填砂竹節(jié)樁的承載性能對(duì)比研究

蔡邦國 姜玉龍 王理璞 王奎華

(1.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江 溫州 325024； 2.浙江大學(xué)濱海與城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058)

1 概述

普通混凝土預(yù)應(yīng)力管樁在我國已有60多年的應(yīng)用歷史，由于其可批量化生產(chǎn)，打樁速度快，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛的應(yīng)用于各種高層房屋、港口、高速公路等建筑物的基礎(chǔ)中[1]。但是在東南沿海地區(qū)等以軟粘土為主的地基中使用時(shí)，在承載性能方面存在很多問題，由于其主要作為摩擦樁來使用，樁極限承載力的大小很大程度上取決于樁周土體的強(qiáng)度，往往樁體本身材料未能完全發(fā)揮其抗壓性能時(shí)，就由于樁和樁周土體的相對(duì)位移過大，而導(dǎo)致樁不能正常使用，這是對(duì)樁材料本身承載力的一種極大的浪費(fèi)。

為了解決軟土地區(qū)摩擦型樁這一問題，日本學(xué)者最先提出了竹節(jié)樁這一新樁型，對(duì)其進(jìn)行了研究并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中[2，3]，取得了很顯著的成效。而后竹節(jié)樁被引進(jìn)國內(nèi)并在南方軟粘土地區(qū)進(jìn)行了少量的應(yīng)用，由于其在提高軟土地區(qū)樁基極限承載力方面的顯著優(yōu)勢，國內(nèi)的學(xué)者也開始關(guān)注該樁型，并進(jìn)行了相關(guān)的研究，楊成斌等人[4]選用了竹節(jié)樁、圓管樁和方樁各兩根進(jìn)行了抗壓對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力較管樁和方樁均能提高20%左右；史玉良[5]進(jìn)行了竹節(jié)樁和圓管樁的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，并在樁身設(shè)置應(yīng)變片，研究竹節(jié)樁的荷載傳遞機(jī)理和樁側(cè)摩阻力的變化，試驗(yàn)證明竹節(jié)樁側(cè)摩阻力大于同直徑的普通樁，并且具有良好的抗液化性能；周家錦等人[6-8]對(duì)靜鉆根植竹節(jié)樁展開了詳細(xì)的理論和試驗(yàn)研究，分析了其豎向荷載傳遞機(jī)理以及其抗壓抗拔承載特性，并總結(jié)了其承載力計(jì)算公式。

填砂竹節(jié)管樁是對(duì)普通竹節(jié)樁的改進(jìn)，其是由竹節(jié)管樁、樁周砂石層和土體共同組成的復(fù)合樁基。由于樁周砂石層的存在，改善了樁和土體之間的接觸性質(zhì)，從理論上講具有更好的豎向承載性能。但國內(nèi)外針對(duì)填砂竹節(jié)管樁的研究基本處于空白階段，沒有很好的理論基礎(chǔ)框架。研究該新型復(fù)合樁型的豎向承載性能，對(duì)于其在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

本文主要研究填砂竹節(jié)樁和普通預(yù)應(yīng)力圓管樁在承載力方面的差異，進(jìn)行相同外徑的填砂竹節(jié)樁和圓管樁的靜載荷模型試驗(yàn)，而后利用ABAQUS建立工程用填砂竹節(jié)樁和普通圓管樁的理論模型，利用有限元計(jì)算來研究其在承載力方面的差異。

2 填砂竹節(jié)管樁的施工方法

填砂竹節(jié)管樁作為一種新的復(fù)合樁型，現(xiàn)在還處于試驗(yàn)研究階段，無法大規(guī)模地投入工程應(yīng)用，其相關(guān)的施工方法也不成熟，這里結(jié)合浙江寧波某樁廠所進(jìn)行的填砂竹節(jié)管樁的現(xiàn)場打樁試驗(yàn)，來介紹填砂竹節(jié)管樁的施工方法。

首先以確定好的樁位點(diǎn)為中心，打入鋼護(hù)筒，而后竹節(jié)管樁放在鋼護(hù)筒內(nèi)的樁位點(diǎn)上。護(hù)筒和樁就位后，在護(hù)筒內(nèi)填滿砂石，然后開始錘擊打樁，護(hù)筒內(nèi)的砂石會(huì)隨著樁的打入不斷的填充于樁和樁周土體之間，此時(shí)應(yīng)注意不斷的向鋼護(hù)筒內(nèi)補(bǔ)充砂石料，以保證填砂充盈率，直至將樁打入預(yù)定深度，形成竹節(jié)管樁，樁周砂石層和地基土共同組成的復(fù)合樁基，完成填砂竹節(jié)管樁的施工，見圖1。

3 模型對(duì)比試驗(yàn)研究

填砂竹節(jié)管樁由于竹節(jié)和樁周砂石的存在，其在豎向承載性能方面上較普通預(yù)應(yīng)力圓管樁應(yīng)有明顯的優(yōu)勢，為了研究其性能優(yōu)勢，進(jìn)行了填砂竹節(jié)管樁和圓管樁的靜載荷模型試驗(yàn)。所用的樁體、土和砂石的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

模型箱的尺寸為70 cm×70 cm×65 cm；利用尼龍棒來制作竹節(jié)管樁和管樁的模型，見圖2。其中竹節(jié)樁竹節(jié)外徑的尺寸為45 mm，樁體直徑為36 mm，竹節(jié)間距100 mm，樁長為500 mm，為了保證試驗(yàn)的可對(duì)比性，圓樁的直徑與竹節(jié)樁竹節(jié)外徑相同，樁長同樣為500 mm。土和砂石取自某建筑工地的軟粘土和砂料。兩種模型樁均采用錘擊方法沉樁，竹節(jié)管樁模型的填砂方式模擬上述套筒式填砂方法，見圖2。

