔承載力約為219 N。

將各根模型樁的抗拔承載力進行對比發現，竹節型管樁的抗拔承載能力和沒有竹節的管樁比較要大，但竹節間距越小并不意味著竹節型管樁的承載力越大。從四種不同竹節間距竹節型管樁承載力對比發現，竹節間距為50 mm的竹節型管樁抗拔承載力最高，而竹節間距為30 mm的竹節型管樁的抗拔承載力卻比竹節間距為50 mm的竹節型管樁低，分析原因發現引起這個現象的原因是由于竹節間距過近，導致承載后期樁身的竹節與土體的相互作用不能發揮，僅靠樁周摩擦發揮作用，反而降低了竹節型管樁的承載力。

4.2 樁身軸力對比分析

通過安裝在樁身兩側的應變片測得其應變值，再根據軸力計算公式F=E(彈性模量)×ε(應變)×A(截面面積)計算出樁身的軸力，等截面管樁的樁頂荷載的三個等級為50 N,100 N,150 N；竹節間距為30 mm的竹節型管樁的樁頂荷載的三個等級為100 N,150 N,200 N；竹節間距為50 mm的 竹節型管樁的樁頂荷載的三個等級為100 N,150 N,200 N；竹節間距為75 mm的竹節型管樁的樁頂荷載的三個等級為100 N,150 N,200 N；竹節間距為100 mm的竹節型管樁的樁頂荷載的三個等級為100 N,150 N,200 N。

通過大量的試驗數據可以發現：在受到上拔荷載時，當模型樁身的高度逐漸變大時，等截面管樁的軸力會逐漸變小，說明荷載較小時樁周摩擦力在管樁側表面幾乎是均勻分布的。竹節型管樁的樁身軸力也會隨著樁身的高度的增加而隨之遞減，但是線型呈非線性現象。為了更好地研究等截面管樁與竹節型管樁的承載性能，把幾根模型樁在Q=150 N時的樁身軸力數據取出對比。等截面管樁從上到下布置的應變片的軸力分別約為138 N，110 N，75 N，38 N，1.6 N；竹節間距為30 mm的竹節型管樁和等直徑樁樁身軸力隨上拔力變化的趨勢較為接近，這是由于在承載后期，當竹節型管樁竹節間距較小時，竹節與土體的作用力不能充分發揮，該竹節型管樁相當于直徑為25 mm的等直徑樁，其承載力主要由樁周土體間的摩擦(剪切)作用提供。而竹節間距為50 mm的竹節型管樁1號～5號應變片的軸力分別約為129 N，75 N，37 N，15 N，2 N，由此可得，相比于等截面管樁，竹節型管樁的樁身軸力變化呈一定的非線性，離加載端越遠，樁身軸力減小更慢，越靠近樁頂樁身軸力減小更為明顯，也就是說節可以傳遞更多荷載量；此外發現越往上遞減現象越不明顯，說明設在樁身下部的節要比上部的節更慢更晚的發揮作用。我們設定判定四根竹節模型樁承受荷載達到最大值時的依據是上拔變形量達到1.2 mm，因此相比于設在模型樁身上部的節，下部的節荷載傳遞效果不明顯，上拔位移較小，結合數據可知在模型樁身下部設置節時不能使其荷載傳遞作用全部發揮出來，在實際工程中可以考慮不在樁身下部設節，或者給予較大位移以保證能最大化地發揮傳遞荷載的作用。

相比于等截面模型樁土之間的相互摩擦，竹節型管樁本身的樁身軸力通過節的荷載傳遞效果更好，由此可見與等截面管樁相比，竹節型管樁的荷載傳遞作用存在較為明顯的不同。

4.3 樁周土壓力對比分析

通過土壓力盒采集到的數據可以由P=(με)(應變量)×K(率定系數)公式轉換成應力值。將上拔荷載與周圍土層的土壓力值的數據進行整理可以得出下列結論：

將5種不同的類型的模型樁的土壓力值放在一起進行比較，發現雖然5根模型樁的試驗條件一樣，但是竹節型管樁周圍的土壓力增量會比較大，且測得的等截面管樁周圍的土壓力增量遠遠小于竹節型管樁所測的土壓力增量，為了能夠更清晰的知道各個模型樁的周圍土壓力值變化，取上拔荷載為150 N時，樁的周圍土壓力值進行比較，各試驗樁上、下兩個位置土壓力盒測得的土壓力增量平均值如表2所示。

表2 各試驗樁周圍土壓力值(荷載為150 N) kPa

由表2可知，等截面樁周圍的土壓力增量與竹節型管樁周圍的土壓力增量相差較大，其遠遠小于竹節型管樁周圍的土壓力增量。我們分析產生這樣現象的原因是：等截面管樁和竹節型管樁傳遞荷載的方式不同，等截面模型樁主要是利用樁側表面與土體之間產生的摩擦力來傳遞荷載，就是土壓力擴散的范圍較小，所以土壓力盒測出的土壓力增量變化不大。竹節型管樁利用節與土體的相互作用來傳遞荷載，這樣樁荷載在土體內的傳遞范圍變廣，則樁周土壓力盒測得的壓力增量變化也大；模型樁的承載力隨著竹節間距的減小而增大，且在荷載作用相同的情況下，模型樁周土體的相對變形減小，說明沿樁長荷載傳遞作用分布更均勻，對局部土體的壓縮量減小，但竹節間距太小，則有可能出現上述所描述的情況，反而使樁的承載力降低。

5 結語

經過了大量的試驗，并對試驗數據進行深入的研究發現：竹節模型樁的抗拔承載能力較大，而等截面模型樁的抗拔承載能力比較小，但竹節間距越小并不意味著竹節型管樁的承載力越大。設在竹節型管樁下部的節對承載性能的貢獻較小。竹節型管樁由于橫肋的存在大大提高了樁側表面的粗糙度，加大了樁—土的摩擦作用力從而提高樁的承載力；當竹節間距合適，樁頂部位移足夠大時，靠近樁頂的部分傳遞荷載的能力較強，當樁身深度越深時，樁身軸力迅速變小，這種現象突顯了五種不同類型的模型樁荷載傳遞作用之間的區別，因此在實際工程中應用竹節型管樁時應考慮采用合理的竹節間距對提高承載力最有意義。