螺鎖式異型復(fù)合樁承載力試驗(yàn)分析

朱 正

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

螺鎖式異型復(fù)合樁(以下簡稱異型復(fù)合樁)是水泥土樁與植入的螺鎖式異型管樁復(fù)合而成的樁型。近年來，在沿海軟土地區(qū)逐步推廣和應(yīng)用，該樁同時(shí)具備異型管樁和水泥土樁的優(yōu)點(diǎn)，既利用了異型管樁高強(qiáng)度、低壓縮模量來承擔(dān)荷載，又利用異型管樁與水泥土樁接觸面的強(qiáng)黏結(jié)力、異型管樁樁身帶肋的特點(diǎn)增大樁土接觸面積來提高側(cè)摩阻力。

目前國內(nèi)不少學(xué)者對異型管樁及水泥土復(fù)合樁承載特性展開研究。吳邁等[1]通過模型試驗(yàn)提出芯樁承擔(dān)大部分荷載，并通過樁側(cè)和樁端阻力傳遞給水泥土，水泥土進(jìn)一步通過樁側(cè)和樁端阻力傳遞給樁周土。董平等[2]通過對混凝土芯水泥土樁進(jìn)行有限元分析，提出上部荷載基本由混凝土內(nèi)芯承擔(dān)，該復(fù)合樁的工作特性與單樁相似，而不是復(fù)合地基的性狀。陳穎輝等[3]通過現(xiàn)場試驗(yàn)提出芯樁側(cè)面積過小和水泥土樁強(qiáng)度過低時(shí)，芯樁與水泥土之間摩阻力、端阻力先進(jìn)入極限狀態(tài)，從而引起樁身破壞。錢于軍等[4]主要通過對現(xiàn)場管樁及水泥土-管樁復(fù)合樁進(jìn)行試樁試驗(yàn)，測試樁身軸力分布，提出復(fù)合基樁樁土界面的側(cè)摩阻力較PHC管樁與鉆孔灌注樁均有大幅度提高。龔曉南等[5]通過對現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)及有限元分析提出竹節(jié)樁樁周水泥土可以增大樁-土接觸面積從而增大樁側(cè)摩阻力。李立業(yè)[6]通過試驗(yàn)提出混凝土預(yù)制樁植入水泥土攪拌樁的過程對水泥土有一定的擠密作用，可以減小水泥土的總變形，但在排水條件較差的土層中，水泥土的強(qiáng)度和模量增加不明顯。

通過對上海某工程異型復(fù)合樁試樁和工程樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，分析異型復(fù)合樁的抗壓和抗拔承載特性。

1 工程地質(zhì)條件

表1 土層分布情況與土體力學(xué)指標(biāo)

2 試樁情況及試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 承載力估算

在試驗(yàn)場地南區(qū)、北區(qū)各進(jìn)行6根異型復(fù)合樁破壞性豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)和6根異型復(fù)合樁破壞性豎向抗拔靜載荷試驗(yàn)。異型復(fù)合樁施工過程：先施打直徑700mm的水泥土攪拌樁(外芯樁)，6h內(nèi)植入異型管樁(內(nèi)芯樁)，外芯樁和內(nèi)芯樁等長，異型管樁采用的型號：抗壓試樁為T-PHC C500-460(110)-15，15，12，抗拔試樁為T-PHC D500-460(130)-10，10，11，支撐樁為T-PHC C500-460(110)-10，10，11。樁頂標(biāo)高均為4.300m，異型復(fù)合樁如圖1所示。根據(jù)JGJ/T405—2017《預(yù)應(yīng)力混凝土異型預(yù)制樁技術(shù)規(guī)程》[7]中異型復(fù)合樁承載力計(jì)算公式，參考表1中各土層物理力學(xué)指標(biāo)，初步估算本場地試樁在3種破壞模式下抗壓及抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，其中抗拔樁只考慮群樁呈非整體破壞，極限承載力估算結(jié)果如表2所示，異型復(fù)合樁豎向抗壓和抗拔極限承載力取估算結(jié)果的小值。

表2 極限承載力估算結(jié)果 kN

根據(jù)表2中承載力估算結(jié)果可知，一般情況下，異型復(fù)合樁的外芯與樁周土界面先出現(xiàn)破壞。本工程抗拔樁不允許出現(xiàn)裂縫時(shí)軸心抗裂拉力為1 466kN以及抗壓樁不考慮壓曲影響下樁身軸心受壓承載力為3 691kN。本次試驗(yàn)抗壓試樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取3 600kN，抗拔試樁豎向抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取1 450kN。

