壓力型抗拔樁承載機理模型試驗研究

高笑娟,董佳蓉,謝 鐳,馬佳星,查支祥

(1.河南科技大學 土木建筑學院,河南 洛陽 471023;2.浙大寧波理工學院,浙江 寧波 315100)

0 引言

樁基礎作為一種重要的基礎形式在海洋工程中普遍應用,海洋中所用的抗拔樁不僅要有足夠的承載能力,還要有較高的抗裂性能來適應特殊環境要求。在提高樁抗拔承載能力上主要有3個方面的措施。一是將傳統直桿樁做成變截面形式,如文獻[1]利用PLAXIS 3D有限元分析軟件模擬擠擴支盤樁和等體積直孔灌注樁2種樁型的單樁靜載試驗,對比分析二者承載特性和破壞模式,發現擠擴支盤樁的承載能力優于等體積直孔灌注樁;文獻[2]對豎向荷載作用下支盤樁樁周土體變形特性進行非介入式測量,考慮了埋深率、砂土密實度以及支盤樁盤徑對抗拔承載力的影響,提出各種土體內支盤的最佳直徑;文獻[3]利用擠擴支盤樁和普通樁的抗拔承載力對比試驗結果,提出了對兩種樁型承載力計算公式的修正建議。二是通過對樁側后注漿增大樁側摩阻力,如文獻[4]通過足尺試驗研究了樁側注漿抗拔樁的承載性能與受力機理,發現樁側注漿能更好地發揮樁-土摩擦效應。三是通過施工工藝提高樁端的抗拔力,如文獻[5]結合現場試驗,用NAKS(Nakabori Kakutei system,NAKS)工法對擴底大直徑預應力高強度混凝土管樁的承載性狀進行了現場試驗研究,結果表明,該工法擴底管樁端的最大沉降和最終沉降明顯低于其他試驗樁,這有利于減小上部結構的基礎沉降。

實際應用結果表明,通過改變樁身形狀來提高承載力所形成的樁體,在承受上拔荷載時仍然是處于受拉狀態,樁身混凝土易產生裂縫。因此,通過改變樁身受力狀態來提高樁身完整度與力學性能至關重要。許多學者將壓力型錨桿技術[6-9]運用于基樁設計上,如抗浮柔性樁頂抗拔樁[10]、內置預應力筋樁芯的組合抗拔樁[11]、無粘結后張預應力抗拔樁[12]等,能有效解決裂縫和耐久性問題,但這些樁型均運用預應力的思路,施工工藝較為復雜,且均未涉及管樁的抗裂新型結構研究。

因此,本文運用非預應力方法,開發出帶“擴大頭錨固端”的壓力型抗拔管樁,其由帶注漿管的樁底錨固端和套于錨固端上的直樁段兩部分組成。加載前通過“囊袋式”后注漿技術在錨固端處形成擴大頭,上拔過程中由注漿管頂受力拉動錨固端不斷向上擠壓直樁段,將錨固端的錨固力傳遞到管樁頂部,使得樁身受壓擠密,減少裂縫開展。通過室內模型試驗,與傳統拉力型抗拔樁進行對比,研究兩種樁型的抗拔機理和破壞特征。

1 模型樁設計與制作

1.1 模型樁設計

本試驗為拉力型抗拔樁與帶“擴大頭錨固端”的壓力型抗拔樁的對比試驗,試件均為直徑70 mm,長900 mm的細石混凝土樁,注漿管露出樁頂100 mm,加載前通過后注漿技術在出漿口處形成擴大頭,提高端承力,模型設計尺寸如圖1所示。

(a) 拉力型抗拔樁-豎向剖面圖 (b) 壓力型抗拔樁-豎向剖面圖

圖1a所示為拉力型抗拔樁,由注漿管與外部混凝土組合而成,注漿管頂為上拔受力點,在荷載作用下,樁身整體受拉,目前普通抗拔樁大多為此種受力模式;圖1b為本次設計的壓力型抗拔樁,其樁身由錨固段與直樁段兩部分組成,如圖2a與2b所示。上部直樁套于錨固段上,兩者之間預留小縫隙,上拔過程中隨著荷載增大,由注漿管拉動錨固端不斷向上擠壓直樁,使之受壓拔出,因此稱為壓力型抗拔樁。

(a) 壓力型抗拔樁-錨固段截面圖 (b) 壓力型抗拔樁-上部直樁及俯視圖

1.2 注漿管設計

模型樁內置注漿管均采用內徑20 mm、厚度2 mm的304不銹鋼鋼管,管頭焊接19 mm內絲12.5 mm外絲的異形管箍,距離管底100 mm處十字對稱布置4個邊長為10 mm的不銹鋼方管作為出漿口,用AB膠將焊接縫粘嚴,并用棉花和黑膠帶堵住出漿口,以保證澆筑過程中不發生滲漏,不影響后期出漿。其中,壓力型抗拔樁的注漿管充當傳遞錨固力作用,保持光滑即可;拉力型抗拔樁的注漿管充當受力構件使用,為防止鋼管光滑的表面與混凝土之間產生相對滑動,在管外纏繞一圈鐵絲,保證鋼管與混凝土之間的粗糙度與粘結性。注漿管構造如圖3所示。圖3a為注漿管頂部的異型管箍,其上部外螺紋與注漿機自帶的高壓注漿管口內螺紋搭配使用; 圖3b為注漿管整體示意圖; 圖3c為被棉花與黑膠帶封住的出漿口。

