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      PHC管樁水平載荷試驗樁身內(nèi)應(yīng)力分析研究

      2016-09-03 07:27:29朱賢哲安徽省水利水電勘測設(shè)計院工程質(zhì)量檢測所
      科學(xué)中國人 2016年23期
      關(guān)鍵詞:內(nèi)應(yīng)力基樁單樁

      朱賢哲安徽省水利水電勘測設(shè)計院工程質(zhì)量檢測所

      PHC管樁水平載荷試驗樁身內(nèi)應(yīng)力分析研究

      朱賢哲
      安徽省水利水電勘測設(shè)計院工程質(zhì)量檢測所

      預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁簡稱PHC樁,由于具有單樁承載力高、應(yīng)用范圍廣、沉樁質(zhì)量可靠、工程造價便宜等優(yōu)點,在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展較為迅速。通常情況下,樁基既承受豎向荷載又承受水平荷載,受樁基發(fā)展歷史的影響,人們對樁基水平承載力的研究起步較晚,可借鑒的研究成果甚少。故文章摘錄了本人主持的《裕溪節(jié)制閘PHC樁基研究課題》中關(guān)于“PHC樁水平載荷試驗樁身內(nèi)應(yīng)力研究分析”的內(nèi)容,重點介紹“單樁水平臨界荷載、極限水平承載力和樁身最大彎矩位置”這三方面的研究成果,供大家參考。

      PHC樁;樁身內(nèi)應(yīng)力;水平臨界荷載;極限水平承載力;最大彎矩位置

      1 基本情況

      1.1工程概括

      裕溪閘樞紐工程位于安徽省無為縣、和縣交界處巢湖流域裕溪河入長江口4km處,是無為大堤上的大型水利工程,由裕溪節(jié)制閘和裕溪船閘組成。其中裕溪節(jié)制閘建于1959年,共24孔,其中西部淺孔16孔,東部深孔8孔。依據(jù)安全鑒定情況,決定將節(jié)制閘閘室結(jié)構(gòu)拆除重建,根據(jù)巖土工程勘察資料,設(shè)計單位確定對閘室基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),擬采用外徑800mm、內(nèi)徑580mm的PHC800B管樁。為對PHC樁的工程力學(xué)特性有全面、客觀和準確的了解,并為工程設(shè)計、科研和實踐提供可靠有效的依據(jù),設(shè)計單位除對工程進行理論計算、模型實驗外,還著重進行了一系列課題研究。

      本項目是集工程實踐應(yīng)用、探索與研究為一體的綜合型科研課題,共有(科研設(shè)計、檢測、施工、監(jiān)理及制樁企業(yè)等)10家單位參與,歷時1年9個月,成功突破了PHC樁內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測領(lǐng)域的10余項難題,項目涉及“單樁豎向靜載試驗、水平載荷試驗、錘擊沉樁貫入度、大應(yīng)變法推定樁基承載力”等多個課題的研究。鑒于貫穿整個課題的核心內(nèi)容為樁身內(nèi)應(yīng)力分析研究,本文將主要介紹《裕溪節(jié)制閘PHC樁基研究課題》中關(guān)于“PHC樁水平載荷試驗樁身內(nèi)應(yīng)力分析研究”的研究成果,供大家參考。

      1.2試驗樁設(shè)計布局

      本試驗地點位于裕溪節(jié)制閘閘室下游左岸。共3根試驗樁,編號為C5、C6、C7;反力樁共4根,編號為C1~C4。C1~C7樁均為PHC800B型樁,C5、C6樁長為27m,C1~C4、C7樁長為24m。樁位布置見下圖。

      1.3工程地質(zhì)情況

      在試驗樁位置布置一個深度為30.0m的鉆孔,工程地質(zhì)情況如下:

      (1)地下第1層:厚度3.2m,人工填土,褐黃色夾灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,表層較濕,0.5M以下濕,可塑狀,巖芯刀切面光滑,部分土塊有鐵銹色斑,巖芯柱狀。

      (2)地下第2層:厚度12.6m,淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂,灰色、粉砂青灰色,飽水,可塑~軟塑狀,粘附性強,具千層餅結(jié)構(gòu),水平層理清晰,含腐植質(zhì),略有腐臭味。巖芯柱狀。

