PHC管桩单桩承载力确定的应用研究

朱彦鹏,沈文帅

(1. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州　730050;2.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州　730050)



PHC管桩单桩承载力确定的应用研究

朱彦鹏1,2,沈文帅1,2

(1. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州730050;2.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州730050)

以PHC管桩处理某高层住宅地基基础为依托,对PHC管桩单桩承载力进行了计算。通过静载荷试验,对管桩的实测承载力与计算值之间的差异进行了对比分析。结果表明:调整后的计算结果更加接近实测值,验证了调整后计算公式的实际意义。

PHC管桩;单桩承载力;静载荷试验;持力层

预应力高强度混凝土管桩(简称PHC桩),是一种应用先张法预应力和离心技术制成的空心体混凝土预制构件,是近年来我国从日本、美国等发达国家引进的一种新型预制桩[1]。PHC桩是一种预制桩,同其他桩型相比较可知,它的优点是桩身质量稳定可靠、强度高、穿透能力强、施工快捷方便等,并且它的承载力也比其他桩型要高。为了在实际工程中更好地应用PHC管桩以及更好掌握它的工作原理,学者们对PHC管桩的各个方面都展开了不同程度的研究并且取得了许多有价值的研究成果:郭宏磊等[1]利用逐次线性概率法加上残差修正对PHC管桩单桩竖向承载力进行了预测,并用有限元进行了模拟;黄敏等[2]对带翼板预应力管桩的承载力提高机制进行了探讨,提出了几种可能分析该种桩型竖向承载性能的模拟方法;李平先等[2]针对预应力管桩与桩帽连接节点轴拔性能进行了原型试验,分析了连接节点工作性能和影响轴拔承载力的主要因素,并提出了建议的计算公式;Zhou等[3]通过现场和室内动测手段研究了预应力管桩施工引起桩体拉应力分布特点;Vesic 在1972年Mohr-Coulomb屈服准则的基础上,计算推导出了理想弹塑性圆孔扩张的基本解,并于1997年将其成功应用于桩基承载力方面的研究[4,5]。Paik等[6]于1993年对砂土中开口管桩进行模型试验,并基于试验结果建立了土塞的压力系数表达式等。

1　工程概况

2　静载荷试验确定单桩承载力

工程中有建筑安全等级为二级的建筑物,根据文献[9]中规定,需要静载荷试验进行试桩以便确定桩型的适宜性、单桩极限承载力和了解施工中可能会出现的各种问题,以助于对工程中桩的施工起到一定的指导作用。

试验采用的是堆载法,堆载平台由桁架、主梁、工字钢与跳板组成。试验的加载反力系统,是在堆载平台上堆放砂袋。加载过程中采用的是油压千斤顶,油压千斤顶由电动油泵驱动来完成加载,而且千斤顶的合力要通过试桩的中心。压力值由已经标定过的压力表给出,压力表的精度不小于0.4级,试验过程中用的千斤顶、电动油泵、高压油管的容许压力都不大于最大加载时压力的1.2倍。试验采用慢速维持荷载加载法[7],每级荷载在达到相对稳定之后再施加下一级荷载,直到管桩的荷载达到极限承载力或桩身破坏、然后分级卸荷到0。在试验中,静载荷试验加载及观测方法如下:

(1)分级加载:分级加载都按照预估极限荷载的1/10进行加载,首级荷载是分级荷载的2倍。

(2)沉降观测:每级加载结束后,每5 min、10 min、15 min,分别读一次桩顶沉降量,之后每经过15 min继续记录一次桩顶沉降量,累计1 h后每经过0.5 h读取一次数据。

(3)沉降相对稳定的标准:在每级荷载的作用下,如果连续出现两次每小时内桩顶沉降量小于0.1 mm时可看做已经稳定。

(4)终止加载条件:当Q-s曲线上有能够判定极限承载力的陡降段,且桩顶的总沉降量超过40 mm;在某级荷载的作用下,桩顶沉降量不小于前一级荷载作用下桩顶沉降量的2倍。且经过24 h仍然没达到稳定;桩顶压裂或其他情况说明桩体已被压坏或达到设计要求的最大加载量。本工程单桩竖向静载试验相关试桩Q-s曲线和S-lgt曲线如图1～图4所示。

由图1可以看出,三根试桩的曲线平缓,压力都保持稳定,还没有到单桩的实际承载力的极限值。没有明显的转折,承载力在一定程度上还有上升余地没有明显的陡降段,因此,各桩的单桩极限承载力应分别不低于4 400 kN,都比设计计算所得到的单桩极限承载力大。根据三根桩试验得到结果为:单桩竖向抗压极限承载力为4 400 kN,单桩竖向抗压承载力特征值为2 200 kN。

图1　三根试桩的Q-s曲线Fig.1　Q-s curve of three test pile

图2　24号桩静载试验测得的S-lg t曲线 Fig.2　S-lg t curve that measured by No.24 pile static load test

图3　38号桩静载试验测得的S-lg t曲线Fig.3　S-lg t curve that measured by No.38 pile static load test

图4　41号桩静载试验测得的S-lg t曲线Fig.4　S-lg t curve that measured by No.41 pile static load test

