竹節(jié)型管樁抗拔承載性能試驗(yàn)研究

陳 必 權(quán)

(中煤浙江勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310000)

1 概述

目前，竹節(jié)型管樁在土建工程中得到了廣泛應(yīng)用，竹節(jié)型管樁是在傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)上，在樁身每隔一定距離設(shè)置形似竹節(jié)的外凸橫肋而得名的，其目的是為了改善傳統(tǒng)管樁側(cè)表面光滑而與周圍土體摩擦作用相對(duì)較小的弱點(diǎn)，使樁側(cè)表面?zhèn)鬟f荷載的能力增強(qiáng)。竹節(jié)型管樁的研究大多應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)中，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)此試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)精度較高，有較高的可靠性，可以放心使用。但其也有一定的缺點(diǎn)，就是其只能進(jìn)行一次試驗(yàn)，不可重復(fù)利用，花費(fèi)較大。因此室內(nèi)模型試驗(yàn)就成為一種較好的補(bǔ)充研究方法[1-5]。對(duì)不同節(jié)間距模型樁進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了竹節(jié)型管樁在土層中的荷載傳遞規(guī)律和竹節(jié)間距的改變對(duì)承載性能的影響。

2 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)主要是針對(duì)粉土土層，探討竹節(jié)型管樁的單樁抗拔承載性能和如何合理布置竹節(jié)間距，為了比較竹節(jié)間距的不同對(duì)樁承載力的影響，試驗(yàn)定制了一款長(zhǎng)為1 200 mm，寬為600 mm，高為850 mm的模型箱，設(shè)計(jì)了5根模型樁，模型樁的直徑是20 mm且長(zhǎng)度是650 mm。在5根模型樁中除了第一根樁是等截面模型樁以外，其余的樁全是竹節(jié)模型樁，每根竹節(jié)型管樁的竹節(jié)直徑都相同，直徑為25 mm，只是竹節(jié)間距不同。第二根樁的竹節(jié)間距為30 mm、第三根樁的竹節(jié)間距為50 mm、第四根竹樁的節(jié)間距為75 mm、第五根樁的竹節(jié)間距為100 mm。從樁底以上50 mm開(kāi)始往上間隔100 mm在樁身布置5組電阻應(yīng)變片(應(yīng)變片編號(hào)從上至下依次為1號(hào)～5號(hào))，在樁周土體充填時(shí)設(shè)置兩組微型土壓力盒，由于模型箱尺寸限制，試驗(yàn)分兩次完成，試驗(yàn)箱中土體為取自某工地的粉土，制作重塑土層時(shí)將粉土逐層加入振搗壓實(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中需要注意在每級(jí)荷載加載穩(wěn)定后立刻測(cè)讀樁身應(yīng)變、樁周土壓力變化、樁頂位移等有關(guān)參數(shù)，制成相關(guān)圖表后分析比較上述五種樁型的抗拔承載性能的差異。

在模型樁的承載性能測(cè)定完成后利用環(huán)刀法取出離樁周較遠(yuǎn)未受擾動(dòng)的土體，對(duì)土體進(jìn)行土工試驗(yàn)測(cè)定重塑粉土的土工參數(shù)，其參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)用土試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量方法

本試驗(yàn)中測(cè)量樁頂?shù)纳习挝灰茣r(shí)先在樁頂上對(duì)稱布置百分表，安裝之后開(kāi)始分級(jí)加載，當(dāng)每級(jí)加載達(dá)到加載標(biāo)準(zhǔn)并穩(wěn)定后記錄百分表讀數(shù)和相應(yīng)荷載值；在加載前在樁身兩側(cè)貼應(yīng)變片，加載完成后記錄各應(yīng)變片讀數(shù)，通過(guò)換算可得到軸向應(yīng)力；加載前和加載后分別記錄模型樁四周的土壓力盒讀數(shù)，待加載完成后對(duì)比加載前后的應(yīng)變值變化量，經(jīng)過(guò)公式換算可得到土壓力值。

4 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

通過(guò)模型試驗(yàn)測(cè)得的不同竹節(jié)間距模型樁的承載性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制Q—S曲線，對(duì)四種不同的竹節(jié)間距造成的樁體抗拔能力影響進(jìn)行對(duì)比研究，探尋竹節(jié)型管樁的承載性能的影響因素以及原理。

