大直徑預(yù)應(yīng)力樁彎剪性能試驗(yàn)研究

忻俊杰

(浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310000)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，建筑行業(yè)也在飛速的發(fā)展。隨著建筑高度的不斷提升，無(wú)論是由風(fēng)荷載、地震荷載引起的水平荷載還是基坑支護(hù)工程中土體等造成的水平荷載都對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土樁的抗彎抗剪性能有了更高的要求[1-5]。通過(guò)足尺試驗(yàn)分析了預(yù)應(yīng)力樁與普通樁抗彎抗剪性能的差異，主要對(duì)預(yù)應(yīng)力樁抗彎抗剪承載力、裂縫分布以及應(yīng)變發(fā)展進(jìn)行了分析。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用預(yù)應(yīng)力樁

對(duì)4根混凝土樁進(jìn)行抗彎抗剪試驗(yàn)，其中試驗(yàn)樁編號(hào)KW10A(未施加預(yù)應(yīng)力)和KW10B(施加預(yù)應(yīng)力)用于測(cè)試大直徑樁的抗彎特性，而編號(hào)為KJ6A(未施加預(yù)應(yīng)力)和KJ6B(施加預(yù)應(yīng)力)用于檢測(cè)樁體的抗剪特性。試驗(yàn)用預(yù)應(yīng)力樁的基本幾何參數(shù)如表1,表2所示，其配筋情況如圖1所示。需要說(shuō)明的是，實(shí)驗(yàn)使用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的直徑為15.2 mm，其張拉控制應(yīng)力取鋼絞線(xiàn)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fy=1 860 kPa的0.7倍。

表1 抗彎試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力樁參數(shù)

表2 抗剪試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力樁參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用杭州邦威機(jī)電控制工程有限公司生產(chǎn)的電液伺服加載系統(tǒng)，如圖2所示。其單組的加載能力為1 000 kN，每組試驗(yàn)采用兩組伺服器進(jìn)行加載。

圖3,圖4為試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片、位移計(jì)以及加載點(diǎn)的布置情況。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于樁的受彎性能試驗(yàn)，采用單調(diào)分級(jí)加載方式，每級(jí)加載時(shí)間間隔為15 min。為檢查儀器儀表讀數(shù)是否正常，在正式加載前需要測(cè)試加載，測(cè)試加載所用的荷載為分級(jí)荷載的前2級(jí)。

開(kāi)始試驗(yàn)后，首先進(jìn)行測(cè)試加載，為防止樁在測(cè)試加載期間產(chǎn)生裂縫，該階段的荷載量控制在樁受彎開(kāi)裂荷載的70%以?xún)?nèi)，分3級(jí)加載，每級(jí)穩(wěn)定時(shí)間為1 min，繼而分級(jí)卸載。測(cè)試加載中需要檢查各個(gè)儀表讀數(shù)的工作狀況是否良好，測(cè)試結(jié)束后，重新調(diào)整讀數(shù)并記錄初始數(shù)據(jù)。

3 抗彎試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗彎承載力

圖5為各試件荷載—跨中撓度曲線(xiàn)，表3給出了2個(gè)試件極限彎矩Mu的試驗(yàn)結(jié)果和承載力計(jì)算結(jié)果。從圖中可知，在加載開(kāi)始時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁試件因采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的原因，其剛度略大于傳統(tǒng)(未施加預(yù)應(yīng)力)混凝土實(shí)心圓樁試件，隨著跨中位移的增大，兩個(gè)試件的剛度差距變大，極限彎矩相差約11.6%。表3給出了兩個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。施加預(yù)應(yīng)力試件的極限荷載試驗(yàn)值與規(guī)范中公式所得參考值略大，而預(yù)應(yīng)力試件的試驗(yàn)值比參考值增大了約15%。同時(shí)施加預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁的剛度明顯大于未施加預(yù)應(yīng)力的混凝土構(gòu)件，其極限彎矩也比未施加預(yù)應(yīng)力的構(gòu)建增大了約10%。以上分析數(shù)據(jù)均能說(shuō)明新型樁在抗彎承載力方面符合設(shè)計(jì)要求，并優(yōu)于傳統(tǒng)的混凝土實(shí)心圓樁試件。

表3 抗彎承載力規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 kN/m

在加載初期，試件均處于彈性變形階段，跨中撓度與荷載值呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)荷載加載至純彎段時(shí)，試件產(chǎn)生首條裂縫，同時(shí)其抗彎剛度開(kāi)始逐漸下降。相比較而言，試件KW10A的剛度退化更加明顯。隨著荷載的繼續(xù)增大，試件豎向裂縫數(shù)目繼續(xù)增多，同時(shí)裂縫的尺寸也不斷增大。當(dāng)純彎段的主裂縫寬度達(dá)到1.5 mm后，停止加載并結(jié)束試驗(yàn)。

