側(cè)肢位置對側(cè)嵌式管樁承載性狀的影響

劉東輝 常文凱 翟 蓮 徐麗娜 王若竹

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）

0 引言

在側(cè)嵌式管樁的基礎(chǔ)上，要綜合各個方面考慮新型樁的經(jīng)濟(jì)效益、施工可行性及側(cè)肢壓入土體的張壓設(shè)備的選擇，并為其投入施工現(xiàn)場使用提供理論依據(jù)和技術(shù)上的支持。試驗對側(cè)嵌式管樁的側(cè)肢不同位置的布置進(jìn)行了豎向及水平荷載的承載性能的研究，并進(jìn)行了ABQUS 的模擬，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與有限元分析變化的趨勢基本保持一致。但由于ABQUS 的模擬與實際工程當(dāng)中有一定的差異，從而試驗與理論分析也會有不同。側(cè)肢在豎向荷載作用下在側(cè)嵌式管樁上起到了一定的承擔(dān)荷載作用，承載力較普通的混凝土管樁的承受能力大。實驗表明，在樁身下部密布一定數(shù)量的側(cè)肢會有效的提高側(cè)嵌式管樁的極限承載力，從而更有效的控制樁身沉降，使樁基基礎(chǔ)更加牢靠。

如果在水平荷載的作用下，側(cè)肢在側(cè)嵌式管樁上也會起到一定的承載能力作用，隨著水平荷載的增加，管樁的水平位移會隨著樁身進(jìn)入土體的深度增加而逐漸的減小，此時水平荷載的繼續(xù)增加會使土體產(chǎn)生塑性變形，樁身的水平位移會繼續(xù)增大。實驗表明，在側(cè)嵌式管樁上部布置一定數(shù)量的側(cè)肢會有效的提高管樁的承載能力，從而還可以降低最大彎矩，實現(xiàn)樁基基礎(chǔ)較高的承載能力，提高施工效率，節(jié)約成本。

1 豎向承載性狀的影響

1.1 理論基礎(chǔ)

以有限元模擬為理論基礎(chǔ)，研究了不同的側(cè)肢位置對側(cè)嵌式管樁承載能力和變形性能的影響，研究表明[1]，樁身在豎直及水平荷載作用下軸力成一定的規(guī)律變化，試驗制作3 層側(cè)肢在樁身兩側(cè)布置，樁身至埋置土體深度由上到下依次分為3 層，當(dāng)施加豎向荷載很小時，樁身帶動周圍土體產(chǎn)生向下的豎向位移，隨著第1 層側(cè)肢附近的土體也向下移動，此時第1 層側(cè)肢對土體的影響范圍比第2 層第3 層側(cè)肢影響較大，樁身上側(cè)的軸力也會變大，并產(chǎn)生側(cè)摩阻力，側(cè)肢下部及樁身以下軸力較小，此時表明樁身上部的側(cè)摩阻力主要承擔(dān)豎向的荷載[2]。隨著豎向荷載的不斷增加，樁身與土之間產(chǎn)生相對位移，樁身自身向下的位移不斷增大，樁周圍土體絕大部分位移分布區(qū)域不斷擴(kuò)大，并向樁身以下迅速延伸，1～3 層的側(cè)肢逐漸發(fā)揮作用，樁身側(cè)肢的軸力也隨著埋置土體的深度迅速增大，這表明此時樁身側(cè)肢主要承受豎向荷載的作用，由此說明，側(cè)肢的位置埋置深度是影響側(cè)嵌式管樁承載能力的重要因素之一[3]。

1.2 分析結(jié)果

在有限元分析的過程中，在有3 層側(cè)肢的側(cè)嵌式管樁承受豎向荷載的情況下，側(cè)肢附近的土體塑性應(yīng)變會隨著荷載的不斷增加而發(fā)生變化[4]。隨著荷載的增加，土體的塑性應(yīng)變首先出現(xiàn)在第1 層側(cè)肢附近，此時的塑性應(yīng)變較小，第2 層第3 層側(cè)肢也有較小的變化，但此時主要表現(xiàn)在第1 層，荷載隨后逐漸增大，樁身周圍土體開始隨著側(cè)肢逐漸向下移動，塑性應(yīng)變的變化也隨著側(cè)肢層數(shù)逐級遞減，但第3 層側(cè)肢周圍土體的塑性應(yīng)變變化幅度最小[5]。因此，當(dāng)豎向加載荷載很小時，上層側(cè)肢承受豎向荷載比較小，抗側(cè)摩阻力也比較小，但各層土體底部受到荷載擠壓影響較大，當(dāng)達(dá)到一定荷載時，第1 層第2 層側(cè)肢底部土體塑性應(yīng)變數(shù)值不斷增大，但塑性應(yīng)變影響區(qū)域?qū)⒉辉俑淖?，只是豎向荷載的數(shù)值不斷增加，但在第3 層側(cè)肢區(qū)域土體塑性應(yīng)變會顯著增加[6]。此時第3 層側(cè)肢附近土體的塑性應(yīng)變區(qū)域會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上層側(cè)肢的應(yīng)變，這是由于承受了大部分的豎向荷載，而且土體的塑性應(yīng)變區(qū)域會一直朝著樁端方向不斷延伸，最后逐漸與樁端土體鏈接在一起共同承受荷載[7]。隨著加載不斷增大，側(cè)肢附近出現(xiàn)較大的塑性應(yīng)變，隨后樁身端處發(fā)生剪切破壞，這種剪切破壞發(fā)生較為緩慢，這時這種側(cè)嵌式管樁也到達(dá)了它的極限承載能力[8]。