4.1 上拔荷載與位移量對(duì)比分析

等截面管樁、竹節(jié)間距分別為30 mm，50 mm，75 mm，100 mm的竹節(jié)型管樁Q—S曲線如圖1所示。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)5根模型樁上拔位移量—荷載曲線在初期變化較小，曲線較平緩，由此可以得知樁身的上拔量受荷載影響較大，即荷載小，則其??；荷載大，則其大；5根模型樁的曲線的曲率隨著荷載的增大而逐漸增大，雖然曲率較初期變化較大，但基本屬于緩變型曲線。若承載力控制條件控制在1.2 mm上拔量的話，則等截面管模型樁的抗拔承載力約為158 N，竹節(jié)間距為100 mm的竹節(jié)型管樁抗拔承載力約為197 N，竹節(jié)間距為75 mm的竹節(jié)型管樁抗拔承載力約為211 N，竹節(jié)間距為50 mm的竹節(jié)型管樁抗拔承載力約為222 N，竹節(jié)間距30 mm的竹節(jié)型管樁抗拔承載力約為219 N。

將各根模型樁的抗拔承載力進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，竹節(jié)型管樁的抗拔承載能力和沒(méi)有竹節(jié)的管樁比較要大，但竹節(jié)間距越小并不意味著竹節(jié)型管樁的承載力越大。從四種不同竹節(jié)間距竹節(jié)型管樁承載力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，竹節(jié)間距為50 mm的竹節(jié)型管樁抗拔承載力最高，而竹節(jié)間距為30 mm的竹節(jié)型管樁的抗拔承載力卻比竹節(jié)間距為50 mm的竹節(jié)型管樁低，分析原因發(fā)現(xiàn)引起這個(gè)現(xiàn)象的原因是由于竹節(jié)間距過(guò)近，導(dǎo)致承載后期樁身的竹節(jié)與土體的相互作用不能發(fā)揮，僅靠樁周摩擦發(fā)揮作用，反而降低了竹節(jié)型管樁的承載力。

4.2 樁身軸力對(duì)比分析

通過(guò)安裝在樁身兩側(cè)的應(yīng)變片測(cè)得其應(yīng)變值，再根據(jù)軸力計(jì)算公式F=E(彈性模量)×ε(應(yīng)變)×A(截面面積)計(jì)算出樁身的軸力，等截面管樁的樁頂荷載的三個(gè)等級(jí)為50 N,100 N,150 N；竹節(jié)間距為30 mm的竹節(jié)型管樁的樁頂荷載的三個(gè)等級(jí)為100 N,150 N,200 N；竹節(jié)間距為50 mm的 竹節(jié)型管樁的樁頂荷載的三個(gè)等級(jí)為100 N,150 N,200 N；竹節(jié)間距為75 mm的竹節(jié)型管樁的樁頂荷載的三個(gè)等級(jí)為100 N,150 N,200 N；竹節(jié)間距為100 mm的竹節(jié)型管樁的樁頂荷載的三個(gè)等級(jí)為100 N,150 N,200 N。

通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在受到上拔荷載時(shí)，當(dāng)模型樁身的高度逐漸變大時(shí)，等截面管樁的軸力會(huì)逐漸變小，說(shuō)明荷載較小時(shí)樁周摩擦力在管樁側(cè)表面幾乎是均勻分布的。竹節(jié)型管樁的樁身軸力也會(huì)隨著樁身的高度的增加而隨之遞減，但是線型呈非線性現(xiàn)象。為了更好地研究等截面管樁與竹節(jié)型管樁的承載性能，把幾根模型樁在Q=150 N時(shí)的樁身軸力數(shù)據(jù)取出對(duì)比。等截面管樁從上到下布置的應(yīng)變片的軸力分別約為138 N，110 N，75 N，38 N，1.6 N；竹節(jié)間距為30 mm的竹節(jié)型管樁和等直徑樁樁身軸力隨上拔力變化的趨勢(shì)較為接近，這是由于在承載后期，當(dāng)竹節(jié)型管樁竹節(jié)間距較小時(shí)，竹節(jié)與土體的作用力不能充分發(fā)揮，該竹節(jié)型管樁相當(dāng)于直徑為25 mm的等直徑樁，其承載力主要由樁周土體間的摩擦(剪切)作用提供。而竹節(jié)間距為50 mm的竹節(jié)型管樁1號(hào)～5號(hào)應(yīng)變片的軸力分別約為129 N，75 N，37 N，15 N，2 N，由此可得，相比于等截面管樁，竹節(jié)型管樁的樁身軸力變化呈一定的非線性，離加載端越遠(yuǎn)，樁身軸力減小更慢，越靠近樁頂樁身軸力減小更為明顯，也就是說(shuō)節(jié)可以傳遞更多荷載量；此外發(fā)現(xiàn)越往上遞減現(xiàn)象越不明顯，說(shuō)明設(shè)在樁身下部的節(jié)要比上部的節(jié)更慢更晚的發(fā)揮作用。我們?cè)O(shè)定判定四根竹節(jié)模型樁承受荷載達(dá)到最大值時(shí)的依據(jù)是上拔變形量達(dá)到1.2 mm，因此相比于設(shè)在模型樁身上部的節(jié)，下部的節(jié)荷載傳遞效果不明顯，上拔位移較小，結(jié)合數(shù)據(jù)可知在模型樁身下部設(shè)置節(jié)時(shí)不能使其荷載傳遞作用全部發(fā)揮出來(lái)，在實(shí)際工程中可以考慮不在樁身下部設(shè)節(jié)，或者給予較大位移以保證能最大化地發(fā)揮傳遞荷載的作用。