      (3)地下第3層:厚度6.4m,粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,粉砂青灰色,淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土灰色,飽水,軟塑狀,粘附性強,水平層理清晰,巖芯柱狀。

      (4)地面第4層:厚度7.8m,粉砂,青灰色,偶夾腐植質(zhì)薄層,腐植質(zhì)層厚2~5 mm,有腐臭味,粉砂層較密實。

      2 試驗測試原件安裝

      根據(jù)相應(yīng)工程特點,經(jīng)研究分析后,樁身內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變測試原件采用的是“振弦式鋼筋測力計”。

      在水平試驗樁C5、C6、C7樁身內(nèi)安裝鋼筋計??紤]到沉樁時錘擊樁過程中,樁頂附近應(yīng)變較大,離樁頂太近,應(yīng)變可能會超過應(yīng)變計量程,造成鋼筋計損壞,因此首個鋼筋計埋設(shè)在距樁頂2m位置,布設(shè)間距為750mm,故鋼筋計埋設(shè)位置在樁頂以下2.0m~11.75m范圍,沿受力(拉、壓)方向?qū)ΨQ布置,每側(cè)各安裝14個鋼筋計。

      3 試驗方法及過程

      依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008),采用“單向多循環(huán)加載法”進行單樁水平靜載試驗,確定單樁水平臨界荷載、水平極限承載力,并確定水平承載力樁身的最大彎矩位置。

      3.1現(xiàn)場試驗方法

      現(xiàn)場試驗,采用反力樁作用工字鋼梁,通過工字鋼梁向試驗樁提供水平反力。

      3.2試驗加卸載及終止條件

      本試驗中試驗樁需要測量樁身應(yīng)力和應(yīng)變,根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)第6.3.1條,加載方法選用“單向多循環(huán)加載法”。

      (1)根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)第6.3.2條,單向多循環(huán)加載法的分級荷載應(yīng)小于預(yù)估水平極限承載力或最大試驗荷載的1/10。每級荷載施加后,恒載4min后可測讀水平位移,然后卸載至零,停2min測讀殘余水平位移,至此完成一個加卸載循環(huán)。如此循環(huán)5次,完成一級荷載的位移觀測。本次試驗首級加載10KN,以后各級加載10KN。

      (2)根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)第6.3.3條,出現(xiàn)下列情況之一時即可終止加載:1)樁身折斷;2)水平位移超過30~40mm,軟土取40mm;3)水平位移達到設(shè)計要求的水平位移允許值。本試驗中,C5樁最大加載200kN,C6樁最大加載130kN,C7樁最大加載220kN。

      4 單樁水平靜載試驗分析

      本次試驗,C5樁最大加載200kN,C7樁最大加載220kN,均超過單樁水平臨界荷載值;C6樁最大加載130kN,未達到水平臨界荷載值。故本文選用C5試驗樁作為代表樁,闡述其試驗分析研究成果。

      4.1樁各級水平力作用下的樁身彎矩分布分析

      基樁在水平力作用下仍可假設(shè)滿足平截面假定,根據(jù)材料力學(xué)知識及相關(guān)文獻,單樁水平荷載作用下樁身彎矩可以由量測得到的樁身應(yīng)變來推算求得,則任一截面的彎矩計算公式為:

      式中:M——任一截面的彎矩;

      EI——樁身抗彎剛度(KN·m2);其中E為樁身材料彈性模量,I為樁身換算截面慣性矩;

      ε1——受壓區(qū)鋼筋的壓應(yīng)變;

      ε2——受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)變;

      d——受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋的中心距離。

      根據(jù)實測應(yīng)變傳感器的讀數(shù)可以得到鋼筋應(yīng)變,從而可以得到樁在各級荷載下鋼筋和PHC樁身混凝土的最大拉應(yīng)變和壓應(yīng)變。

      根據(jù)上式可以進一步得到C5試驗樁在各級荷載下樁身各截面的彎矩圖,如圖4.1。

      圖4.1 C5樁在各級荷載下樁身各截面的彎矩圖

      從單樁水平靜載試驗樁身彎矩圖可以看出,水平樁樁身彎矩值隨著加載值的增大而增大,在樁頂?shù)孛嬉韵?1m處彎矩基本為0。各水平樁最大彎矩值位置隨著荷載值的增大有所下移,各樁在最終水平荷載作用下其最大彎矩位置相對穩(wěn)定在樁頂以下5.5± 1m范圍內(nèi)。

