预应力混凝土竹节桩承载性能对比试验研究

杨成斌,张能钦,谢文苹,周兆弟

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.浙江天海管桩有限公司,浙江 杭州 310024)



预应力混凝土竹节桩承载性能对比试验研究

杨成斌1,张能钦1,谢文苹1,周兆弟2

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009; 2.浙江天海管桩有限公司,浙江 杭州 310024)

预应力混凝土竹节桩(简称“竹节桩”)是在普通预应力混凝土管桩(简称“管桩”)基础上改良而来的新桩型。文章介绍了竹节桩的构造和接桩技术,并通过现场静载试验,对竹节桩在软土地基中的承载性能进行了对比研究。试验表明:竹节桩的单桩竖向抗压极限承载力与管桩和预应力混凝土空心方桩(简称“方桩”)相比,均能提高20%左右,单桩竖向抗拔极限承载力比管桩提高60%以上。竹节桩由于设置了环向、纵向凸肋,改变了桩-土接触方式和桩身粗糙度,有利于桩侧摩阻力的充分发挥。在荷载水平较低时,桩顶位移曲线近似为直线,当荷载增加到一定程度时,会在土体中形成一个直径与环向凸肋大小相当的圆筒形剪切滑动面。

预应力混凝土竹节桩;静载试验;极限承载力;沉降;上拔位移

0 引 言

普通预应力混凝土管桩(简称“管桩”)在我国于20世纪50年代试生产,经过半个多世纪的发展,目前已广泛应用于高层建筑、港口、桥梁、高速公路等各类建筑物和构筑物的基础中[1]。然而,在处理深厚软土地基时,管桩还存在一些问题,影响其进一步推广,主要表现为:① 桩侧摩阻力较低,单桩竖向承载力不高;② 管桩主要通过焊接方式连接,焊接质量无法保证;③ 管桩的抗弯、抗剪性能较差[2-3],耐久性有待提高。

为了解决管桩存在的问题,研究者对桩身截面做了不同的改进[4-7],大都通过提高桩端阻力或桩侧摩阻力的方法来改善桩的承载特性。日本早在1934年就对管桩的生产工艺进行了改进,在此基础上开发了带节PHC桩(简称“节桩”)[1],文献[8-9]通过足尺模型试验对节桩的承载性能进行了研究。我国冶金部建筑研究总院于1992年引进节桩技术,文献[10]通过现场试验,对节桩的荷载传递规律进行了分析研究。预应力混凝土竹节桩(简称“竹节桩”)是浙江天海管桩有限公司在普通管桩基础上改良而来的新桩型,目前已在沿海软土地区开展应用,但整体上仍处于技术开发和研究阶段[11]。本文以现场静载试验为基础,对竹节桩的承载特性进行对比研究。

1 预应力混凝土竹节桩介绍

1.1 预应力混凝土竹节桩的构造

预应力混凝土竹节桩是沿桩身外壁每隔1～3 m设置1节环向凸肋,与节桩的区别在于,其在桩周外侧对称加设了4条纵肋以连接环向凸肋,如图1所示。竹节桩将管桩的光圆截面改为凹凸形,这种构造改变了桩-土接触方式和桩身粗糙度,使得桩的侧摩阻力充分发挥。与相同桩径、桩长的管桩相比,竹节桩可节省混凝土用量15%以上,降低生产成本10%左右[11],经济效益显著。

图1 预应力混凝土竹节桩

1.2 预应力混凝土竹节桩的接桩技术

普通管桩通常采用焊接的方式接桩,每次接桩时间约为20 min,且需要等焊缝自然冷却至适宜温度后方可继续沉桩。这种接桩方式降低了管桩的施工效率,并且接头易松动、开裂,往往成为工程质量隐患。

