鋼管-樁心配筋微型樁極限抗彎承載力研究

梁中勇，饒軍應，陳再謙，帥世界，劉燈凱

(1.貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025；2.中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

微型樁作為一種直徑小于300 mm，樁體采用鋼管、鋼筋或型鋼，以壓漿方式充填細石混凝土或水泥砂漿的細長樁[1]，不僅可在復雜地形下施工，尤其在出入困難、場地狹窄等施工條件下具有更突出的優勢。同時，微型樁施工對加固地層擾動小，加固范圍可達地下水位以下;施工過程主要在地面進行，在滑坡或潛在滑坡地段能夠很好地保證施工人員的安全。微型樁施工速度快，在搶險工程中，能夠快速有效地起到加固危險土層的作用，成為工程師們應急搶險、治理滑坡和邊坡加固的常用處理方式[2-4]。

在微型樁的研究方面，閆金凱等[4-6]對樁周配筋和樁心配筋微型樁單樁、群樁加固滑坡體進行模型試驗，得出微型樁在滑面附近發生彎剪破壞，樁周配筋優于樁心配筋微型樁。陳再謙等[7]通過有限元軟件對微型鋼管樁抗彎性能進行研究，提出微型鋼管樁抗彎承載力計算新方法。李舟等[8]將微型鋼管樁應用到青海省道S101線DH1滑坡治理中，效果顯著。劉曉[9]對不同荷載作用下的鋼管-鋼骨微型樁抗彎承載力進行研究，推出純彎狀態下的承載力公式。周樂等[10]推導出不同配筋形式下微型樁樁頂變形量。

微型樁的現有研究主要集中于樁周配筋微型樁、樁心配筋微型樁、鋼管微型樁、鋼管-鋼骨微型樁等方面，對鋼管-樁心配筋微型樁研究較少。微型樁作為一種細長樁體，抗彎能力往往次于抗剪能力，對于滑坡體較厚者，滑體推力作用力臂較大，力矩也較大，往往較易達到微型樁的極限抗彎承載力。同時，微型樁直徑較小，剛度也較小，滑面處微小彎曲變形可能導致樁頂產生較大的位移。文獻[6]提出微型樁按抗剪能力設計時，并未限制樁頂位移。文獻[11]明確建議在土質邊坡中以樁身最大彎矩為標準進行設計，在巖土混合邊坡中以樁身最大彎矩和最大剪力為標準進行設計。因此，對于鋼管-樁心配筋微型樁極限抗彎承載力進行研究很有必要。本文通過對鋼管-樁心配筋微型樁進行極限抗彎承載力室內試驗，總結了鋼管-樁心配筋微型樁抗彎特點，并與鋼管微型樁作了對比。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

圖1 荷載加載形式(單位：mm)

試驗在貴州大學土木工程實驗室完成，試驗采用改裝YAS-2000型壓力試驗機。支座間距1.5 m，2個集中力加載間距0.5 m，加載形式采用單跨簡支梁上2個集中力對稱同步加載，跨中設置1個位移計測量試件的撓度,如圖1所示。油壓千斤頂對試件加載過程中，通過傳感器測定每一時刻施加在試件上的荷載和支座頂升位移。數據采集由1臺靜態電阻應變儀和1臺計算機完成，每個試件純彎段中點沿縱向粘貼3枚應變片，試驗中進行了溫度補償。

1.2 試件

微型樁截面形式如圖2所示，試件截面尺寸見表1。試件長1.5 m，其中鋼筋束形心與鋼管形心重合。試件采用C30細石混凝土、42.5R普通硅酸鹽水泥，灌注過程中采用插入式振搗器振搗密實。每個規格試件3根，共計9根。

圖2 微型樁截面形式

表1 微型樁試件截面尺寸 mm

2 試驗結果分析

經過試驗數據處理，得到了微型樁極限抗彎承載力、彎矩-應變曲線、加載全程的荷載-位移曲線和彎矩-撓度曲線。試驗過程中，對試件狀態拍照錄像，掌握試件破壞全過程。

2.1 微型樁極限抗彎承載力

試驗數據統計見表2，其中荷載F為試件失效時施加在試件上的集中荷載，是壓力試驗機供給力的1/2，試件極限抗彎承載力為0.5F。含鋼率由公式ρ=As/Ac計算，式中，As表示鋼的面積，為鋼筋和鋼管截面面積之和;Ac表示混凝土截面面積。試驗過程中，微型樁變形顯著就視同試件失效。表中數據為試件跨中撓度為180 mm 時的荷載值。

