靜壓預應力混凝土管樁承載特性試驗研究及分析★

徐 凱

(廣州市市政工程試驗檢測有限公司,廣東 廣州 510520)

0 引言

樁的現場靜載試驗是目前公認的獲得樁基承載機理和變形性狀的最直觀和最有效的方法。靜載試驗不但能夠獲取樁基設計參數和施工質量控制參數[1-2],同時還可對樁基型式和樁底持力層進行最優設計,使得樁-土協調工作,最大化地發揮地基承載能力與樁基自身強度的作用,從而達到最佳技術經濟效果[3-4]。對于灌注樁的荷載傳遞規律[5],國內外均有較全面和系統的研究,并有較為成熟的理論成果。但對靜壓預應力管樁,由于在其樁身上埋設測試元件技術難度較高,導致目前國內外關于靜壓預應力管樁荷載傳遞規律的試驗較少,因此靜壓預應力管樁的承載特性[6]難以得到較為系統的研究。本文通過預應力管樁的試樁靜載荷試驗結果,研究靜壓預應力混凝土管樁在軸向荷載作用下的承載特性,并分析樁側摩阻力與樁端阻力在豎向荷載作用下兩者的工作機制及變化規律。

1 試驗方案

本次研究主要在管樁的土層交接處的樁身和樁底埋應變計,在樁每一檢測部位對稱埋置應變計2個,4號、5號樁每樁8個部位共埋置16個應變計。2號、9號樁每樁7個部位共埋置14個應變計。表1為試樁樁長及超前鉆土層情況。

表1 試樁情況一覽表

壓樁施工時,記錄每米壓力值。壓至離設計樁底標高0.5 m～1.0 m處復壓3次,記錄壓力與沉降量[7]。壓至距樁底標高0.05 m～0.1 m處再復壓3次。

慢速靜載試驗選用1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號和9號樁共9根管樁進行對比研究。其中,在試驗過程中,對2號、4號、5號和9號樁進行樁身應力應變的實時監測。

2 試驗數據的理論分析

2.1 截面彈性應變值

對同一應變計,加載越大,相對應的殘余應變也越大[8]。分析時假定殘余應變與加載是線性關系,則最終測得的殘余應變是對應最大加載的,其他各級加載對應的殘余應變按式(1)調整:

(1)

2.2 土層承載力

計算出樁身各斷面的軸力值后,各層土的摩阻力和端阻力[9]分別按式(2),式(3)計算:

(2)

(3)

其中,qsi為樁身第i斷面與第i+1斷面間的軸向側摩阻力;qsn為樁端應變計下0.5 m的側摩阻力;qp為樁的端阻力;u為樁身周長;li為樁第i斷面與第i+1斷面間的樁長;Qn為樁端軸力。

3 靜壓預應力管樁承載特性分析

3.1 荷載-沉降曲線分析

圖1為2號、4號、5號、9號樁在間歇期為一個月時的靜載荷試驗。圖2為1號、3號、6號、8號預應力管樁在間歇期約為2年的載荷試驗結果。

由圖1和圖2可知,4號樁的Q-s曲線呈緩變型,而1號、3號樁的Q-s曲線呈陡降型,且承載力較4號樁的承載力小很多。5號樁和6號樁Q-s曲線呈陡降型,5號樁的極限承載力要比6號樁的極限承載力要小一些。8號樁和9號樁Q-s曲線均為陡降型,兩者的極限承載力較為接近。造成這些現象的原因為兩年地下水的變化造成樁端土層風化現象進一步發展,從而降低樁端土承載力。持力層為礫質黏性土時,雖然地下水的變化軟化樁端土,但影響程度較小。

3.2 壓樁力與壓入深度曲線分析

圖3為壓樁力與深度的變化曲線,由圖3可知,當管樁入土深度小于10 m時,壓樁力并不隨入土深度的增加而線性增加,且該范圍內的壓樁力較小,僅為160 kN～440 kN;當管樁入土深度大于10 m且小于14 m時,隨著入土深度的增加,壓樁力大部分在600 kN～1 640 kN之間變化,這是因為管樁進入礫砂層,土質情況較好,因此需要較大的壓樁力才能穿過。當預應力管樁進入礫質黏性土時,壓樁力又減小一些,再到全風化粗粒花崗巖,隨著入土深度的增加,壓樁力又逐漸增大,大部分壓樁力在950 kN～2 100 kN之間變化,最大達到4 000 kN。進入到強風化粗粒花崗巖后,壓樁力顯著增大,壓樁力在1 610 kN～3 600 kN之間。

3.3 樁側摩阻力性狀分析

2號、4號、5號、9號樁的樁側摩阻力與入土深度曲線見圖4。由圖4可知,當荷載較小時,樁上部土層側摩阻力增加相較于下部土層快。側摩阻力分布圖中樁身入土深度大概6 m以上的土層,在第三級荷載以后側摩阻力接近或達到極限側摩阻力,土體側阻力隨著荷載增加幾乎不變或小幅增長。當豎向荷載較大時,樁上部土層已達到極限荷載,當荷載增加時,樁下部土層側摩阻力也隨之增長。當荷載接近或達到最大加載荷載時,預應力管樁的樁側摩阻力大部分都達到極限摩阻力,樁端阻力將發揮重要作用。

由圖4還可以看到,各管樁的側阻力較JGJ 94—2008建筑樁基技術規范推薦的經驗值要大,尤其是樁端附近的側阻力相對于樁基規范有明顯的增大[10]。強風化層側摩阻力的實測值為219 kPa,而樁基規范中的推薦值140 kPa～160 kPa,該現象與樁側土的擠密及樁端土壓實有關。

3.4 樁側阻力和樁端阻力之間的關系

2號、4號、5號、9號樁的樁側阻力、樁端阻力分擔荷載的比例關系見圖5。由圖5可知,2號、5號和9號樁表現為摩擦樁特征,在荷載作用下,樁側阻力發揮主要作用,承擔大部分荷載,而樁端承擔的荷載較小。當達到破壞荷載時,樁側阻力所占比例略有下降,而樁端阻力所占比例略有上升。4號樁表現為摩擦端承樁的特征,在荷載不大時,樁側阻力占主要地位,承擔大部分荷載,而樁端承擔的荷載較小。隨著荷載的不斷增加,樁側阻力所占比例逐漸下降,而樁端阻力所占比例顯著上升,這是因為4號樁的持力層為強風化粗粒花崗巖層,樁端土質情況較好,端承力較大,而2號、5號和9號樁持力層為全風化粗粒花崗巖層或礫質黏性土,樁端土質情況較為軟弱,端承力相對較小。

4 結論

本項目通過試樁的靜載荷試驗結果,研究靜壓預應力混凝土管樁在軸向荷載作用下的承載特性,并分析樁側摩阻力與樁端阻力在豎向荷載作用下兩者的工作機制及變化規律,得出以下結論:

1)影響靜壓預應力管樁承載和沉降特性的主要因素有:樁身入土深度、成樁擠土效應、樁端持力層類型、靜壓沉樁施工方法、終壓力值和時間效應等。

2)當持力層為強風化或全風化層時,靜壓預應力管樁的極限承載力會產生一定程度上的降低,靜壓預應力管樁的設計要考慮長期地下水變化對管樁樁端持力層造成的影響。

3)樁側土的擠密和端阻的增強效應,使得樁端附近的側阻力相對于樁基規范中的經驗值更大。