注漿微型鋼管樁軸向承載特性試驗與理論計算分析

司雨　肖成志　王子寒

摘要 目前注漿微型鋼管樁在樁基工程中應用較少，對其承載與變形性能的研究相對單一，缺乏對鋼管受力特點的研究，基于室內21根注漿微型鋼管樁試驗，綜合考慮鋼管直徑d和壁厚t、樁長H、漿體水灰比、鋼管表面布孔直徑r和間距s、鋼管直徑與樁徑之比d/D等因素對微型鋼管樁軸向承載、變形和破壞模式的影響。試驗結果表明：當0.28 ≤ d/D＜0.40時，外包漿破損與鋼管屈服同時發生，軸向荷載主要由外包漿承擔；當0.50 ≤ d/D ≤ 0.72微型鋼管樁延性特征明顯，承載力主要由鋼管和核心水泥漿承擔，極限荷載近似呈線性增加；微型鋼管樁以鋼管屈服變形為破壞標準；長細比H/D ≥ 4時，漿液配合比為0.45時，樁身整體性最佳；鋼管表面注漿孔的排布方式影響最?。惶岢鲆环N可分析鋼管在內外壓作用下的理論方法。試驗結果和理論分析將為微型鋼管樁設計與施工提供有益指導。

關 鍵 詞 微型鋼管樁；軸向承載；鋼管；試驗；理論分析

中圖分類號 TU473.1? ? ?文獻標志碼 A

Test and theoretical analysis on axial mechanical properties of grouted micro-steel-pipe-piles

SI Yu， XIAO Chengzhi， WANG Zihan

（School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract Recently， study on mechanical and deformation performance of grouted micro-steel-pipe-piles （MSPP） in pile foundation project is relatively rare. The research on its bearing capacity and deformation characteristics is relatively single， and the research on the stress features of steel pipe is lacking. In this paper， on the basis of laboratory test of 21 MSPP， a series of tests were carried out to investigate the effect of diameter， d， and wall thickness， t， of steel pipe， length of pile specimen， H， water-cement ratio， layout mode of hole in steel pipes on the mechanical， r-s， and ratio of diameter of steel pipe to diameter of MSPP， d/D， deformation and failure mode of MSPP. The tests results show that when 0.28 ≤ d/D＜0.40， cement slurry over-cladding and steel pipe damage at the same time， the axial load is mainly borne by cement slurry over-cladding. When 0.50 ≤ d/D ≤ 0.72 MSPP has obvious ductile fracture， the bearing capacity is mainly borne by steel pipe and core cement slurry， and the axial ultimate load of MSPP tends to be linear increase. The failure standard of MSPP is the yield deformation of steel pipe. When the slenderness ratio H/D ≥ 4， water-cement ratio is 0.45， MSPP is the best. Layout of hole associated with diameter and spacing do not affect the axial ultimate bearing capacity of MSPP. A theoretical method for the analysis of MSPP under internal and external pressures is presented. The analytical results and theoretical analysis in this paper will be helpful in guiding design and construction of MSPP in practical project.

Key words micro-steel-pipe-pile；axial loading；steel pipe；test；theoretical analysis

0 引言

20世紀50年代意大利人Lizzi[1]首次提出直徑小于300 mm的微型樁概念。注漿微型鋼管樁作為微型樁的一種，通過鉆機成孔并下放鋼管，在鋼管內部壓力注漿并借助鋼管表面布孔向管外噴射漿體，最終形成由鋼管外包漿體、鋼管和鋼管內部注漿體組成的樁體。當前，鉆孔注漿微型鋼管樁幾何尺寸設計及其力學特性的理論研究，主要是借助結構上鋼管柱軸載特性方面的豐富成果，Gupta等[2]針對鋼管混凝土試件進行試驗研究，得出徑厚比較小時，鋼管對核心混凝土的約束作用較好；Evirgen等[3]，Dundu[4]研究徑厚比、鋼管強度和鋼管截面幾何形狀等變量因素對鋼管混凝土的極限承載力和屈曲性能的影響。徐鵬飛等[5]通過分析鋼管厚度對鋼管混凝土短柱軸壓力學性能的影響；樂勝騰等[6]得出了鋼管管壁開孔位置對鋼管樁穩定有較大影響等結論。張玉琢等[7]進一步驗證了采用疊加法計算圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱承載力的計算方法的可行性；鐘善桐等[8]創立的“統一理論”對鋼管混凝土結構進行了可靠度分析和設計優化；丁發興等[9]應用模型柱法，建立了鋼管混凝土軸壓中長柱承載力實用計算公式；龔健等[10]借助p-y曲線計算了微型鋼管樁單樁和群樁的變形特點。