2 水平承載性狀的影響

2.1 理論基礎(chǔ)

在樁基基礎(chǔ)工程領(lǐng)域當(dāng)中，管樁有時會承受不同的荷載類型，如風(fēng)荷載、地震荷載及車輛荷載等，因此，管樁承受的水平荷載在基礎(chǔ)工程中也越來越重要，同時也管樁基于水平荷載的基礎(chǔ)設(shè)計也是一項重要工作。有限元分析結(jié)果表明[9]，側(cè)嵌式管樁樁頂及樁身的水平位移都會隨著水平荷載的增大而增大，特別是在荷載的加載部位，會產(chǎn)生最大的水平位移。隨著荷載的繼續(xù)增加，樁身的水平位移會隨著樁身進(jìn)入土體的深度增大而減小，樁身周圍土體會產(chǎn)生塑性應(yīng)變變形，加載位置的橫向水平位移會不斷加大，彎矩也會隨著樁身深入土體的深度增加而增大[10]。

2.2 分析結(jié)果

在側(cè)嵌式管樁樁身設(shè)置一定層數(shù)的側(cè)肢，在樁頂施加水平荷載，試驗結(jié)果表明，每層的側(cè)肢會使側(cè)嵌式管樁樁頂?shù)乃轿灰茰p小，從而有效的抵抗水平荷載[11]。研究還發(fā)現(xiàn)，每層側(cè)肢的位置越靠近樁頂，樁頂?shù)乃轿灰频淖兓驮叫?，這就說明有側(cè)肢發(fā)揮的承載力就越高，而且側(cè)肢位置的設(shè)置對側(cè)嵌式管樁的最大彎矩也有很大的影響[12]。因此，側(cè)嵌式管樁的側(cè)肢應(yīng)設(shè)置在樁頂位置更有利于發(fā)揮承載作用。

3 結(jié)論與展望

在豎向承載的作用下試驗結(jié)果表明，試驗早期豎向荷載比較小，側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁上部更有利于在早期承擔(dān)豎向荷載，但此時承擔(dān)豎向荷載的時間有限，承載能力有限，因此，在豎向荷載較小時可以把側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁的上部，沉降量也相對于設(shè)置在樁身下部時較小[13]。當(dāng)側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁的下部時，此時側(cè)肢的承載能力很小，不能承擔(dān)大部分的豎向荷載，隨著荷載增加，下部側(cè)肢開始逐步承擔(dān)豎向荷載，此時的沉降量較大[14]。但在側(cè)肢數(shù)量相同的情況下，側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁上部的時候最終的樁身沉降量要小于側(cè)肢位置設(shè)置在下部的最終沉降量，試驗結(jié)果還顯示[15]，當(dāng)豎向荷載增加到極限荷載3 300 kN時，1～3 層的側(cè)肢及樁身周圍的土體豎向位移基本接近，各個層側(cè)肢周圍土體的影響范圍也大致相同，這說明各個側(cè)肢周圍土體已完全發(fā)揮承載能力的作用，達(dá)到極限承載能力作用后，樁身周圍土體主要在各個側(cè)肢附近，土體主要集中在各個側(cè)肢以下區(qū)域很小的范圍內(nèi)，充分發(fā)揮了側(cè)肢承載作用[16]。

在水平承載的作用下試驗結(jié)果表明[17]，側(cè)肢對于側(cè)嵌式管樁可以提高水平承載力、抵抗塑性變形、降低截面最大彎矩，側(cè)肢位置越靠樁頂布置水平承載能力越強，可以充分發(fā)揮水平承載作用，因此應(yīng)該盡可能的靠樁頂布置。由此可見[18]，隨著加載荷載的不斷增加，每個層側(cè)肢在側(cè)嵌式管樁上不斷發(fā)揮承載作用，這也是側(cè)嵌式管樁承載能力比一般的普通管樁承載能力更強的一個重要因素。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，在建筑結(jié)構(gòu)上對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的要求進(jìn)一步提高，混凝土管樁在實際工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，而在研究過程中還發(fā)現(xiàn)，旨在增加樁長與樁徑達(dá)到一定程度時，也并不能直接有效的提高單樁承載力[19]。在工程通常情況下[20]，為了進(jìn)一步提高混凝土管樁樁基的承載力，文章提出的一種新型樁側(cè)嵌式管樁，也為實際應(yīng)用奠定了理論與試驗基礎(chǔ)，提供了一定的參考價值。因此通過這種側(cè)嵌式管樁可以改善管樁的樁型，提高施工工藝，降低混凝土用量，節(jié)約成本，如果可以投入使用將來會有很大的技術(shù)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)效益，也會為土木工程樁基基礎(chǔ)領(lǐng)域帶來前所未有的改變。