3.2 裂縫分布

圖6給出了試件KW10A和試件KW10B豎向裂縫的產(chǎn)生和發(fā)育分布圖。當(dāng)荷載加載至124 kN時(shí)，KW10A試件出現(xiàn)第一條裂縫，隨著荷載的增加，裂縫數(shù)量逐漸增加。當(dāng)加載至392 kN時(shí)，跨中附近的裂縫寬度達(dá)到1.5 mm，此時(shí)試件裂縫分布于跨中兩側(cè)約-1 500 mm～1 300 mm之間。觀(guān)察裂縫分布可得，試件樁身裂縫分布稀疏且間距較為均勻，同時(shí)裂縫豎向發(fā)展的分叉較多，截至試驗(yàn)結(jié)束，樁身主要裂縫發(fā)展數(shù)目為4條。對(duì)于KW10B試件而言，當(dāng)荷載加載至201 kN時(shí)，試件出現(xiàn)第一條裂縫，進(jìn)而在加載至439.8 kN時(shí)跨中附近裂縫寬度達(dá)到1.5 mm，試件裂縫分布于跨中兩側(cè)約-1 000 mm～1 000 mm之間。裂縫分布稀疏且間距較為均勻，裂縫豎向發(fā)展的分叉較KW10A試件更少，主要裂縫發(fā)展數(shù)目為3條。

由于樁身尺寸過(guò)大，試驗(yàn)以圓樁試件樁身混凝土產(chǎn)生的主裂縫寬度達(dá)到1.5 mm即作為加載終止條件。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比裂縫分布圖容易得到，與傳統(tǒng)(未施加預(yù)應(yīng)力)混凝土圓樁試件相比，預(yù)應(yīng)力圓樁試件的裂縫數(shù)目更少，其裂縫分布范圍更小且產(chǎn)生的間隔更均勻。因此施加預(yù)應(yīng)力提升了圓樁抗裂彎矩并顯著增強(qiáng)了其抗裂性能。當(dāng)裂縫寬度達(dá)到1.5 mm后，兩個(gè)試件都還具有很高的強(qiáng)度。

3.3 應(yīng)變發(fā)展

圖7為KW10A試件和KW10B試件跨中界面應(yīng)變隨荷載的發(fā)展變化。在加載初期即裂縫出現(xiàn)之前，兩根圓樁跨中截面的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)均較為緩慢，隨著加載的進(jìn)行，應(yīng)變水平均呈現(xiàn)線(xiàn)性變化。通過(guò)觀(guān)察兩者的應(yīng)變變化過(guò)程得出，圓樁試件在裂縫出現(xiàn)前，其截面應(yīng)變符合平截面的假設(shè)。隨著后續(xù)荷載的增加，圓樁試件開(kāi)始產(chǎn)生裂縫。在裂縫產(chǎn)生后，樁身跨中受拉區(qū)部分應(yīng)變快速增加。在本次實(shí)驗(yàn)中，部分應(yīng)變片受量程所限以及受拉破壞而無(wú)法進(jìn)行后續(xù)測(cè)量工作，導(dǎo)致本次實(shí)驗(yàn)部分測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法觀(guān)測(cè)。隨著荷載的繼續(xù)增加，截面中性軸不斷上移，樁身原有裂縫繼續(xù)發(fā)展并產(chǎn)生新的裂縫，同時(shí)裂縫尺寸(寬度、長(zhǎng)度)增加，并出現(xiàn)分叉。部分受拉區(qū)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變由于超過(guò)量程等原因出現(xiàn)失真情況，而受壓區(qū)混凝土應(yīng)變保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，其受到豎向裂縫的影響較小。直至試件主裂縫寬度達(dá)到1.5 mm時(shí)，停止加載并結(jié)束試驗(yàn)。

對(duì)于試件受拉區(qū)的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，大約有一半應(yīng)變值都在豎向裂縫產(chǎn)生后快速增長(zhǎng)或由于斷裂破壞而失效，從未斷裂的應(yīng)變片采集得到的數(shù)據(jù)可知，這些測(cè)點(diǎn)對(duì)裂縫產(chǎn)生與發(fā)展較為敏感，但是也存在個(gè)別測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值變化緩慢或基本不變化。相較于受拉區(qū)應(yīng)變的劇烈變化，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)受裂縫開(kāi)展影響較小，測(cè)得的壓應(yīng)變較為穩(wěn)定，普遍能達(dá)到0.000 5。