(a) 異形管箍 (b) 注漿管 (c) 出漿口

1.3 模型樁制作

澆筑前,將長短兩種模具對半切開并在內側涂抹潤滑油,兩半模具對齊利用喉箍與膠帶進行封底固定,如圖4所示。將密封好的直樁鋼管與注漿管中心垂直插入模具中,在倒入細石混凝土的同時,用細鐵絲不斷往下捅,確保出漿口方管處沒有砂石堵住,后將模型放置于振動臺上振動均勻密實,保持模型豎直固定。待3 d后打開模具,用小刀把注漿口、直樁兩端的膠帶拆除,并注水驗證其通暢性,澆水養護28 d至設計強度,養護成型后的壓力型抗拔樁如圖5所示。

圖4 模具

圖5 拆模后的壓力型抗拔樁

模型制作完成后,借鑒漿囊式錨桿的設計[11],將土工布套進錨固端,出漿口上下各50 mm處用喉箍扎緊。樁埋入土體后,將小型注漿機上的高壓注漿管與樁頂管箍連接,漿液泵進不銹鋼注漿管內,從4個出漿口噴入土工布形成“囊袋式”擴大頭,成型后可進行后續加載試驗。后注漿漿液選材時考慮到流動性好、灌漿方便、容易取材、性質穩定等因素,選取編號42.5的普通硅酸鹽水泥。由于0.5∶1左右水灰比(質量比,下同)的水泥較為穩定[12],因此,選取0.6∶1的水灰比進行水泥制備,同時為縮短養護時間、提高混凝土的早期強度,摻入質量分數2%的膠凝材料作為早強劑。

2 模型樁加載裝置及試驗系統

2.1 模型箱與加載系統設計

模型箱的尺寸需充分考慮邊界效應,減小試驗過程中箱壁對土受力及變形的影響。文獻[13-15]的研究成果表明,箱體直徑大于7D(D為模型樁直徑)可忽略邊界效應。考慮到抗拔樁受力時主要影響樁端以上的土體,對樁端以下土層厚度可適度減小。因此采用內徑1 m(>14D),1.2 m高的圓桶,樁底預埋200 mm作為墊層。參照文獻[10, 16-20]的相關樁試驗裝置,本試驗選取千斤頂作為加載裝置。千斤頂由液壓油缸與手動液壓泵組成,置于箱體的反力架上固定牢靠。

2.2 樁身埋土及土壓力盒布置

為更加貼近實際工程土質,土樣取自浙江省寧波市鎮海區某工地粉土層土壤。箱底預先填筑200 mm高度的土,采用分層填土法,每層填筑土體高度為200 mm,桶內埋入共6個土壓力盒。土壓力盒與壓力型抗拔樁應變片布置位置如圖6所示。

圖6 壓力盒位置示意圖(單位：mm)

2.3 試驗加載方式及終止條件

安裝好加載與測量系統后,待擴大頭硬化成型,進行加載試驗。本試驗采取“慢速維持荷載法”,利用數據采集器連續采集各項數據,每級加載重量設為500 N,其中模型破壞的判定標準參照相關文獻,以力-位移曲線拐點處對應的力值作為抗拔極限承載力值[21-24]。試驗加載過程如圖7所示。其中左圖為整體示意圖,右上圖為千斤頂加載工具,右下圖為樁頂受力連接處。

圖7 試驗加載裝置圖

3 試驗結果及分析

3.1 破壞形態對比

試驗結束后,將樁挖出觀察其破壞形態。圖8a所示為拉力型抗拔樁模型整體圖,達到破壞狀態時擴大頭處漿液飽滿直徑最大處達到13.5 cm,圖8b和圖8c所示為應變片1與2之間出現的長為2/3周長的橫向裂縫。樁身達到極限荷載時土體破壞形態如圖8d所示。

如用種子重量0.3%～0.4%的70%的敵克松粉劑拌種，可防治番茄、茄子、辣椒、黃瓜的立枯病；用種子重量的0.3%～0.4%的氧化亞銅拌種，可防治黃瓜猝倒病；用種子重量0.3%的50%的福美雙拌種，可防治菜豆葉燒病。

(a) 拉力型抗拔樁整體圖 (b) 裂縫一側 (c) 裂縫另一側 (d) 樁身破壞時土體

壓力型抗拔樁達到破壞狀態時樁本身完整性較好沒有裂縫出現,如圖9a中模型整體圖所示,擴大頭處較為飽滿,最大直徑處達13.8 cm。樁身達到極限荷載時土體破壞形態如圖9b所示。