为了弥补焊接工艺的不足,浙江天海管桩有限公司研发了机械式接桩技术[12],连接件构造如图2所示。接桩时在上节桩张拉端的小螺帽上安装插杆,同时将弹簧、基垫、卡片和中间螺母依次安装在下节桩固定端的大螺母内,连接件安装完成后在下节桩端面涂抹环氧树脂、固化剂等组成的密封材料,然后进行接桩操作,整个过程仅需2～3 min,大大提高了接桩效率。

1.大螺母(内设卡台装环氧树脂) 2.基垫 3.卡片 4.钢棒 5.小螺帽 6.插杆 7.中间螺母 8.弹簧

2 竹节桩现场对比试验研究

2.1 工程实例1

(1) 工程概况。某工程位于嘉兴软土地区,地层分布及物理力学性质见表1所列。

表1 实例1地基土物理力学参数 kPa

设计采用桩基础,试桩选用了竹节桩、管桩和方桩各2根进行抗压对比试验,设计桩长均为39 m,以⑥层黏土作为持力层,桩身混凝土强度为C80。竹节桩(编号SA1、SA2)最大外径(带肋)为500 mm,最小外径为460 mm,壁厚100 mm;管桩(编号SB1、SB2)外径为500 mm,壁厚100 mm;方桩(编号SC1、SC2)外边长为500 mm,内径为300 mm。

(2) 抗压静载试验。试验利用压桩机及配重加载装置,同时采用武汉沿海工程技术有限公司的基桩静载荷测试分析系统全自动采集数据。试验过程按照文献[13]中关于慢速维持荷载法的规定进行,6根桩的试验结果如图3所示,见表2所列。

试桩编号桩径或边长/mm最大试验荷载/kN竖向抗压极限承载力/kN终压沉降量/mmSA1500～4603840384036.79SA2500～4603840384037.89SB15003200320035.75SB25003200320038.61SC15003200313342.74SC25003200306845.39

(3) 试验结果对比分析。由图3可以看出,6根试桩的荷载(P)-沉降(s)曲线均为缓变型,表现为当荷载小于640 kN时,6根试桩的P-s曲线近似为直线,在中、高荷载时沉降有逐级加大的变化趋势。

由图3还可以看出,方桩在每级荷载下的沉降量均比竹节桩和管桩大。当荷载小于2 100 kN时,竹节桩的沉降量比管桩大。这是由于加载初期2种桩型对桩周土体的作用以摩擦力为主，竹节桩与管桩相比桩土接触面积较小，因而提供的侧摩阻力较小。当荷载大于2 560 kN时，竹节桩的桩身(特别是在非肋部处)与桩周土体紧密接触，环肋下方土体试图抵抗竹节桩向下运动，即对环肋产生较大的阻力，桩身沉降量明显小于普通管桩的沉降量，承载性能显著提高。

由表2可以看出,竹节桩的单桩竖向抗压极限承载力为3 840 kN,与管桩和方桩相比均能提高20%左右,并且竹节桩在3种桩型中生产成本最低,经济效益明显。

2.2 工程实例2

(1) 工程概况。某工程位于沿海软土地区,基础桩拟采用管桩和竹节桩2种桩型,设计有效桩长均为26 m,桩身混凝土强度为C80。S1、S2、S3试桩为竹节桩,S4、S5、S6试桩为管桩,6根试桩的参数与工程实例1中相应桩型的参数相同。场地地层及物理力学参数见表3所列,以⑥层黏土作为持力层,设计单桩竖向抗拔承载力特征值均为580 kN。

表3 实例2地基土物理力学参数 kPa

(2) 抗拔静载试验。按照慢速维持荷载法对6根桩分别进行单桩抗拔静载试验,试验结果如图4所示,见表4所列。

图4 抗拔试验U-δ曲线

试桩编号桩径/mm最大试验荷载/kN竖向抗拔极限承载力/kN最大上拔量/mmS1500～4601160≥116010.05S2500～4601160≥11609.39S3500～4601160≥11608.87S4500812696103.25S5500696580100.32S6500696580101.98

