軟土地區(qū)PHC管樁承載力試驗(yàn)研究

任文峰,王星華,陳劍華

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙 410075;2.路橋集團(tuán)國際建設(shè)股份有限公司,北京 100027)

軟土地區(qū)PHC管樁承載力試驗(yàn)研究

任文峰1,2,王星華1,陳劍華2

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙 410075;2.路橋集團(tuán)國際建設(shè)股份有限公司,北京 100027)

通過京滬高鐵昆山制梁廠制梁臺(tái)座基礎(chǔ)PHC管樁承載力的理論計(jì)算及靜荷載試驗(yàn),對(duì)軟土地區(qū)錘擊打入的管樁承載力性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明軟土地區(qū)PHC管樁的實(shí)際承載力大于按照設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的承載力;承載力時(shí)效性較強(qiáng),靜止時(shí)間越長承載力越大,沉降越小;管樁的荷載沉降曲線為陡降型,土體破壞形式為沖切破壞,卸載后樁頂沉降無回彈;樁土的極限相對(duì)位移為17 mm～26 mm,大于一般經(jīng)驗(yàn)值等結(jié)論。對(duì)今后類似地質(zhì)條件下PHC管樁承載力的研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用具有一定的借鑒作用。

PHC管樁;靜載試驗(yàn);軟土;極限承載力;相對(duì)位移

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁(Prestress High Concrete pile,簡稱PHC管樁)是采用先張法預(yù)應(yīng)力和離心成型法制成的一種細(xì)長空心體混凝土預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,具有應(yīng)用范圍廣、單樁承載力高、工程造價(jià)低等特點(diǎn)。近年來在我國很多地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。但由于管樁的應(yīng)用時(shí)間不長,工程實(shí)踐的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論研究水平,使得樁的承載力未能得到充分利用[1]。20世紀(jì)70年代開始,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)PHC管樁的承載性能進(jìn)行了研究,但由于影響管樁承載力的因素較為復(fù)雜,目前還沒有比較符合實(shí)際的計(jì)算公式,對(duì)于軟土地區(qū)管樁的承載性能研究的成果更少,設(shè)計(jì)人員往往只能采用相關(guān)規(guī)范或根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)乘以較大的安全系數(shù)來保證軟土地區(qū)PHC管樁的安全性[2-4]。本文通過京滬高鐵昆山梁廠制梁臺(tái)座PHC管樁承載力試驗(yàn),分析PHC管樁在軟土地區(qū)的豎向承載機(jī)理,以期為軟土地區(qū)PHC管樁承載力的確定提供參考。

1 工程概況

京滬高鐵昆山梁廠位于京滬高速鐵路正線樁號(hào)DK1268+900處,承擔(dān)654孔雙線簡支箱形梁預(yù)制架設(shè)任務(wù)。梁廠設(shè)12個(gè)制梁臺(tái)座和75個(gè)存梁臺(tái)座(見圖1)。梁廠地處長江三角洲沖積平原,地層屬第四系全新統(tǒng)沖湖積層,主要由粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土及粉砂等地層組成,承載力較低。為滿足箱梁四個(gè)支點(diǎn)不平整度和不均勻沉降不大于2 mm,減少箱梁預(yù)制過程中臺(tái)座的不均勻沉降,存制梁臺(tái)座均采用PHC管樁基礎(chǔ),樁徑40 cm,管樁混凝土等級(jí)C80,制梁臺(tái)座上每根管樁的設(shè)計(jì)承載力為1 200 kN。

為保證制梁臺(tái)座工作的安全性,采用《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 1005.5-2005)計(jì)算制梁臺(tái)座管樁的入土深度,通過靜載試驗(yàn)驗(yàn)證管樁承載力,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析軟土地區(qū)管樁的承載性能。選取有代表性的C9號(hào)制梁臺(tái)座進(jìn)行地質(zhì)勘探,采用上述規(guī)范中公式6.6.2-1計(jì)算管樁入土為深度28 m。在C9制梁臺(tái)座下打入3根PHC管樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。制梁臺(tái)座下各土層基本參數(shù)如表1。

