勁性攪拌樁豎向荷載傳遞規(guī)律理論計算

高星江，賈沼霖 ，2

（1.華電重工股份有限公司天津分公司，天津 300010；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384）

勁性攪拌樁豎向荷載傳遞規(guī)律理論計算

高星江1，賈沼霖1，2

（1.華電重工股份有限公司天津分公司，天津 300010；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384）

通過對一種勁性攪拌樁在豎向荷載作用下的荷載傳遞規(guī)律進行理論分析，提出該樁型豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式。計算結(jié)果表明，芯樁的置入提高了水泥攪拌樁的樁身剛度和截面承載力，使極限狀態(tài)下的水泥土的側(cè)摩阻力和樁身混凝土的材料強度得以充分發(fā)揮，勁性攪拌樁兼有水泥土攪拌樁和預(yù)制樁的優(yōu)點，具有承載力高、沉降小、造價低和側(cè)摩阻力大的優(yōu)勢，是一種極具潛力的樁型。

勁性攪拌樁；接觸面摩阻力；變形協(xié)調(diào)；荷載分擔(dān)比；荷載傳遞

勁性攪拌樁是近些年來出現(xiàn)的新型樁型，是將有互補增強作用的兩種或多種樁型復(fù)合為同一樁體，集合了剛性樁與柔性樁的優(yōu)點，樁身具有較高的強度、剛度、密度和均勻性且與樁周土體具有較好的協(xié)調(diào)性，使極限狀態(tài)下水泥土側(cè)摩阻力和樁身材料強度得以充分發(fā)揮。該樁還具有施工工藝簡單經(jīng)濟和不污染環(huán)境等多方面優(yōu)點，是一種很有開發(fā)前景的新型樁。

1 研究現(xiàn)狀

柳博鵬[1]通過對3根現(xiàn)場原比例勁性攪拌樁的試驗研究，得到了該類樁分別在豎向和水平荷載作用下的承載力和位移特性；盛桂琳等[2]分析了勁性攪拌樁單樁工作特性，提出了勁性攪拌樁的荷載傳遞特性和破壞模式，其破壞模式分為急進性破壞和漸進性破壞兩種，并根據(jù)含芯率對其進行劃分；洪波[3]對勁性攪拌樁應(yīng)力和應(yīng)變的測試以及勁性攪拌樁現(xiàn)場載荷試驗，尤其是實測的剪切強度與理論計算的差別為沉降計算的分析與修正找到了依據(jù)；陳坤[4]以現(xiàn)有的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時借助有限元分析工具對不同芯樁長度的勁性攪拌樁進行擬合計算，得出芯樁長度的合理取值。

筆者基于半無限體內(nèi)施加荷載的Mindlin方程，對勁性攪拌樁的工作特性和荷載傳遞規(guī)律進行分析研究[5]，得出了勁性攪拌樁在豎向荷載作用下的荷載傳遞規(guī)律及芯樁與水泥土的荷載分擔(dān)比；勁性攪拌樁在豎向荷載作用下樁側(cè)摩阻力和樁端阻力隨樁頂荷載的變化規(guī)律；勁性攪拌樁在豎向荷載作用下芯樁與攪拌體的側(cè)摩阻力及攪拌體與樁周土體側(cè)摩阻力分布規(guī)律。以上研究對勁性攪拌樁的廣泛應(yīng)用提供了重要的參考價值。

2 勁性攪拌樁豎向荷載下樁土體系的荷載傳遞規(guī)律

一般來說，芯樁與攪拌體的荷載分擔(dān)比為50～100，很多文獻認(rèn)為荷載主要由芯樁承擔(dān)，將勁性攪拌樁視為單一材料來考慮。但筆者認(rèn)為忽略攪拌體的承載能力，不僅無法準(zhǔn)確反映兩者的實際荷載分擔(dān)情況，且無法體現(xiàn)芯樁與攪拌體之間的側(cè)摩阻力分布情況。所以，筆者建議在研究豎向荷載作用下勁性攪拌樁的受力模型時，需要考慮如下條件：①攪拌體荷載分擔(dān)比不可忽略；②需要考慮芯樁與攪拌體樁之間的摩阻力，且兩者之間的粘結(jié)強度有極限值，但內(nèi)外樁的變形一致；③上部荷載在向下傳遞過程中形成了雙層擴散模式，即芯樁向攪拌體的擴散和從攪拌體向樁周土體的擴散兩層。剛性樁荷載傳遞和受力模式，如圖1—2所示。

圖1 剛性樁荷載傳遞

圖2 剛性樁受力模式示意

圖1中，將樁體劃分為若干單元體，每個單元體上的受力模式基本假設(shè)如下：①地基土和樁體材料為均質(zhì)線彈性體；②混凝土芯任一深度的軸向位移與該處水泥土樁的軸向位移相等；③在軸向荷載作用下，樁體和樁周土體的徑向位移很小，可以忽略不計。取z深處的某點位置，根據(jù)力的平衡條件進行分析。

對于樁身總體有力的平衡條件為：

對于芯樁的力的平衡條件為：

對于攪拌體的力的平衡條件為：

式中：qs為攪拌體外側(cè)受到的土體摩擦力（kPa）；U1為樁身整體周長（m）；Q(z)為樁身截面z點的軸力（kN）；F1(z)、F2(z)為集中軸力作用在樁身截面z點的局部荷載值（（kN））；fc為芯樁與攪拌體之間的摩擦力（kPa）；U2為芯樁周長（m）。由以上力的平衡條件可得：