(3) 试验结果对比分析。由图4可知,3根竹节桩的荷载(U)-上拔位移(δ)曲线均呈缓变型,各级荷载下的上拔位移增量变化幅度不大。当竹节桩、管桩的累积加载量分别小于348、232 kN时,U-δ曲线近似为直线,3根管桩分别加载至812、696、696 kN时桩帽与桩身突然拉开,上拔位移急剧增大。按规范当累积上拔量超过100 mm时终止试验,取上一级荷载作为抗拔极限承载力。

由图4、表4可以看出,竹节桩由于设置了纵向、环向凸肋,有利于桩侧摩阻力的充分发挥,因此在各级荷载下的上拔位移均比管桩小,而单桩竖向抗拔极限承载力能达到1 160 kN以上,比管桩提高60%以上。

3 竹节桩承载机理分析

在桩身构造方面,竹节桩沿桩身设置了环向凸肋,并通过纵向凸肋连接成整体,这种构造改变了桩-土接触方式和桩身粗糙度,与管桩的光圆截面相比,侧摩阻力显著提高。

在沉桩方面,竹节桩在沉桩过程中环向凸肋对桩周土体具有挤密作用,并在肋部之间形成空隙,加快了桩周软土的排水固结,提高了桩周土体的强度。沉桩完成后,桩周土体逐渐与桩身重新接触。

在荷载传递方面,竹节桩承受竖向荷载时,桩身肋部将应力传递到土体中,使桩周软土进一步挤密,同时文献[8,11]指出肋部还具有承压作用,产生的承压力又作为附加应力施加于桩周土体,提高了桩周土体的抗剪强度。当传递给桩周土体的应力超过土体的抗剪强度时,便在土体中形成一个直径与环向凸肋大小相当的圆筒形剪切滑动面,滑动面内的土体随着桩身一起位移。

4 结 论

竹节桩是在普通管桩基础上改良而来的新桩型,通过设置环向和纵向凸肋,改变了桩-土接触关系,有效提高桩侧摩阻力。

在相同条件下,竹节桩的单桩竖向抗压极限承载力与管桩和方桩相比均能提高20%左右,单桩竖向抗拔极限承载力比管桩提高60%以上,同时竹节桩能节省混凝土用量,降低生产成本,经济效益显著。

竹节桩属于摩擦端承桩,在荷载水平较低时,桩顶位移曲线近似为直线,当荷载增加到一定程度时,会在土体中形成一个直径与环向凸肋直径大小相当的圆筒形剪切滑动面。

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(责任编辑 张淑艳)

Contrastive experimental study of bearing capability of pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile

YANG Chengbin1,ZHANG Nengqin1,XIE Wenping1,ZHOU Zhaodi2

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Zhejiang Tianhai Pipe Pile Co., Ltd., Hangzhou 310024, China)

Pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile(PSCBP) is a new type of pile which is developed on the basis of traditional pre-stressed spun concrete pipe pile(PSCPP). The structure and mechanical bonding technology of PSCBP are introduced, and its bearing capability in soft soil is researched based on static load tests. The results show that the vertical ultimate bearing capacity of single PSCBP increases by 20% compared with that of PSCPP and pre-stressed spun concrete square pile(PSCSP), and the vertical uplift ultimate bearing capacity of single PSCBP increases by over 60% compared with that of PSCPP. Due to the annular and longitudinal convex rib, contact area between the pile and soft soil and pile roughness increase. In this case, the side friction of PSCBP is fully exerted. The curves of displacement at the top of the PSCBP are similar to straight lines in the low load. When the load increases, a cylindrical shear plane which is same as annular convex rib in diameter will be formed in the soft soil.

pre-stressed spun concrete bamboo-shape pile(PSCBP); static load test; ultimate bearing capacity; settlement; uplift displacement

2015-06-18；

2015-07-28

合肥工业大学产学研校企合作资助项目(W2014JSFW0415)

杨成斌(1962-),男,安徽滁州人,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.022

TU473.11

A

1003-5060(2016)10-1407-04