表1 土層基本參數(shù)表

2 靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法,即逐級(jí)加載,在某級(jí)荷載作用下,達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),可加下級(jí)荷載,具體試驗(yàn)如下:

(1)試驗(yàn)設(shè)備:試驗(yàn)采用堆載方法,試驗(yàn)裝置由以下三部分組成:反力裝置系統(tǒng)、加荷穩(wěn)壓裝置系統(tǒng)和測讀裝置系統(tǒng)。反力裝置系統(tǒng):由主梁、次梁及配重組成。加荷穩(wěn)壓裝置系統(tǒng):由油壓千斤頂及配套壓力儀表等組成。測讀裝置系統(tǒng):由基準(zhǔn)樁、基準(zhǔn)梁、磁性表坐和位移傳感器組成。以上設(shè)備試驗(yàn)前均進(jìn)行過檢查、率定及變形驗(yàn)算,符合使用要求。

(2)加荷分級(jí):本次按極限承載力要求值作為試驗(yàn)時(shí)預(yù)估極限荷載。加荷至預(yù)估極限荷載共分11級(jí),第一級(jí)可按2倍分級(jí)荷載加荷,具體分級(jí)見表2。

表2 靜壓荷載等級(jí)

(3)沉降觀測:每級(jí)荷載施加后按第5 min、15 min、30 min、45 min 、60 min 測讀樁頂沉降量,以后每隔30 min測讀一次。

(4)試樁沉降相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):每1 h內(nèi)的樁頂沉降量不超過0.1 mm,并連續(xù)出現(xiàn)兩次(從分級(jí)荷載施加后第30 min開始,按1.5 h內(nèi)連續(xù)三次每30 min的沉降觀測值計(jì)算)。

(5)試樁終止加載條件:(當(dāng)出現(xiàn)以下情況之一,即可終止加載)

①某級(jí)荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍。

②某級(jí)荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍,且經(jīng)24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

③已達(dá)到設(shè)計(jì)要求最大加載量。

④當(dāng)Q～S曲線呈緩變型時(shí),可加載至樁頂總沉降量60 mm～80 mm;在特殊情況下,可根據(jù)具體要求加載至樁頂累計(jì)沉降量超過80 mm。

(6)卸載與卸載沉降觀測:卸載時(shí),每級(jí)荷載維持1 h,按第15 min、30 min、60 min 測讀樁頂沉降量后,即可卸下一級(jí)荷載。卸載至零后,測讀樁頂殘余沉降量,維持時(shí)間為3 h,測讀時(shí)間為第15 min、30 min,以后每隔30 min測讀一次。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

C9號(hào)制梁臺(tái)座管樁打入時(shí)間為2008-03-15。靜載試驗(yàn)前,利用低應(yīng)變檢查各樁樁身質(zhì)量。檢查結(jié)果為:各樁樁身完整,均為Ⅰ類樁。2008-03-24起開始C9-1#樁靜壓試驗(yàn),2008-03-25結(jié)束,2008-03-25～2008-03-26進(jìn)行C9-3#樁靜載試驗(yàn),2008-03-26～2008-03-28日進(jìn)行C9-2#樁靜載試驗(yàn)。各樁的Q～S曲線及S～lgt曲線見圖2～圖5。

從圖2中看出,由于各試樁施工時(shí)間、打入深度、地質(zhì)條件等差別較小,各樁相隔距離也比較小,各試樁的荷載沉降曲線變化趨勢(shì)也基本一致。當(dāng)荷載為2 800 kN時(shí),試樁在各級(jí)荷載下的沉降都能穩(wěn)定,C9-1#、C9-2#、C9-3#樁頂累計(jì)沉降量分別為26.34 mm、17.02 mm、21.68 mm。曲線線形相似,均呈緩變形,沒有明顯向下彎折段,但由于靜止時(shí)間的不同,各樁在同等荷載級(jí)別下的樁頂沉降量有差異。當(dāng)最大荷載為3 000 kN時(shí),各試樁樁頂沉降均出現(xiàn)劇烈變化,沉降無法穩(wěn)定,試樁達(dá)到極限荷載,將荷載卸載后,各樁沉降幾乎無回彈。由此判斷,各樁的極限承載力均為2 800 kN,根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003),考慮到制梁臺(tái)座為臨時(shí)工程,單樁的設(shè)計(jì)允許承載力可取1 680 kN。根據(jù)《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 1005.5-2005)公式6.6.2-1計(jì)算各樁的設(shè)計(jì)允許承載力為1 200 kN,試驗(yàn)結(jié)果表明樁的實(shí)際承載力比設(shè)計(jì)高出40%,樁長有優(yōu)化的空間。