加載方式采用自主設(shè)計(jì)的杠桿式砝碼加載裝置，由于加砝碼的位置不同，每級(jí)荷載約為100 N，具體的數(shù)值由讀數(shù)儀表顯示；采用量程500 kg的LOAD CELL稱重傳感器，并連接終端顯示設(shè)備來測讀模型樁樁頂?shù)暮奢d；采用數(shù)顯位移千分表來直接讀取模型樁樁頂?shù)奈灰啤＠迷撗b置進(jìn)行兩種模型樁的室內(nèi)模擬靜載荷試驗(yàn)，見圖3，將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)分析整理，分別繪制兩種模型樁的荷載位移曲線，見圖4。

由圖4可以看出，當(dāng)樁頂荷載小于100 N時(shí)，兩種模型樁的樁頂位移相差很小，這說明當(dāng)荷載較小時(shí)，普通圓管樁和填砂竹節(jié)管樁的承載性能并無較大差距；當(dāng)荷載增加至100 N～300 N之間時(shí)，兩模型樁的荷載位移曲線有較明顯的差異，填砂竹節(jié)管樁的荷載位移曲線相對(duì)平緩很多，填砂竹節(jié)管樁的樁頂位移穩(wěn)定在1 mm以內(nèi)，而圓管樁的樁頂位移隨荷載的增大增加較快，并且隨著荷載的增大，兩種樁型的樁頂位移沉降差也越來越大；當(dāng)樁頂荷載大于300 N時(shí)，圓管樁的位移迅速增大，荷載增加至587 N時(shí)，樁頂位移已經(jīng)大于0.5 cm，終止圓管樁的加載；而填砂竹節(jié)管樁一直持續(xù)加載至920 N后終止加載，此時(shí)的樁頂位移為0.42 cm。由以上分析可以看出，填砂竹節(jié)管樁具有更好的豎向承載性能和沉降特性，相同荷載下樁頂沉降更小。

4 ABAQUS有限元對(duì)比分析

ABAQUS是國際通用的大型有限元軟件之一，其對(duì)巖土工程問題有較強(qiáng)的適用性，利用ABAQUS軟件來建模分析計(jì)算填砂竹節(jié)管樁在豎向承載性能方面的優(yōu)勢，方便快捷且節(jié)省了現(xiàn)場試驗(yàn)所需的大量人力物力。本文根據(jù)寧波某樁廠生產(chǎn)的樁型型號(hào)，分別建立了竹節(jié)外徑400 mm，樁體直徑350 mm的填砂竹節(jié)管樁(400-350型)和外徑400 mm的普通預(yù)應(yīng)力管樁的二維有限元模型，見圖5。

接觸形式定義為罰接觸[9]，參考相關(guān)文獻(xiàn)[10][11]確定的不同接觸面的摩擦系數(shù)，樁土接觸面摩擦系數(shù)取為0.2，樁—砂石接觸面摩擦系數(shù)取為0.36，砂石—土接觸面摩擦系數(shù)取為0.3，土體和砂石的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置見表1，并根據(jù)剛性大小來判斷接觸對(duì)中的主從接觸面；在LOAD步給予樁頂40 mm豎向位移，采用位移法來控制樁頂荷載，而后采用CAX4(軸對(duì)稱四節(jié)點(diǎn)單元)為該模型劃分網(wǎng)格，所用土體和砂的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示，并提交作業(yè)進(jìn)行計(jì)算，分別得到填砂竹節(jié)管樁和普通圓管樁荷載位移曲線對(duì)比圖，見圖6。

由圖6有限元模擬的結(jié)果可以看出，當(dāng)樁頂荷載小于250 kN時(shí)，兩種樁型的樁頂沉降基本相同，承載性能沒有較大的差異；當(dāng)荷載大于250 kN時(shí)，圓管樁的樁頂沉降隨荷載的增大發(fā)展較快，兩條曲線有了較為明顯的差異，相同荷載下，填砂竹節(jié)管樁的樁頂位移小于普通圓管樁，且隨著荷載的增大，兩種樁型的樁頂沉降差不斷增大；當(dāng)樁頂位移達(dá)到40 mm時(shí)，填砂竹節(jié)管樁的樁頂荷載為689 kN，圓管樁的樁頂荷載為576 kN，填砂竹節(jié)管樁的承載力相較提高了19.6%左右。綜上ABAQUS有限元分析的結(jié)果可知，填砂竹節(jié)管樁具有更容易控制的樁頂沉降，且承載力較相同外徑的圓管樁有較大的提高。

5 結(jié)語

本文主要針對(duì)目前還處于研究開發(fā)階段填砂竹節(jié)管樁復(fù)合樁基展開模型和有限元模擬計(jì)算方面的研究，通過進(jìn)行相同外徑的填砂竹節(jié)管樁和普通圓管樁的室內(nèi)靜載荷模型試驗(yàn)，而后通過建立兩種樁型的有限元模型，利用ABAQUS軟件進(jìn)行分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：1)當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，兩種樁型的樁頂沉降隨荷載的變化并無明顯差異；當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大，普通圓管樁的樁頂沉降隨位移發(fā)展較快，填砂竹節(jié)管樁具有更容易控制的樁頂沉降。2)填砂竹節(jié)管樁極較與之竹節(jié)相同外徑的普通圓管樁的承載力提高了20.5%左右，填砂竹節(jié)管樁在提高樁基承載力的同時(shí)，節(jié)約了樁體材料，具有很好的工程推廣應(yīng)用前景。