表4 抗拔試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試樁概況

試樁達(dá)到28d齡期后進(jìn)行破壞性靜載荷試驗(yàn)。采用慢速維持荷載法，抗壓靜載荷試驗(yàn)采用壓重平臺反力裝置，壓板尺寸與復(fù)合樁的截面尺寸一致，抗拔靜載荷試驗(yàn)采用支撐樁提供反力。加載按極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的1/10為加載極差，直到加載至破壞。抗拔試樁累計(jì)上拔量超過30mm時(shí)終止加載，其余樁頂位移觀測量、試驗(yàn)終止標(biāo)準(zhǔn)及極限承載力判定等均參照DG/TJ08—218—2017《建筑地基與基樁檢測技術(shù)規(guī)程》[8]、JGJ106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[9]執(zhí)行。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

北區(qū)6根抗壓試樁編號為NY1～NY6，6根抗拔試樁編號為NB1～NB6。南區(qū)6根抗壓試樁編號為SY1～SY6，6根抗拔試樁編號為SB1～SB6，試驗(yàn)結(jié)果如表3，4所示，抗壓樁曲線如圖2所示，抗拔樁曲線如圖3所示。

表3 抗壓試驗(yàn)結(jié)果

圖2 抗壓樁Q-s曲線

圖3 抗拔樁U-δ曲線

2.3.1承載力分析

1)北區(qū)NY6抗壓樁因樁頂混凝土壓碎停止試驗(yàn)，樁土界面未發(fā)生破壞，其余5根抗壓樁的豎向抗壓極限承載力實(shí)測值為估算值(4 053.0 kN)的1.15～1.24倍；南區(qū)6根抗壓樁的豎向抗壓極限承載力實(shí)測值為估算值(4 053.0kN)的0.98～1.07倍。

2)北區(qū)6根抗拔樁的豎向抗拔極限承載力實(shí)測值為估算值(1 905.8 kN)的0.91～1.06倍。南區(qū)6根抗拔樁的豎向抗拔極限承載力為估算值(1 905.8kN)的0.61～0.68倍。

3)僅南區(qū)6根抗拔試樁承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)表2承載力估算，水泥土與管樁界面的側(cè)阻力比外芯水泥土與樁周土界面的側(cè)阻力大得多。水泥土與管樁界面提前破壞，文獻(xiàn)[10]提出水泥土與混凝土芯體的黏結(jié)強(qiáng)度隨水泥土強(qiáng)度的增加而增大，在水泥土質(zhì)量有保證的情況下不易出現(xiàn)水泥土與管樁接觸面的破壞，能夠保證水泥土與管樁協(xié)同工作。說明該6根試樁水泥土與管樁的凝結(jié)力差，水泥土強(qiáng)度低。

2.3.2破壞特征分析

圖2，3說明：與南區(qū)相比，北區(qū)試樁整體上沉降量或上拔量均較小。破壞面位于外芯與樁周土界面時(shí)，破壞前一、二級的s-lgt，δ-lgt曲線均出現(xiàn)輕微彎曲，樁頂位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間明顯較長，均超過360min，破壞趨勢呈緩變型。破壞面位于內(nèi)芯與外芯界面時(shí)，破壞前一級、二級的δ-lgt曲線無彎曲，樁頂位移達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為210min以內(nèi)，破壞趨勢呈突變型。

2.3.3不同破壞模式下承載力恢復(fù)情況

在NY1，SY5抗壓試樁完成第1次破壞性抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)束28d后，再進(jìn)行第2次破壞性抗壓靜載荷試驗(yàn)。在NB2，SB4抗拔試樁進(jìn)行第1次破壞性抗拔靜載荷試驗(yàn)結(jié)束28d，90d后，再進(jìn)行第2次、第3次破壞性抗拔靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5，6所示。

表5，6結(jié)果說明，抗壓試樁NY1，SY5第2次破壞試驗(yàn)(28d后)的抗壓極限承載力實(shí)測值和第1次破壞試驗(yàn)相同，對應(yīng)的沉降量減少。抗拔試樁NB2第2次破壞試驗(yàn)(28d后)的抗拔極限承載力實(shí)測值和第1次破壞試驗(yàn)相同，第3次破壞試驗(yàn)(90d后)的抗拔極限承載力為第1次破壞試驗(yàn)的1.07倍。抗拔試樁SB4第2次破壞試驗(yàn)(28d后)及第3次破壞試驗(yàn)(90d后)的抗拔極限承載力均是第1次破壞試驗(yàn)的0.56倍。