圖2 各樁Q～S曲線

圖3 C9-1#樁S～lgt曲線

圖4 C9-2#樁S～lgt曲線

圖5 C9-3#樁 S～lgt曲線

軟土地區(qū)單樁設(shè)計(jì)承載力的試驗(yàn)值大于根據(jù)理論公式計(jì)算值,除了設(shè)計(jì)偏保守外,對(duì)軟土地區(qū)打入PHC管樁的承載力特性認(rèn)識(shí)不足有很大關(guān)系[5-7],通過靜載試驗(yàn)及分析對(duì)軟土地區(qū)PHC管樁的承載力性能總結(jié)如下:

(1)樁承載力的時(shí)效性。PHC管樁在打入過程中對(duì)樁周圍土體造成擠壓破壞,周圍土體中空隙水壓力短時(shí)間內(nèi)難以排出,產(chǎn)生較大的空隙水壓力,隨著空隙水壓力的消散和樁周土體的再次固結(jié),承載力會(huì)明顯加大[8-9]。本工程地下水位較高,土層中粉質(zhì)粘土及粘土較多,滲透系數(shù)較小,屬于弱透水層,在沉樁過程中產(chǎn)生的空隙水壓力自然無法消散,樁后期承載力增長較大。C9-1#、C9-3#、C9-2#試樁的加載時(shí)間分別為沉樁結(jié)束后9 d、10 d及11 d。靜載試驗(yàn)結(jié)果表明,相同荷載等級(jí)下,間隔時(shí)間越長樁頂沉降越小,單樁的承載力越大。例如,在荷載等級(jí)為2 800 kN時(shí),C9-1#、C9-2#、C9-3#的樁頂累計(jì)沉降量分別為 26.34 mm、17.02 mm、21.68 mm,C9-3#試樁的沉降量為C9-1#的82%,C9-2#試樁的沉降量為C9-1#的65%。

(2)土體破壞形式為沖切破壞。PHC管樁屬于端承摩擦樁,承載力更多的依靠樁側(cè)摩阻力提供。地基承載力不足而使地基遭到破壞,實(shí)質(zhì)上是持力層土的剪切破壞所造成的。剪切破壞的形式可分為三種:即整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖切破壞。樁周土體發(fā)生沖切破壞時(shí),由于持力層的壓縮量大,土體的豎向和側(cè)向壓縮量大,基樁豎向位移量大,沿基礎(chǔ)周邊產(chǎn)生不連續(xù)的向下輻射性剪切,基樁“刺入”土中,基底水平面無隆起現(xiàn)象。土的密度越小,土體壓縮性越大,越容易發(fā)生沖切破壞。

各樁的Q～S曲線表明,荷載與沉降的關(guān)系并不是呈現(xiàn)典型的拋物線型,而呈現(xiàn)陡降型。在靜載試驗(yàn)時(shí),荷載等級(jí)小于試樁的極限承載力時(shí),各樁的Q～S曲線均呈現(xiàn)直線狀態(tài),S～lgt曲線也呈現(xiàn)水平狀態(tài);當(dāng)荷載超過極限荷載時(shí),樁底部土體發(fā)生沖切破壞,樁周土體由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦,樁頂沉降無法穩(wěn)定。由于沖切破壞不同于整體或局部剪切破壞,發(fā)生沖切破壞前樁頂沉降的征兆不明顯,且破壞后承載力大幅度下降。如圖2所示,管樁達(dá)到極限承載力前,樁頂沉降隨著荷載的增加而逐步增加,Q～S曲線基本為直線型,當(dāng)樁頂荷載超過極限承載力即樁周土體發(fā)生沖切破壞后,樁頂沉降突然迅速下降,管樁承載力明顯減小,且卸荷后,樁頂沉降幾乎無回彈。對(duì)于軟土地區(qū)的管樁,樁周土體發(fā)生沖切破壞將對(duì)結(jié)構(gòu)物的安全性造成重大破壞,因此在確定設(shè)計(jì)承載力時(shí)要根據(jù)結(jié)構(gòu)物的安全等級(jí)及破壞后造成的危害大小預(yù)留一定的安全系數(shù)。