相比于等截面模型樁土之間的相互摩擦，竹節(jié)型管樁本身的樁身軸力通過(guò)節(jié)的荷載傳遞效果更好，由此可見(jiàn)與等截面管樁相比，竹節(jié)型管樁的荷載傳遞作用存在較為明顯的不同。

4.3 樁周土壓力對(duì)比分析

通過(guò)土壓力盒采集到的數(shù)據(jù)可以由P=(με)(應(yīng)變量)×K(率定系數(shù))公式轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值。將上拔荷載與周圍土層的土壓力值的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可以得出下列結(jié)論：

將5種不同的類型的模型樁的土壓力值放在一起進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)雖然5根模型樁的試驗(yàn)條件一樣，但是竹節(jié)型管樁周圍的土壓力增量會(huì)比較大，且測(cè)得的等截面管樁周圍的土壓力增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于竹節(jié)型管樁所測(cè)的土壓力增量，為了能夠更清晰的知道各個(gè)模型樁的周圍土壓力值變化，取上拔荷載為150 N時(shí)，樁的周圍土壓力值進(jìn)行比較，各試驗(yàn)樁上、下兩個(gè)位置土壓力盒測(cè)得的土壓力增量平均值如表2所示。

表2 各試驗(yàn)樁周圍土壓力值(荷載為150 N) kPa

由表2可知，等截面樁周圍的土壓力增量與竹節(jié)型管樁周圍的土壓力增量相差較大，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于竹節(jié)型管樁周圍的土壓力增量。我們分析產(chǎn)生這樣現(xiàn)象的原因是：等截面管樁和竹節(jié)型管樁傳遞荷載的方式不同，等截面模型樁主要是利用樁側(cè)表面與土體之間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞荷載，就是土壓力擴(kuò)散的范圍較小，所以土壓力盒測(cè)出的土壓力增量變化不大。竹節(jié)型管樁利用節(jié)與土體的相互作用來(lái)傳遞荷載，這樣樁荷載在土體內(nèi)的傳遞范圍變廣，則樁周土壓力盒測(cè)得的壓力增量變化也大；模型樁的承載力隨著竹節(jié)間距的減小而增大，且在荷載作用相同的情況下，模型樁周土體的相對(duì)變形減小，說(shuō)明沿樁長(zhǎng)荷載傳遞作用分布更均勻，對(duì)局部土體的壓縮量減小，但竹節(jié)間距太小，則有可能出現(xiàn)上述所描述的情況，反而使樁的承載力降低。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)了大量的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的研究發(fā)現(xiàn)：竹節(jié)模型樁的抗拔承載能力較大，而等截面模型樁的抗拔承載能力比較小，但竹節(jié)間距越小并不意味著竹節(jié)型管樁的承載力越大。設(shè)在竹節(jié)型管樁下部的節(jié)對(duì)承載性能的貢獻(xiàn)較小。竹節(jié)型管樁由于橫肋的存在大大提高了樁側(cè)表面的粗糙度，加大了樁—土的摩擦作用力從而提高樁的承載力；當(dāng)竹節(jié)間距合適，樁頂部位移足夠大時(shí)，靠近樁頂?shù)牟糠謧鬟f荷載的能力較強(qiáng)，當(dāng)樁身深度越深時(shí)，樁身軸力迅速變小，這種現(xiàn)象突顯了五種不同類型的模型樁荷載傳遞作用之間的區(qū)別，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用竹節(jié)型管樁時(shí)應(yīng)考慮采用合理的竹節(jié)間距對(duì)提高承載力最有意義。