3　计算结果与试验结果对比分析

根据文献[8]中规定,要根据土的物理指标与承载参数之间的经验关系来确定单桩竖向承载力标准值时,宜按下式估算:

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp。

在文献[9]中规定,根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定敞口预应力混凝土心桩单桩竖向极限承载力标准值时,可按下式计算[9]:

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)。

按照以上给出的公式进行计算,其计算所得极限承载力标准值与试验结果进行对比,对比结果见表1。

表1　两种计算结果与试验结果对比

从对比的结果来看,以上两种计算值都要比静载荷试验测得的结果小得多,在静载荷试验中,终级荷载也都没有达到桩本身实际的极限荷载值。按经济效益的角度来看,我们应尽量让单桩极限承载力的计算值与静载荷试验测得的结果更加接近。因此,结合相关理论研究,对于以粉土、砂土为持力层的桩基础,在文献[8]中的基础上做出适当调整得出如下的公式[10]:

Quk=Qsk+Qpk=ua∑qsikli+bqpkAp,

其中:a、b为极限侧阻力和极限端阻力的调整系数,取值参照表2;其他参数与文献[8]中公式相关参数相同。

表2　极限侧阻力和极限端阻力的调整系数

用调整后的计算公式进行计算,对得到的单桩竖向极限承载力标准值与静载试验所得的试桩值进行了比较,结果见表3。

为了更直观的看出三种计算结果上的差别,分别将计算得到的Quk计/Quk试值用柱形图表示,如图5所示。

根据图5可以看出,经过调整后的计算结果要比其他两种公式计算结果更接近实测值,使得计算结果更准确,在实际应用当中有一定的经济意义。

表3　调整后的计算值与试验结果对比

图5　Quk计/Quk试比较的柱形图Fig.5　Comparative bar chart of Quk计/Quk试

4　结论

(1)PHC管桩具有不产生噪音、施工过程中无振动、污染少,并且单桩承载力比其他桩型较高、适用也比较广泛、造价便宜、施工速度较快等诸多优点。不但要保证地基基础具有较好的承载力和较小的沉降量,还要保护环境、避免或减少扰民,保证施工场地整洁、施工组织科学等因素综合考虑,可选择静压法高强度预应力管桩。

(2)对PHC试桩结果进行分析得出,三根试桩的Q-s曲线平缓,没有出现明显陡降部分,S-lgt曲线呈平缓规则布置,因此各桩的单桩极限承载力都不应低于4 400 kN,都要比设计计算所得的单桩极限承载力大得多。

(3)采用规范规定的两种计算公式进行了单桩竖向承载力计算,计算结果与实际情况相比都偏小,建议采用调整后的计算公式,并验证了调整后计算公式的计算结果与实测数据更接近,有一定的实际意义。

[1]郭宏磊,贺雯,胡亦兵,等.PHC桩的竖向极限承载力的预测[J].工程力学,2004,21(3):78-83.

[2]黄敏,龚晓南.带翼板预应力管桩承载性能的模拟分析[J].土木工程学报,2005,38(2):102-105.

[3]李平先,张雷顺,赵国藩. 预应力混凝土管桩与桩帽连接节点轴拔性能原型试验研究[J].土木工程学报,2005,38(7):81-86.

[4]Zhou Liyun,Chen Jianbin,Lao Weikang.Construction Control and Pile Body Tensile Stresses Distribution Pattern During Driving[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2007,133(9):1 102-1 109.

[5]Vesic A S.On the Significance of Residual Loads for Load Response of Piles[C]//Proceedings of the 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Tokyo,1977.

[6]Paik KH,Lee S R.Behavior of Soi1 Plugs in Open-ended Model Piles Driven into Sands[J].Marine Georesources and Geotechnology,1993,11(4):353-373.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ106-2003 建筑桩基检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94-94 建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1994.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[10]邵铭东.预应力管桩承载力的分析研究[D].北京:中国石油大学,2009.

Application Study that Determined by PHC Pipe Single Pile Bearing Capacity

Zhu Yanpeng1,2,Shen Wenshuai1,2

(1.College of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering,Ministry of Education,Lanzhou 730050,China)

Taking the PHC pipe pile's treatment of the high-rise housing foundation as the basis,and make calculation on the PHC Pipe single pile bearing capacity. Through the static load test,it makes comparative analysis on the differences between the actual bearing capacity of pipe pile and the calculation value:making calculation after applying the adjusted formula. It finds that the calculation results after adjustment is closer to the actual values,showing the actual sense of the adjusted calculation formula.

PHC pipe pile;Single pile bearing capacity;Static load test;Bearing stratum

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.016.

2015-03-06;

2015-05-09.

甘肃省科技重大专项计划项目(1302FKDA030);教育部创新团队支持计划项目(2013 IRT13068).

朱彦鹏(1960-),男,甘肃庆阳人,教授,博士生导师,研究方向为支挡结构的设计与研究.E-mail:zhuyp@lut.cn.

TU435;O33

A

1004-0366(2016)04-0077-04

引用格式:Zhu Yanpeng,Shen Wenshuai.Application Study that Determined by PHC Pipe Single Pile Bearing Capacity[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):77-80.[朱彦鹏,沈文帅.PHC管桩单桩承载力确定的应用研究[J].甘肃科学学报,2016,28(4):77-80.]