鑒于上述，目前注漿微型鋼管樁在軸向承載特性上多數針對單一影響因素進行研究，缺乏整體性和全面性，且對受內外壓力的鋼管力學特點的分析缺乏理論研究，因此，本文基于軸向承載特性試驗，綜合對比分析鋼管直徑d與壁厚t、長徑比H/D、注漿體水灰比、鋼管表面注漿孔布設方式等對微型鋼管樁軸向承載特性與變形的影響，同時探討鋼管在內外壓力下的應力應變，獲得鋼管自身的受力變化特征，定量和定性地研究微型鋼管樁軸向承載特性，并提供一種有效驗證試驗準確性的理論分析方法。

1 注漿微型鋼管樁軸向承載特性試驗

1.1 試驗介紹

為了分析注漿微型鋼管樁軸向承載特性，試驗針對直徑D = 150 mm的注漿微型鋼管樁，改變鋼管管徑d與壁厚t、樁體高度H、注漿體水灰比、鋼管表面注漿孔徑r和間距s，以此分析各因素對微型鋼管樁軸向承載特性影響，試驗方案如表1所示。

1.2 注漿微型鋼管樁試驗材料及制備

選用7種不同標準規格的Q235無縫鋼管，作為試驗所需鋼管材料，鋼管直徑d和壁厚t分別為42 mm × 3.5 mm、60 mm × 4 mm、76 mm × 6 mm、89 mm × 4 mm、89 mm × 5 mm、89 mm × 6 mm和108 mm × 6 mm，依照《金屬材料—拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T228.1-2010）[11]確定鋼材屈服強度和極限抗拉強度分別約為267.4 MPa和325.7 MPa，彈性模量為200.5 MPa，泊松比為0.32，并根據表1中試驗方案截取不同長度鋼管，在其表面布設不同孔徑r和間距s的注漿孔，如圖1a）所示。

試驗中微型鋼管樁注漿體采用水泥凈漿，參照《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）[12]灌注樁基構造規定，樁身混凝土強度等級不得小于C25，因此，選用普通硅酸鹽水泥42.5，分別采用水灰比為0.45、0.60和0.75的水泥漿注漿形成鋼管樁。為了確定不同水灰比時水泥漿的抗壓強度，試制微型鋼管樁時，針對水泥凈漿取樣制取70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm標準試塊，靜候24 h后拆模，養護28 d后開展抗壓試驗，標準水泥漿試塊如圖1b）所示。試驗測得水灰比0.45、0.60和0.75時相應試塊的平均抗壓強度分別為36.4 MPa、30.0 MPa和25.1 MPa。

注漿微型鋼管樁采用自制微型鋼管樁模具制成，如圖1c）所示。由內徑150 mm、壁厚4 mm的PVC圓筒模具形成鋼管樁的外包漿體，不同直徑鋼管由模具底座卡槽與頂板限位螺栓固定，以確保鋼管中心與PVC圓筒中心一致，不同長度鋼管由左右兩側螺紋反力桿調節高度，裝置組裝完成后，通過模具頂板預留孔壓力注漿并拆模養護，最終形成注漿微型鋼管樁試件，如圖1d）所示。