4 抗剪試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 抗剪承載力

圖8為各試件荷載—跨中撓度曲線(xiàn)，表4給出了兩個(gè)試件斜截面開(kāi)裂剪力Vcr和極限抗剪承載力Vu的試驗(yàn)結(jié)果和公式計(jì)算結(jié)果。

表4 抗剪承載力試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kN/m

從圖8中可知，隨著跨中位移的增大，預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁試件的剛度與傳統(tǒng)構(gòu)件相比略有增強(qiáng)。而從表4可得，與抗彎承載力類(lèi)似的，未施加預(yù)應(yīng)力試件的開(kāi)裂剪力試驗(yàn)值與規(guī)范中公式所得參考值略大，而預(yù)應(yīng)力試件的試驗(yàn)值比參考值增大了約25.5%。以上分析數(shù)據(jù)均能說(shuō)明新型樁在斜截面抗剪承載力方面符合設(shè)計(jì)要求，并優(yōu)于傳統(tǒng)配筋的混凝土實(shí)心圓樁試件。

在加載初期，試件均處于彈性變形階段，荷載與跨中撓度基本呈現(xiàn)線(xiàn)性變化。隨著荷載的繼續(xù)增大，試件KJ6A出現(xiàn)第一條裂縫，其抵抗變形剛度開(kāi)始逐步降低。直至試驗(yàn)停止加載，試件KJ6B仍未出現(xiàn)斜裂縫。因此表明兩樁的抗剪承載力均符合設(shè)計(jì)，使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的混凝土實(shí)心圓樁的剛度略高于普通混凝土實(shí)心圓樁，且預(yù)應(yīng)力圓樁抗剪性能有顯著提高。

4.2 裂縫分布

圖9給出了試件KJ6A和KJ6B的裂縫分布示意圖。從圖9可知，在荷載加載至633 kN時(shí)，試件KJ6A出現(xiàn)第一條裂縫，隨著荷載的增加隨后又出現(xiàn)了2條裂縫并最終達(dá)到1 mm的寬度。而試件KJ6B直至荷載達(dá)到981 kN時(shí)在跨中位置出現(xiàn)第一條裂縫。

4.3 應(yīng)變發(fā)展

從混凝土應(yīng)變發(fā)展變化(如圖10所示)中可以看出，裂縫出現(xiàn)之前，各截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變均呈現(xiàn)緩慢線(xiàn)性增長(zhǎng)，同時(shí)應(yīng)變水平較低。隨著荷載的增加，應(yīng)變?cè)隽恳仓饾u變大，當(dāng)KJ6A試件裂縫出現(xiàn)后，其2號(hào)、3號(hào)應(yīng)變片的應(yīng)變急劇增長(zhǎng)。從圖10可知，預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁彎剪段所受的最大壓應(yīng)變遠(yuǎn)小于普通混凝土實(shí)心圓樁，可以推測(cè)，相比未施加預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁試件，預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁試件開(kāi)裂剪力更大，裂縫寬度發(fā)展更慢。因此，施加預(yù)應(yīng)力顯著提高了實(shí)心圓樁的抗裂性能。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采用大直徑預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁與均勻配置鋼筋的混凝土實(shí)心圓樁進(jìn)行足尺寸抗彎抗剪性能試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)兩種類(lèi)型混凝土實(shí)心圓樁試件進(jìn)行對(duì)比研究，得出結(jié)論如下：1)較傳統(tǒng)的(未施加預(yù)應(yīng)力)混凝土圓樁試件，新型混凝土實(shí)心圓樁(施加預(yù)應(yīng)力)產(chǎn)生的裂縫數(shù)目更少且裂縫間距較為均勻，裂縫豎向發(fā)展的較為垂直。利用鋼絞線(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力提高了圓樁的抗裂性能。2)大直徑預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心圓樁試件的極限抗彎承載力試驗(yàn)值與未施加預(yù)應(yīng)力試件的極限抗彎承載力相比，增大了約10%。施加預(yù)應(yīng)力使其抗彎能力有所提升。3)未施加預(yù)應(yīng)力試件的開(kāi)裂剪力試驗(yàn)值比規(guī)范中公式所得參考值略大，而預(yù)應(yīng)力試件的試驗(yàn)值比參考值增大了約25.5%。新型預(yù)應(yīng)力樁在斜截面抗剪承載力方面符合設(shè)計(jì)要求，并優(yōu)于傳統(tǒng)配筋的混凝土實(shí)心圓樁試件，其抗剪承載力有所提高。