      同時根據(jù)彎矩圖判斷出,C5樁在外部水平荷載達到200kN時,最大彎矩位置附近處鋼筋計讀數(shù)不穩(wěn)定,樁身應(yīng)力波動較大,無法準確確定樁身內(nèi)部彎矩,此時外部水平力荷載已接近其極限水平力承載力值。故據(jù)此判斷C5樁的極限水平承載力值約為200kN。

      4.2水平力-最大彎矩截面鋼筋拉應(yīng)力(H-σs)分析

      根據(jù)得出的彎矩值作對比,找出各級水平力作用下最大彎矩值所對應(yīng)的截面,并作出相應(yīng)的H-σs(水平力-最大彎矩截面鋼筋拉應(yīng)力)曲線,如下圖4.2。

      圖4.2 C5樁H-σs曲線

      從水平力-最大彎矩截面鋼筋拉應(yīng)力(H-σs)曲線以可以看出,鋼筋拉應(yīng)力隨著水平力的增加而增加。從C5樁的H-σs曲線中可以發(fā)現(xiàn),在水平力為150kN處明顯有第一個拐點,根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)規(guī)范第6.4.3條可以確定,試驗樁的水平臨界荷載值為150kN。雖然此時鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)拐點,然而此時鋼筋并沒有發(fā)生屈服現(xiàn)象,因為當外部荷載超過其水平臨界荷載后,樁身鋼筋應(yīng)力仍然按照直線趨勢發(fā)展,且其斜率更大,并沒有發(fā)生陡降等鋼筋屈服特征。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是當外部荷載達到水平臨界荷載值后,樁身最大彎矩處截面出現(xiàn)了裂隙,樁身混凝土退出了工作,樁身鋼筋單獨承擔(dān)外部荷載(拉力),鋼筋應(yīng)力顯著增大。

      另外從前述樁身彎矩圖也可以看出,當C5樁水平荷載值超過150kN后,樁身最大彎矩值增長較快。雖然此時樁身沒有達到其水平承載力極限值,然而由于樁身裂隙的出現(xiàn),容易發(fā)生樁身鋼筋的銹蝕,不利用樁基的耐久性使用,因此為了基樁的長期穩(wěn)定性使用,不建議工作荷載值超過150kN。

      4.3水平力-樁身截面鋼筋拉應(yīng)力(H-σs)分析

      根據(jù)分析所需要求,另外作出各個試驗樁中每個鋼筋計的H-σs曲線,選取一些具有代表性的鋼筋計進行繪制曲線,圖中“-2m、-5m等”代表該處的鋼筋計離樁頂距離,同時作直線找出曲線拐點所對應(yīng)的水平力,曲線如下圖4.3所示。

      圖4.3 C5樁H-σs曲線

      從上述圖中可以看出各個位置處鋼筋應(yīng)力隨著水平力的提高而不斷增大,而對于樁頂以下11m處的鋼筋,其水平荷載無法傳遞至該深度,在該處的鋼筋應(yīng)力基接近于0。從上述圖中也可以看出,樁頂以下5.5±1m深度范圍內(nèi)鋼筋應(yīng)力最大,這進一步說明了該深度范圍內(nèi)樁身彎矩最大。對于C5水平樁,在5.5±1m深度范圍內(nèi)鋼筋應(yīng)力發(fā)生突變,進一步說明了該樁深范圍內(nèi)樁身會出現(xiàn)裂隙,基樁出現(xiàn)裂隙后,鋼筋單獨承擔(dān)水平荷載,鋼筋應(yīng)力顯著增大。

      5 結(jié)論

      (1)C5樁的極限水平承載力值約為200kN,樁身最大彎矩分布在距樁頂5.5±1m深度范圍內(nèi)。

      (2)試驗樁的水平臨界荷載值為150kN,此時基樁最大彎矩范圍內(nèi)樁體出現(xiàn)裂隙,容易發(fā)生樁身鋼筋的銹蝕,不利用樁基的耐久性使用,因此為了基樁的長期穩(wěn)定性使用,不建議工作荷載值超過150kN。

      朱賢哲(1983-),男,工程師,安徽省水利水電勘測設(shè)計院工程質(zhì)量檢測所。

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