1.3 微型鋼管樁軸向加載試驗

微型鋼管樁軸壓加載采用1 000 kN液壓千斤頂分級加載，如圖2a）和2b）所示。加載過程中通過在試樣左右對稱兩側各設置一個豎向和橫向位移計，以測量加載時鋼管樁軸向和橫向變形。另外，在鋼管外表面和樁身外表面沿縱向和橫向布設電阻應變片，以測量軸向加載過程中鋼管和外包漿體的縱向應變和橫向應變，如圖2c）所示。試驗采用DH3816靜態應變測試儀監測各測點應變值。

2 注漿微型鋼管樁軸向加載試驗分析

2.1 注漿微型鋼管樁試件破壞形式

試驗中鋼管樁試件在逐級加載過程中破壞現象大致相同，這里以試件A450-89/6-0.45-12/75分析注漿微型鋼管樁軸向加載破壞形式。微型鋼管樁軸向加載初期，軸向變形逐漸增加，試件出現輕微崩裂聲響且伴隨著鋼管外包漿表面從頂部和底部出現細裂縫，對應荷載為130～150 kN，如圖3a）所示；繼續施加荷載至200～300 kN時，裂縫增多且縱向延伸明顯，并伴隨更大的開裂聲，如圖3b）所示，當繼續加載至300～350 kN時，外包漿破損較為嚴重，如圖3c）所示，此時，試件承載接近極限，鋼管外包漿體脫落可以發現鋼管呈剪切破壞，如圖3d）所示；此時外包漿體雖破損且部分呈現脫落現象，但樁體因鋼管直徑較大且對鋼管內部注漿體的約束作用，使鋼管及其內核注漿體仍具有承載能力，直至加載后期，外包水泥漿大塊掉落，導致鋼管表面電阻應變片脫落失效，液壓千斤頂荷載不再上升，樁體完全破壞失去承載能力，此時停止試驗。

2.2 d/D對微型鋼管樁承載特性影響

針對直徑D = 150 mm的微型鋼管樁，選取樁身高度H = 300 mm，水灰比為0.45，鋼管表面布孔直徑r = 8 mm和間距s = 75 mm，分析d/D對微型鋼管樁承載特性的影響。選取鋼管直徑與壁厚為42 mm × 3.5 mm、60 mm × 4 mm、76 mm × 6 mm、89 mm × 6 mm、108 mm × 6 mm的試件，分析樁體在軸向承載作用下的橫向變形及外包漿應變的變化。

首先不同階段下橫向變形對應的軸向荷載，如圖4所示，當d/D = 0.28時，橫向位移處于拐點即試件發生明顯鼓脹時對應的荷載P₁，與外包漿脫落時對應荷載P₂基本一致，且此時達到了承載極限值，表明此試件的破壞模式為脆性破壞，外包漿主要承擔荷載達到極限；當d/D = 0.40時，試件明顯鼓脹變形時對應荷載P₁與外包漿脫落時對應荷載P₂相差不大，但載荷仍可以繼續上升，表明一開始荷載由外包漿承擔，但外包漿是脆性材料，快速達到破壞（占極限荷載的56.6%），然后由鋼管與核心水泥漿來繼續承擔軸壓；當d/D ≥ 0.50時，3個試件發生明顯鼓脹變形時對應荷載P₁分別為極限荷載P_ult的67.0%、61.3%、57.2%，外包漿脫落時對應荷載P₂與極限荷載P_ult近乎接近，甚至當d/D = 0.72時，試件中部外包漿沒有脫落，表明鋼管、核心水泥漿和外包漿同時受壓，鋼管與核心水泥漿的受壓面積占比增大，承載力逐漸由鋼管與核心水泥漿承擔為主，外包漿只是保護層作用，只有鋼管與核心水泥漿發生明顯變形，導致外包漿發生鼓脹時，橫向位移才會增加。

