加筋勁性水泥土樁的應(yīng)力應(yīng)變與極限承載力研究

金正超，吳?；?，方光秀

(延邊大學(xué)工學(xué)院 土木工程系，吉林 延吉 133002)

0 引言

加筋勁性水泥土組合樁是在勁性水泥土樁中加入抗拉強(qiáng)度高的圍箍材料，從而提高其承載力的組合樁，在現(xiàn)代建筑中被廣泛使用.加筋勁性水泥土組合樁的受力特點(diǎn)是芯材與水泥土樁共同承受豎向荷載，圍箍材料既能提高芯樁與水泥土之間的粘結(jié)力，又能夠約束水泥土在水平方向的變形[1].吳邁等[2]對勁性芯材與水泥土共同工作的抗拔性能的研究表明，勁性芯材與水泥土之間的粘結(jié)強(qiáng)度隨水泥土強(qiáng)度的增加而增大，近似為線性關(guān)系.趙曉東[3]采用HDPE管材作為水泥土樁的圍箍材料，研究了其組合樁的受力和變形特征.唐承鐵等[4]根據(jù)加筋碎石樁的受力特點(diǎn)，分析了加筋碎石樁復(fù)合地基的兩種主要破壞模式，并通過工程案例計(jì)算得出了土工格柵抗拉強(qiáng)度的最優(yōu)設(shè)計(jì)值，同時(shí)給出加筋碎石樁能顯著提高其承載力的結(jié)論.本文根據(jù)土工格柵具有變形模量大、抗拉強(qiáng)度高、重量輕、且與土有良好的咬合作用等特點(diǎn)[5-6]，采用土工格柵作為圍箍材料對加筋勁性水泥土樁的應(yīng)力應(yīng)變和極限承載力進(jìn)行了研究.

1 加筋勁性水泥土組合樁實(shí)驗(yàn)

1.1 加筋勁性水泥土組合樁試件的制作

加筋勁性水泥土組合樁的結(jié)構(gòu)如圖1所示，加筋勁性作法是用土工格柵圍箍4根的鋼材芯樁.

圖1 加筋勁性水泥土組合樁結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)裝置和加載方式

試驗(yàn)裝置包括:鋼筋混凝土模型箱(凈空尺寸為長×高×寬=700 mm×1 200 mm×700 mm)；圓形加載鋼板(直徑為145 mm，厚度為50 mm)；液壓千斤頂(量程為200 kN)；CM-2B數(shù)據(jù)采集儀.

使用液壓千斤頂對加載板按10級進(jìn)行加載，第1次加載的大小為分級荷載的2倍，第2次開始加載的大小為預(yù)測極限荷載的10%，直至最后，如圖2所示.

圖2 加載示意圖

1.3 測試內(nèi)容和極限承載力試驗(yàn)值

通過靜載試驗(yàn)，采用位移計(jì)、液壓千斤頂和CM-2B數(shù)據(jù)采集儀分別測出試件的樁頂沉降位移、樁的極限承載力值(表1)和樁身的應(yīng)變值.

表1 極限承載力試驗(yàn)值

1.4 模型樁參數(shù)

水泥土模型樁采用普通硅酸鹽水泥，其水灰比為1∶1；采用的鋼筋為HRB335，直徑為12 mm，屈服強(qiáng)度為305 MPa.在澆筑水泥土模型樁的同時(shí)，澆筑一組邊長為70.7 mm的水泥土立方體試塊，養(yǎng)護(hù)28 d后測得其強(qiáng)度的平均值為2.81 MPa.

1.5 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)用黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示，土工格柵技術(shù)指標(biāo)如表3所示(采用山東同發(fā)玻璃纖維有限公司提供的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)).

表2 試驗(yàn)用黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表3 土工格柵技術(shù)指標(biāo)

1.6 模型試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)測點(diǎn)的布置立面和平面以及模型樁截面形式如圖3、圖4和圖5所示，圖中的模型樁樁長為800 mm，模型箱高度為1 200 mm，模型樁與鋼筋混凝土箱的內(nèi)壁距離為175 mm，樁與樁的間距為350 mm.

共設(shè)計(jì)5個(gè)模型樁，其主要變化參數(shù)是土工格柵的摻入以及圍箍面積，按截面形式不同分為A、B、C、D、E等5類.模型樁的試驗(yàn)方案如表4所示.