(a) 壓力型抗拔樁整體圖 (b) 樁身破壞時土體

3.2 Q-s曲線對比分析

如圖10所示,兩樁在前期荷載作用下位移變化較為平緩,拉力型樁在2 000 N荷載下Q-s曲線出現拐點,壓力型樁在2 500 N荷載下Q-s曲線出現拐點,拐點后曲率明顯增加,后期模型承擔上拔荷載的能力下降,上拔位移量明顯增大。根據試驗模型破壞標準,曲線拐點處對應荷載值即為極限抗拔承載值,因此本試驗拉力型樁、壓力型樁的極限抗拔承載力分別為2 000 N和2 500 N,后者承載力是前者的1.25倍,說明壓力型抗拔樁具有更好的抗拔能力。

圖10 Q-s曲線圖

兩樁在相同荷載作用下,拉力型樁的上拔位移量始終大于壓力型樁。在發生相同位移量時,壓力型抗拔樁所需施加的荷載始終大于拉力型抗拔樁。這是由于抗拔樁承載力由樁身自重、側摩阻力、樁底真空吸力組成,在其它條件相近的情況下,因樁體受力模式的差異,直接影響到側摩阻力。拉力型樁從受力開始便逐漸產生軸向拉伸變形,徑向面積收縮,減少了與土體的接觸面積,樁土相互摩擦力作用面減小,容易發生更多的上拔位移;壓力型抗拔樁上拔過程中不斷受到下部錨固端的擠密壓實,截面面積擴張,增大了樁土間受力面積,使得側摩阻力變大,樁體難以拔出,具備更好的抗拔能力。

由此可見,壓力型抗拔樁的抗拔承載力不僅優于拉力型抗拔樁,樁身抗裂性能也明顯高于拉力型樁,表明其具有更高的安全性與耐久性。

3.3 樁側摩阻力對比分析

假設測點間的側摩阻力均勻分布,取兩種樁型各測點單位表面積的摩阻力隨深度的變化數據繪制于圖11與圖12中。

圖11 拉力型樁側摩阻力隨深度變化曲線

拉力型樁側摩阻力隨深度變化曲線如圖11所示。在同一上拔荷載下,拉力型抗拔樁隨著深度加深,樁側摩阻力呈現“先變大后變小”的趨勢;在同一高度處,側摩阻力隨著荷載的增大而增大。這是由于樁在上拔荷載作用下,力由上至下逐漸傳遞,樁身拉伸變形最先出現在樁身上部,由上至下逐漸減小。本試驗樁底擴大頭使樁具有較大的端承力,使得樁頂累積拉伸變形增大,相應的頸縮分布長度較大,從而導致樁頂附近較長的一段距離內側摩阻力小。隨著荷載向下傳遞,樁身徑向收縮不明顯,樁與土體的相對位移逐漸發展,應變片1至2處側摩阻力逐漸增大。由于深度越深樁身變形越小,且擴大頭與其上部承載的小部分土體一起發生上拔位移,因此,擴大頭上部的土體與樁身的相對位移不明顯,從而導致此區域(應變片2～3處)的側摩阻力相應減少。

壓力型樁側摩阻力隨深度變化曲線如圖12所示。壓力型樁的側摩阻力隨深度也同樣呈現“先變大后變小”的趨勢,在測點2處達到最大側摩阻力,但與拉力型抗拔樁不同的是靠近錨固端的測點3處出現負摩阻力,方向朝上。理論上樁底錨固端向上擠壓,上部直樁樁底受到向上的壓力,壓縮變形致使應變片3至1處的橫截面膨脹程度逐漸減小,同理,側摩阻力也逐漸減少。而出現負摩擦,可能是由于錨固端與直樁之間有少許空隙,錨固端在上提至壓緊的過程中帶動擴大頭上端土一起上移,導致測點3附近受到土向上的摩擦力,抵消掉了原本向下的摩擦力。

對比之下,兩種樁型的側摩阻力最大值均為樁頂下350 mm附近,壓力型樁的摩阻力最大值約為拉力型樁的3倍,更好的利用了樁土之間的摩擦力,減少樁身破壞風險,提高了抗拔承載力。

3.4 樁側土壓力對比分析

圖13 土壓力-上拔荷載圖

4 結論

(1)拉力型抗拔樁樁身混凝土受拉易開裂,壓力型抗拔樁樁身混凝土受壓后被擠密,樁身的完整度更高,不易產生裂縫,更適用于海洋等特殊壞境,具有較好的耐久性與安全性。

(2)壓力型抗拔樁的單位面積摩阻力最大值為拉力型抗拔樁的3倍,極限抗拔承載力高于拉力型抗拔樁25%,表明壓力型抗拔樁能更好利用樁土間摩擦力來提高承載力。

(3)壓力型抗拔樁與拉力型抗拔樁在土內應力水平擴散范圍相近。