考慮到實踐中，注漿微型鋼管樁用于樁基礎時，基于樁基規范和安全考慮，允許承載力通常是極限承載力的50%。圖4表明試件發生明顯橫向變形時，荷載P₁>P_ult/2，d/D = 0.28，外包漿的占比較大，外包漿與鋼管同時破壞，0.28 ≤ d/D＜0.40，試件產生明顯橫向變形對應的荷載P₁曲線先呈下降趨勢，隨后當0.40 ≤ d/D ≤ 0.72時又上升，但其對極限荷載Pult的占比整體呈下降趨勢，表明承載力逐漸由外包漿向鋼管及內核漿體承擔。

進一步地，圖5分析了不同d/D時樁身軸向加載過程中鋼管橫向應變失效即屈曲對應荷載P₃、外包漿橫向應變失效即出現裂紋對應荷載P₄、極限荷載P_ult和P_ult/2。由圖5可看出，在未達到P_ult/2時，外包漿就已經出現了裂紋，因為鋼管的存在使得試件整體具有較強承載力，但當d/D = 0.28時，荷載達到P_ult/2時，外包漿開裂和鋼管鼓脹同時發生，軸壓承載力雖然仍可以繼續上升，但基于樁基規范和安全考慮，取P_ult/2，故可得d/D=0.28，注漿微型鋼管樁的破壞標準以外包漿破裂為準；隨著d/D增加，當d/D=0.40時，外包漿開裂荷載P₄占極限荷載P_ult的34.2%，鋼管屈曲荷載P₃占極限荷載的84.8%，且鋼管鼓脹屈服后，試件承載力仍可以繼續上升，延性破壞特征開始顯現，在d/D≥0.50時，其中鋼管屈曲荷載P₃與極限荷載P_ult極為相近，這表明在0.50 ≤ d/D ≤ 0.72，軸向荷載由注漿微型鋼管樁中鋼管和核心水泥漿來承擔，外包漿逐漸發展成僅是樁身保護層，且鋼管屈服變形時荷載是P_ult/2的近兩倍，故安全性得到保障。

2.3 微型鋼管樁試樣高度對軸向承載特性影響

考慮到鋼管樁試樣長度對軸向承載的影響，這里選取注漿體水灰比為0.45，鋼管壁厚t = 6 mm，鋼管表面布孔直徑r = 8 mm和間距s = 75 mm時，分別選取d = 89 mm和108 mm這2種鋼管直徑，研究樁長H為300 mm、450 mm、600 mm和750 mm時受軸向承載的影響。由圖6可看出，鋼管壁上應變測試因受外部水泥漿的包裹作用影響，測得參數存在誤差，在H ≥ 450 mm時，橫向位移荷載P₁ult/2，且外包漿開裂荷載P₄ult/2，說明試件長度越長，越容易發生彎曲變形；且圖6b）中鋼管直徑d = 108 mm，橫向位移P₁與外包漿開裂P₄幾乎同時發生，表明鋼管直徑d = 108 mm或d/D ≥ 0.72時，外包漿沒有承擔荷載的作用，鋼管直徑較大，承載力也較大，不易發生彎曲變形；圖6a）、b）中可明顯看出當H/D ≥ 4時，外包漿開裂P₄、橫向位移P₁、鋼管屈曲P₃按順序發生，鋼管發生約束緊箍作用，延性效果較好，這表明試件長細比H/D ≥ 4時，注漿微型鋼管樁整體性能最佳。