表5 抗壓樁試驗(yàn)結(jié)果對比

當(dāng)破壞面位于外芯與樁周土界面時(shí)，破壞模式為塑性破壞，隨著樁周土體恢復(fù)和重新固結(jié)后，承載力能恢復(fù)或增長。當(dāng)破壞面位于內(nèi)芯和外芯界面時(shí)，破壞模式為脆性破壞，水泥土與樁側(cè)表面黏結(jié)力破壞，樁側(cè)極限摩阻力大大降低，且不能恢復(fù)。

2.4 試樁承載力差異性原因分析

針對南、北區(qū)試樁承載力差異性較大，從工程地質(zhì)條件、水泥土攪拌樁質(zhì)量、異型管樁接樁質(zhì)量展開分析。

1)地質(zhì)條件

對試樁范圍內(nèi)原狀土進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，土層分布參考試樁范圍內(nèi)詳勘孔，統(tǒng)計(jì)各土層比貫入阻力平均值，南區(qū)、北區(qū)試樁范圍地層對比如表7所示。

表7中數(shù)據(jù)說明：南區(qū)、北區(qū)土層分布情況基本一致，②3-1，②3-2層原狀土靜力觸探Ps值有所差別。北區(qū)②3-1層土靜力觸探Ps平均值是南區(qū)的1.33倍，北區(qū)②3-2層土靜力觸探Ps平均值是南區(qū)的1.86倍。在樁身0～1.8m范圍內(nèi)土層為①1-1層雜填土，雜填土中含有碎石等，在樁身1～10m范圍內(nèi)土層為②3-1黏質(zhì)粉土和②3-2砂質(zhì)粉土，水泥土攪拌樁施工及異型管樁植入過程中，因①1-1，②3-1，②3-2土層中排水條件好，擠密效果好，水泥漿液與碎石、粉土、砂土結(jié)合形成素混凝土、強(qiáng)度高的水泥土加固體，對提高抗壓、抗拔承載力均有利。

2)攪拌樁施工質(zhì)量

對7d齡期的異型復(fù)合樁外芯水泥土攪拌樁進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，測試深度為樁長范圍內(nèi)，南、北區(qū)抗壓試樁和抗拔試樁各檢測3根，統(tǒng)計(jì)不同土層靜力觸探Ps的平均值，靜力觸探測試結(jié)果如表8所示。

表6 抗拔樁試驗(yàn)結(jié)果對比

表7 土層對比

表8 試樁靜力觸探測試結(jié)果

表8結(jié)果說明：在①1-1，②3-1，②3-2層土中，南、北區(qū)水泥土攪拌樁Ps值均較高，土體加固效果明顯；在③，④，⑤1層土中，南區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高2%～7%，提高不明顯，北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高31%～56%；在⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1層土中，南區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高21%～34%，北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相對于原狀土提高45%～85%；在①1-1，②3-1，②3-2層土中，南區(qū)、北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值相差不大，排除該土層對承載力差異的影響；在③，④，⑤1，⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1層土中，北區(qū)水泥土靜力觸探Ps值是南區(qū)水泥土靜力觸探Ps值的1.21～1.38倍。

3)異型管樁接樁質(zhì)量

在試樁前后均對試驗(yàn)樁進(jìn)行低應(yīng)變及孔內(nèi)攝像檢測，樁身均無缺陷，排除接樁位置脫開對承載力的影響。分析可知，南北區(qū)異型復(fù)合樁試樁結(jié)果差異性原因主要為水泥土攪拌樁的施工質(zhì)量。

抗壓試樁和抗拔試樁頂標(biāo)高相同，抗壓樁樁長42m，抗拔樁樁長31m，抗壓樁及抗拔樁樁身0～10m范圍內(nèi)土層為①1-1，②3-1，②3-2；抗壓樁及抗拔樁樁身10～31m范圍內(nèi)土層為③，④，⑤1；抗壓樁樁身31～42m范圍內(nèi)土層為⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1。

南區(qū)③，④，⑤1層土中水泥土成樁質(zhì)量差，內(nèi)芯與外芯界面黏結(jié)力小且接觸面積較外芯與樁周土的接觸面積小，南區(qū)抗拔試樁在內(nèi)芯與外芯界面先達(dá)到極限破壞狀態(tài)。