(3)樁側(cè)極限摩阻力的發(fā)揮主要取決于樁土的相對(duì)位移,即極限位移。軟土地區(qū)PHC管樁的剛度遠(yuǎn)大于樁周土體的剛度,樁身在進(jìn)行豎向荷載傳遞時(shí),可認(rèn)為沿樁身自上而下樁土相對(duì)位移均相等,因此樁身各點(diǎn)達(dá)到極限摩阻力的樁土極限相對(duì)位移取決于該點(diǎn)的土質(zhì)。一般對(duì)于粘性土,極限位移值約為5 mm～10 mm,砂性土的極限位移值約為10 mm～20 mm[10]。由圖2可知,當(dāng)管樁達(dá)到極限承載力時(shí),樁頂沉降為17 mm～26 mm,樁身剛度較大,達(dá)到極限荷載時(shí),樁體壓縮可以忽略,地面無沉降,可判定本工程中樁土的極限相對(duì)位移為17 mm～26 mm,大于資料中的經(jīng)驗(yàn)值5 mm～10 mm。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)京滬高鐵昆山制梁廠預(yù)制臺(tái)座PHC管樁豎向承載力的現(xiàn)場靜載試驗(yàn)研究及其承載機(jī)理的分析,得出以下結(jié)論:

(1)靜載試驗(yàn)得出的允許承載力大于利用規(guī)范計(jì)算得出的設(shè)計(jì)承載力。軟土地區(qū)PHC管樁的承載力時(shí)效性較強(qiáng)。管樁施工完畢后,靜止時(shí)間越長,承載力越高,相同荷載作用下沉降越小。

(2)軟土地區(qū)管樁荷載沉降曲線為陡降型,樁周土體的破壞形式為沖切破壞。靜壓荷載超過極限承載力時(shí),卸除荷載樁頂沉降無回彈。

(3)樁周達(dá)到極限摩阻力時(shí),樁土的極限相對(duì)位移為17 mm～26 mm,大于一般資料中的經(jīng)驗(yàn)值。

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Experimental Study on Bearing Capacity of PHC Pipe Piles in Soft Soil Area

REN Wen-feng1,2,WANG Xing-hua1,CHEN Jian-hua2
(1.College of Civil and Architectural Engineering,Central SouthUniversity,Changsha,Hu'nan410075,China;2.International Construction Co.,Ltd.,China Road and Bridge Group Corporation,Beijing100027,China)

Here,the bearing capacity of PHC pipe piles in soft soil were analyzed through the static load experiments at Jing-hu high-speed railway Kunshan beam factory.The following conclusions are drawn:The actual bearing capacity of PHC pipe piles is bigger than the theoretical value calculated through design criterion;The aging performance of bearing capacity of piles is evident,the time is longer after driving,the capacity isgreater,and the settlement of piles is smaller at the same load grade;TheQ-Scurve is the steep drop type of piles in soft soil,the soil around of piles appears punching shear failure,and the settlement isbeyond retrieve when the loading grade exceeds the ultimate bearing capacity;The ultimate relative displacement is 17～26 mm which is bigger than experience value,and so on.All these as mentioned above could be references for similar projects.

PHC pipe pile;static load experiment;soft soil;ultimate bearing capacity;relative displacement

TU447

A

1672—1144(2012)01—0060—04

2011-11-09

2011-12-25

任文峰(1976—),男(漢族),江蘇豐縣人,博士研究生,主要從事高速鐵路的設(shè)計(jì)及施工工作。