2.4 微型鋼管樁水灰比對軸向承載特性影響

試驗中微型鋼管樁注漿體水灰比選取了0.45、0.60和0.75這3種配置，基于立方體標準試塊測定相應的平均抗壓強度分別為36.4 MPa、30.0 MPa和25.1MPa，顯然，相比于水灰比0.45，當水灰比增至0.60和0.75時，相應平均抗壓強度分別降低了17.6%和31.0%?；跇堕LH=750 mm、鋼管表面布孔直徑r = 8 mm和間距s = 75 mm，以及鋼管壁厚t = 6 mm時，針對d = 89 mm和d = 108 mm這2種鋼管直徑，研究注漿體水灰比為0.45、0.60和0.75時對樁體軸向承載特性影響，結果如圖7所示。鋼管直徑d = 89 mm和d = 108 mm的試件，產生橫向膨脹時P₁和外包漿開裂時P₄都發生在P_ult/2以下，且可明顯看出漿體水灰比為0.45時，試件破壞過程，階段性順序明顯，先外包漿開裂、橫向鼓脹變形、達到P_ult/2、鋼管屈曲、最終極限破壞，表明注漿微型鋼管樁漿體水灰比，較優值為0.45。

2.5 微型鋼管樁中鋼管表面布孔對承載特性影響

微型鋼管樁成樁過程通常是通過鋼管內部壓力注漿，注漿體通過鋼管表面布孔外泄形成包裹體。鑒于此，基于樁長H = 450 mm、水灰比為0.45和鋼管壁厚t = 6 mm時，針對d = 89 mm和d = 108 mm這2種鋼管直徑，研究鋼管表面布孔形式對樁體軸向承載特性影響，結果如圖8所示。圖8a）可明顯看出試件發生明顯鼓脹P₁、鋼管屈曲P₃和外包漿開裂P₄極接近P_ult/2，隨著r-s改變為8-75 mm、12-75 mm，荷載P₁、P₃、P₄稍有降低；圖8b）中可明顯看出r-s為8-75 mm的注漿微型鋼管樁試件，荷載P₁、P₃、P₄、P_ult/2極為相近。故圖8表明，孔排布r-s為8-75 mm時，微型鋼管樁樁身產生鼓脹P₁、鋼管變形P₃、外包漿開裂P₄都在P_ult/2附近，且三者幾乎同時發生。鋼管表面注漿孔的排布對注漿微型鋼管樁的影響較小。

3 軸壓作用下試件的理論受力分析

上述內容針對試驗中鋼管屈服應變和外包層破損應變，即塑性階段的樁體進行分析，理論檢驗分析彈性階段的注漿微型鋼管樁中鋼管在外包漿體與內核漿體的共同作用下的變形特性，使用厚壁圓筒原理[13]分析。

1）將注漿微型鋼管樁的鋼管假定為內半徑為a、外半徑為b的理想彈塑性的厚壁圓筒，幾何形狀對稱于中心軸，且沿筒體軸向無變化，且鋼管的載荷分布對稱于中心軸，并沿軸向均相同，則它是平面軸對稱問題，假設v = 1/2。內表面處受內壓p₁，外表面處受外壓p₂，如圖9所示。

4 結論

通過探究鋼管直徑與壁厚、樁長、注漿體水灰比、鋼管表面布孔形式和樁徑比等影響因素，對注漿微型鋼管樁的承載特性影響，開展21根試件的軸向承載試驗研究及理論分析，主要結論如下。

1）基于樁基規范和安全考慮，當d/D = 0.28時，即荷載為P_ult/2時，外包漿開裂和鋼管鼓脹同時發生，軸向承載力主要由外包漿承擔；當0.50 ≤ d/D ≤ 0.72時，軸向荷載主要由鋼管和核心水泥漿承擔，外包漿僅是樁身保護層，且鋼管屈服變形時荷載是P_ult/2的近兩倍，故安全性高。在0.28 ≤ d/D ≤ 0.72范圍內，都可以鋼管達到變形屈服為破壞標準。

2）試件長細比H/D ≥ 4，漿體水灰比0.45時，破壞過程階段性明顯，鋼管發生約束緊箍作用，延性效果較好，故此時注漿微型鋼管樁整體性能最佳；鋼管表面注漿孔的排布對注漿微型鋼管樁的影響較小。

3）使用厚壁圓筒理論分析注漿微型鋼管樁的受力特點，可以較準確地獲得鋼管在受內外壓力時的變形情況，為檢測試驗準確性提供一種驗證方法。

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