從荷載傳遞規(guī)律來看，荷載是先從內(nèi)芯向外芯擴(kuò)散，進(jìn)一步從外芯向樁周土體擴(kuò)散，使得抗壓樁上部荷載有效擴(kuò)散到影響范圍大的深層土體中。南區(qū)抗壓樁穿透③，④，⑤1軟弱土層，進(jìn)入⑤3-1，⑤3-2，⑧1-1土質(zhì)較好土層，水泥土強(qiáng)度較高，抗壓試樁在外芯與樁周土界面先達(dá)到極限破壞狀態(tài)。因北區(qū)水泥土質(zhì)量整體較南區(qū)好，北區(qū)抗壓樁承載特性優(yōu)于南區(qū)。

3 工程樁試驗(yàn)情況

本工程異型復(fù)合樁樁頂標(biāo)高為-10.000～-12.000m，樁長為18～28m，均為兩節(jié)樁，上節(jié)樁樁周土層主要為③，④層淤泥質(zhì)土黏土，設(shè)計(jì)要求工程樁靜載荷試驗(yàn)檢測比例為1%，經(jīng)低應(yīng)變和孔內(nèi)攝像法檢測，有嚴(yán)重接樁缺陷的樁(如脫開、錯(cuò)位)，均須進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。

經(jīng)檢測，承載力不合格的工程樁均由上、下節(jié)樁接樁處脫開引起，抗壓破壞荷載和抗拔破壞荷載試驗(yàn)主要為第5，6級荷載，破壞面均位于內(nèi)芯與外芯界面，破壞模式為脆性破壞，主要因上節(jié)樁樁周土質(zhì)差、水泥土強(qiáng)度低。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，抗壓承載力滿足設(shè)計(jì)要求的樁，在第5級荷載作用下，累計(jì)沉降量均不超過6mm，在最大加載量作用下，累計(jì)沉降量均不超過30mm；抗拔承載力滿足設(shè)計(jì)要求的樁，在第5級荷載作用下，累計(jì)上拔量均不超過4mm，在最大加載量作用下，累計(jì)上拔量均不超過15mm。為避免因試驗(yàn)過程造成過工程樁的脆性破壞，因此要求對抗壓靜載荷試驗(yàn)，累計(jì)沉降量超過30mm或第5級荷載作用下，累計(jì)沉降量超過6mm作為試驗(yàn)終止條件；對抗拔靜載荷試驗(yàn)，累計(jì)上拔量超過15mm或第5級荷載作用下，累計(jì)上拔量超過4mm作為試驗(yàn)終止條件。滿足上述試驗(yàn)終止條件的樁，須進(jìn)地基加固或補(bǔ)樁處理。

4 結(jié)語

1)異型復(fù)合樁破壞面位于內(nèi)芯與外芯界面時(shí)，界面破壞剪應(yīng)力小于水泥土剪應(yīng)力，破壞模式為脆性破壞，水泥土與樁側(cè)表面的黏結(jié)力破壞，導(dǎo)致樁側(cè)極限摩阻力大大降低，承載力不易恢復(fù)；破壞面位于外芯與混凝土界面時(shí)，破壞模式呈緩變型，屬于塑性破壞，隨著樁周土重新固結(jié)，承載力能恢復(fù)破壞前狀態(tài)。

2)影響異型復(fù)合樁承載力的主要因素有水泥土的均勻性、強(qiáng)度、異型管樁的接樁質(zhì)量；工程樁施工前應(yīng)進(jìn)行工藝性試樁，確定水泥土攪拌樁施工參數(shù)，嚴(yán)格控制異型管樁的接樁質(zhì)量，確保工程樁的承載安全。

3)異型復(fù)合樁設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮軟土地區(qū)淤泥質(zhì)土對水泥土樁成樁質(zhì)量影響，樁長設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)穿透淤泥質(zhì)土層，進(jìn)入較好的持力層。

4)在施工過程中，對水泥土攪拌樁采用靜力觸探測試，能有效反映異型復(fù)合樁的施工質(zhì)量。

5)對工程樁采用靜載荷法進(jìn)行承載力驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)避免因試驗(yàn)造成工程樁的脆性破壞，可根據(jù)檢測成果設(shè)計(jì)合理的抗壓、抗拔靜載荷試驗(yàn)終止條件。