式中：Q0為樁身整體受到的外荷載（kN）；其余變量含義同上。

側(cè)摩阻力與樁身位移的關(guān)系，可表述為：

式中：A2為攪拌體橫截面面積（m2）；Es為芯樁彈性模量（MPa）；Q為樁身截面軸力（kN）；r為攪拌體直徑（m）；其余變量含義同上。

勁性攪拌樁樁身軸力與位移的關(guān)系可表述為，當(dāng)內(nèi)部芯樁與外部攪拌體沒有分離時，樁體本身相對于土體可以看為一個整體，所以此時計算樁身外側(cè)側(cè)摩阻力時，選用內(nèi)外樁芯的復(fù)合模量。復(fù)合樁的總軸力通過樁側(cè)摩阻力計算，從而可計算芯樁與攪拌體之間的摩阻力 fc。

由上述分析可得，內(nèi)部芯樁與外部攪拌體的應(yīng)力分擔(dān)比與兩者的半徑、厚度、彈性模量及兩者的粘結(jié)強度有關(guān)。勁性攪拌樁的長度多在10 m以上，可視為半無限空間，運用彈性理論法以連續(xù)介質(zhì)模擬樁周土體的響應(yīng)，利用在半無限體內(nèi)施加荷載的Mindlin方程求解[5]。

根據(jù)圖3，半無限體內(nèi)任意點的位移可表示為：

式中：Gcp為芯樁與攪拌體的復(fù)合楊氏模量（MPa）；μcp為芯樁與攪拌體的復(fù)合泊松比；；z為集中力Q（z）作用點坐標(biāo)（m）；c為集中力Q（z）作用點在z軸的坐標(biāo)（m）。

圖3 半無限體內(nèi)Mindlin解模型

3 工程案例

根據(jù)文獻[1]，選用的試驗場地位于天津西青區(qū)某地，多個勘察孔中最深孔為35 m，所揭露地層均為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沉積層，土質(zhì)以黏土和粉質(zhì)黏土為主，埋深-14.25～-16.42 m的⑤2土層工程性質(zhì)較好，可作試驗樁持力層使用。預(yù)估試驗樁極限承載力為2 000 kN，分8級按每級荷載230 kN進行加載。筆者選取460、920、1 380、1 840、2 070 kN 5個級別進行對比驗證。土層參數(shù)見表1，1#樁在各級荷載下的樁身軸力見表2，芯樁樁身軸力沿深度的分布曲線如圖4所示。

表1 土層參數(shù)

表2 1#樁在各級荷載下的樁身軸力

圖4 芯樁樁身軸力沿深度的分布曲線

4 結(jié)論

由圖4中曲線可知，勁性攪拌樁的承載范圍為樁頂端向下5～7倍的樁徑范圍內(nèi)，且在水泥攪拌樁中插入芯樁，改變了水泥攪拌樁的工作特性，使其承載性能同剛性樁相似。當(dāng)荷載作用在樁頂時，由混凝土芯樁承擔(dān)主要荷載，再以剪應(yīng)力的形式傳遞給水泥土，接著由水泥土將荷載傳遞到樁周土體。荷載通過勁性攪拌樁傳遞到一定的深度范圍內(nèi)，使下部樁身的摩阻力得以發(fā)揮，從而形成荷載從樁身到土體的強弱過度，將芯樁的較強抗壓剛度與攪拌樁的較大側(cè)摩阻力有力結(jié)合，提高其承載性能。

[1]柳博鵬.勁性攪拌樁分別在豎向和水平荷載作用下承載性能的試驗研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[2]盛桂琳，魯書甜，鮑鵬，等.勁性攪拌樁承載力的主要影響因素分析和計算公式探討[J].河南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版)，2008（1)：96-100.

[3]洪波.勁性攪拌樁在復(fù)合地基中應(yīng)用效果的評價和研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2008.

[4]陳坤.勁性攪拌樁芯樁長度的試驗研究及數(shù)值分析[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[5]顧士坦，施建勇，王春秋，等.勁性攪拌樁芯樁荷載傳遞規(guī)律理論研究[J].巖土力學(xué)，2011（8)：2473-2478.

Transfer Mechanism and Theoretical Calculation of Reinforced Mixing Pile

GAO Xing-jiang1，JIA Zhao-lin1，2
（1.Tianjin Branch of Huadian Heavy Industries Co.Ltd.，Tianjin 300010，China；2.Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，Tianjin 300384，China）

This paper analysed a kind of load transfer law of a reinforced mixing pile under the vertical load and put for?ward the calculation formula of vertical bearing capacity of the pile，experimental results show that the core pile driven in improves the rigidity of the cement mixing pile and bearing capacity of the section and gives the skin resistance of cement in ultimate states and the strength of the concrete to their full play.As the reinforced mixing pile has the advantages of both cement-soil mixing pile and prefabricated concrete pile including high bearing capacity small settlement low costs and high skin resistance it has great potential as the mixing pile in soft ground.

reinforced mixing pile；skin resistance；deflections consistency；load share ratio；load transfer

TV332

A

1004-7328（2017）05-0046-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.016

2017—05—20

高星江（1964—)，男，高級工程師，主要從事機械工程技術(shù)研究工作。