圖3 試驗(yàn)測點(diǎn)的布置立面圖

圖4 試驗(yàn)測點(diǎn)的布置平面圖

圖5 模型樁截面形式的平面示意圖

表4 模型樁的試驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 模型樁的Q -S曲線

模型樁21-2和21-3、21-4和21-5的Q-S對比曲線如圖6(a)、(b)所示.當(dāng)加筋勁性水泥土組合樁的4根芯樁(本文用鋼筋來取代芯樁)離樁心距離分別為20 mm和40 mm時(shí)：由圖6(a)可知，土工格柵的作用不顯著，其極限承載力僅提高了2.5%；由圖6(b)可知，土工格柵作用顯著，其極限承載力提高了12.5%.

模型樁21-3和21-5的Q-S對比曲線如圖6(c)所示.由圖6(c)可以看出，鋼芯離勁性水泥土組合模型樁的樁心越遠(yuǎn)，降低沉降效果越顯著.

(a) 模型樁21-2和21-3的Q -S對比曲線

(b) 模型樁21-4和21-5的Q -S對比曲線

(c) 模型樁21-3和21-5的Q -S對比曲線

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

模型樁21-2和21-3的截面各測點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示.當(dāng)荷載從0加載到1.5 MPa時(shí)，模型樁21-2按直線方程y=-0.002 11x變化；當(dāng)荷載從1.5 MPa加載到6.6 MPa時(shí)，應(yīng)變增長迅速，模型樁按拋物線方程y=-5.13×10-7x2+1.001x+0.685 8變化；當(dāng)荷載達(dá)到7.4 MPa后，應(yīng)變增長有所緩慢，模型樁按拋物線方程y=-1.76×10-5x2-0.133x-242.5變化.模型樁21-3的應(yīng)變變化速度較模型樁21-2相對緩慢：當(dāng)荷載從0加載到1.8 MPa時(shí)，其與模型樁21-2幾乎同步，按直線方程y=-0.002 7x+0.042 81變化；當(dāng)荷載從4.4 MPa加載到7.4 MPa時(shí)，模型按拋物線方程y=-4.98×10-6x2-0.022 29x-242.5變化；當(dāng)荷載從7.4 MPa加載到8.74 MPa時(shí)，應(yīng)變增長速度有所緩慢，模型按直線方程y=-0.001 932x+0.319 9變化.

圖7 模型樁21-2和21-3的截面各測點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

模型樁21-4和21-5中截面各測點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示.當(dāng)荷載從0加載到5.2 MPa時(shí)，模型樁21-4按直線方程y=-0.002 959x+0.319 9變化；當(dāng)荷載從5.2 MPa加載到8.4 MPa時(shí)，模型樁按拋物線方程y=-1.12×10-6x2-0.007 57x-4.151變化；當(dāng)荷載達(dá)到8.1 MPa后，其應(yīng)變增長速度迅速加快.模型樁21-5的應(yīng)變變化速度比模型樁21-4明顯緩慢，當(dāng)荷載從0加載到5.9 MPa時(shí)，模型按直線方程y=-0.005 151x+0.618 7變化;當(dāng)荷載從5.9 MPa加載到9.7 MPa時(shí)，模型按拋物線方程y=-1.12×10-5x2-0.027 62x+21.45變化.

圖8 組合模型樁21-4和21-5的中截面各測點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

模型樁21-3和21-5的中截面各測點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示.從圖9中可以看出，土工格柵的兩個(gè)模型樁的樁心距不同，其應(yīng)變變化速度也明顯不同，模型樁21-5的應(yīng)變變化速度比模型樁21-3明顯緩慢.

圖9 組合模型樁21-3和21-5的中截面各測點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

1)通過對加筋勁性水泥土組合模型樁21-3與21-5的Q-S曲線的對比分析表明：加筋勁性水泥土組合樁的4根芯樁離樁心距離較遠(yuǎn)時(shí)，土工格柵的作用明顯.由模型樁的極限承載力試驗(yàn)值可知，當(dāng)加筋勁性水泥土組合樁的4根芯樁離樁心距為40 mm時(shí)，其極限承載力提高12.5%，比離樁心距為20 mm的作用明顯.

2)當(dāng)組合模型樁21-3的樁心距為20 mm時(shí)：荷載在0～1.8 MPa和4.4～7.4 MPa區(qū)間時(shí)，模型分別按直線方程和拋物線方程變化；在7.4～8.74 MPa時(shí)，應(yīng)變增長速度有所緩慢，模型按直線方程變化.當(dāng)模型樁21-5的樁心距為40 mm時(shí)，荷載在0～5.9 MPa和5.9～9.7 MPa區(qū)間時(shí)，模型分別按直線方程和拋物線方程變化.

3)本文試驗(yàn)是在相同截面形式下完成的，對于不同截面形式下的加筋勁性水泥土組合模型樁的承載力需進(jìn)一步研究.

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