表2 試驗數據統計

圖3 極限抗彎承載力變化曲線

圖3為不同含鋼率時極限抗彎承載力變化曲線，可知：微型樁極限抗彎承載力與截面直徑的關系可用函數y=0.015x2-2.81x+130.66擬合。隨著截面直徑的增大，試件的極限抗彎承載力也增大，從直徑168 mm 增大到203 mm 時，微型樁極限抗彎承載力平均值增長2.4倍，體現出較強的抗彎承載能力。微型樁含鋼率隨截面直徑的增大從30%減小到20%，但鋼管壁與中性軸距離變大，截面慣性矩變大，抗彎承載力增強。鋼管-樁心配筋樁中，樁心鋼筋的存在有效地延緩了混凝土中剪切滑移裂縫的產生，混凝土的存在則增強了鋼管、樁心鋼筋的穩定性。

2.2 彎矩-應變曲線

圖4為直徑168 mm試件彎矩M與應變關系曲線，直徑140，203 mm試件跨中彎矩與應變關系曲線與此類似，故不列出。可明顯看出，在加載初期M<22 kN·m 時，試件處于彈性工作階段，應變曲線表現為線性分布，符合平截面假定。當22 kN·m53 kN·m時，中性軸下降更明顯，關系曲線不符合平截面假定。可能是因為在試驗中內臺座與鋼管接觸面太大，限制了受壓側鋼管的變形導致。鋼管受拉側應變與現有鋼管混凝土研究結果一致。在彎矩增加的同時，試件中性軸往受壓側移動，承載力在不斷提高，設計中應考慮樁心鋼筋對承載力的貢獻。

圖4 彎矩與應變關系曲線

2.3 荷載-位移曲線

圖5為微型樁的荷載-位移曲線，可將曲線分為4個 階段。曲線OA段為試件與試驗機接觸咬合階段。曲線AB段為彈性段，在這一階段，曲線近似于直線，壓區混凝土與拉區鋼管同處于低應力狀態，視為混凝土單軸受壓、鋼管單向受拉。曲線BC段為彈塑性段，試件位移變化比荷載變化明顯。曲線CD段為強化段，曲線在此階段呈緩慢線性增長。試驗結果顯示受彎試件在變形很大時，荷載仍可繼續增加，曲線沒有明顯的下降趨勢，表明試件在純彎矩作用下表現出較好的延性。

圖5 荷載-位移曲線

2.4 彎矩-撓度曲線

圖6為試件在不同彎矩下的撓度曲線，圖中500 mm 及 1 000 mm 處撓度為試驗機頂升位移。圖中每1條曲線表示在試件加載過程中，當跨中撓度達到某一值時，試件的支座位置、加載點以及跨中位置的撓度的連線。試件受力全過程的撓曲線與正弦半波曲線不吻合，可能是由加載點處支座引起。曲線未出現突然下降的情況，表現出良好的延性。

圖6 不同彎矩下的撓度曲線

2.5 試件破壞形態

圖7為微型樁破壞形態。在純彎荷載作用下，試件整體呈彎曲狀態，加載完成后，試件中部未與兩側形成正弦撓度曲線。由于位移過大，視同試件已失效，試驗中發現外側鋼管表面有較為明顯的塑形變形，若繼續加載，試件還可繼續承載。

圖7 微型樁破壞形態

3 鋼管-樁心配筋微型樁與微型鋼管樁對比

鋼管-樁心配筋微型樁是在微型鋼管樁的基礎上加入樁心鋼筋組合而成。現階段對于微型鋼管樁極限抗彎承載力研究相對較多，故將鋼管-樁心配筋樁試驗結果與微型鋼管樁最新研究結果[8]進行對比。鋼管-樁心配筋微型樁極限抗彎承載力與微型鋼管樁極限抗彎承載力對比見表3，可發現鋼管-樁心配筋微型樁極限抗彎承載力明顯比微型鋼管樁極限抗彎承載力高，極限抗彎承載力提高系數見表4，提高系數推薦取值為1.5。

表3 鋼管-樁心配筋微型樁極限抗彎承載力與微型鋼管樁極限抗彎承載力對比

表4 極限抗彎承載力提高系數

4 結論

本文通過對鋼管-樁心配筋微型樁進行室內極限抗彎承載力試驗，得出以下結論：

1)試驗中隨著彎矩增大，試件中性軸往受壓側移動，承載力不斷提高，設計中應考慮樁心鋼筋對承載力的貢獻。通過對極限抗彎承載力變化曲線、荷載-位移曲線和彎矩-撓度曲線分析，發現試件在純彎矩作用下表現出較好的延性，適合在工程中應用。

2)通過與微型鋼管樁極限抗彎承載力對比，發現樁心鋼筋的存在使得鋼管-樁心配筋微型樁極限抗彎承載力在微型鋼管樁的基礎上提高了50%。