變截面與等截面管樁復(fù)合地基承載特性對(duì)比研究

黃禮勝，崔斌，何愛波，王亞輝，黃福安

（湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南株洲412007）

變截面與等截面管樁復(fù)合地基承載特性對(duì)比研究

黃禮勝，崔斌，何愛波，王亞輝，黃福安

（湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南株洲412007）

為探討階梯型變截面管樁復(fù)合地基的承載特性及優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了2組等截面管樁復(fù)合地基和3組階梯形變截面管樁復(fù)合地基承載性狀的室內(nèi)大比例模型對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同荷載作用下，階梯形變截面管樁及其復(fù)合地基的沉降明顯低于等截面管樁及其復(fù)合地基的沉降。在管樁材料用量及所處的地質(zhì)條件相同的情況下，階梯形變截面管樁單樁剛度明顯大于等截面管樁的單樁剛度。階梯形變截面管樁樁身強(qiáng)度能較好地與樁身軸力變化規(guī)律協(xié)調(diào)。因此，采用階梯形變截面管樁能充分利用樁身強(qiáng)度，降低樁基造價(jià)。

階梯形變截面管樁；復(fù)合地基；荷載-沉降；樁身荷載傳遞規(guī)律

1 研究背景

混凝土預(yù)制管樁作為一種常見的預(yù)制工程樁，具有施工周期短、樁身強(qiáng)度高、質(zhì)量有保障、檢測(cè)方便、造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被大量應(yīng)用于房屋建筑、道路橋梁及水利水電工程等領(lǐng)域的樁基工程及軟基處理工程中。樁-網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是一種剛性基礎(chǔ)，由剛性群樁和樁頂上的加筋墊層組成，它作為剛性樁加固深厚軟土地基工法，具有豎向沉降小，變形穩(wěn)定時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。徐林榮等[1]研究了軟土路堤樁-網(wǎng)復(fù)合地基的承載機(jī)理及應(yīng)力傳遞機(jī)理，同時(shí)結(jié)合滬寧城際鐵路樁-網(wǎng)復(fù)合地基試驗(yàn)段，對(duì)樁-網(wǎng)復(fù)合地基中基底土壓力、土工格柵應(yīng)力應(yīng)變、樁和土的沉降及地基側(cè)向位移等進(jìn)行了長期監(jiān)測(cè)，分析了樁土應(yīng)力分擔(dān)過程，土工格柵受力特點(diǎn)、沉降及側(cè)向位移規(guī)律，提出了樁-網(wǎng)復(fù)合地基沉降計(jì)算方法。薛新華等[2]利用Mindlin-Geddes方法聯(lián)合獲得了加固區(qū)附加應(yīng)力分布，再利用Boussinesq方法獲得了下臥層附加應(yīng)力分布，然后結(jié)合小孔擴(kuò)張理論獲得樁體的刺入變形，得到了與實(shí)測(cè)沉降較吻合的計(jì)算結(jié)果。

管樁復(fù)合地基在公路、鐵路及房屋建筑工程中已有一定的應(yīng)用，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益， 從而吸引了較多學(xué)者的研究。如：于進(jìn)江等[3]基于潮汕車站樁-網(wǎng)復(fù)合地基處理軟基工程的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，探討了管樁-網(wǎng)加固深厚軟土的機(jī)理。劉漢龍等[4]在傳統(tǒng)管樁的基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)澆薄壁管（cast-in-situ concrete thin-wall pipe pile，PCC）樁地基處理技術(shù)，該技術(shù)目前已經(jīng)在江蘇、浙江和上海等地高速公路、鐵路軟基加固工程中推廣應(yīng)用[5-7]，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。劉漢龍等[8]對(duì)PCC 樁復(fù)合地基展開了一系列實(shí)驗(yàn)及理論研究，探討了褥墊層模量和厚度、樁體模量、樁長、基礎(chǔ)剛度等對(duì)現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比的影響。溫世清等[9]基于PCC樁-土-墊層相互作用的工作特性，研究了樁-土-墊層相互作用機(jī)理及沉降分析方法，提出了PCC樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比、沉降簡(jiǎn)化計(jì)算公式。張波等[10]基于現(xiàn)澆薄壁管單樁復(fù)合地基，模型分析了褥墊層模量、樁間距、樁長、土體模量等因素對(duì)現(xiàn)澆薄壁管樁復(fù)合地基承載性能的影響。尹宏春[11]等基于單樁水平靜載荷模型試驗(yàn)，分析了當(dāng)樁體體積與樁側(cè)表面積相同時(shí)，得到了變截面管樁的水平承載性能比等截面管樁的高，變截面管樁的位移梯度變化比等截面管樁緩慢。

盡管他人就樁-網(wǎng)復(fù)合地基的工作特性等方面做了很多有益的工作，但階梯型變截面管樁復(fù)合地基工作性狀研究還未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本文基于大比例模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比研究階梯型變截面管樁和等截面管樁復(fù)合地基的工作性狀，望能為階梯型變截面管樁復(fù)合地基的推廣應(yīng)用提供借鑒。

2 模型試驗(yàn)

2.1 管樁預(yù)制方案

試驗(yàn)管樁由預(yù)制的兩管節(jié)組合而成，連接時(shí)對(duì)管節(jié)連接部位進(jìn)行清理，之后涂上環(huán)氧樹脂，然后再用樁冒連接并焊接。

管節(jié)的制作：采用2 mm 薄鋼板自制管節(jié)模型制作管節(jié)，管節(jié)模型內(nèi)徑分別為16,14,12,10,8 cm，管節(jié)制作鋼模如圖1所示。制作管節(jié)時(shí)，先將圖1a中外壁鋼模刷油，并用螺絲進(jìn)行連接；然后將厚壁鋼管外包保鮮膜并刷油，插入圖1b中的混凝土模具凹槽中，放入鋼絲網(wǎng)，澆筑細(xì)骨料混凝土搗實(shí)并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。采用2 mm薄鋼板自制端頭板，具體制作可參考圖2和圖3進(jìn)行。將自制端頭板與混凝土管樁利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行膠結(jié)，形成最終的模型管節(jié)。為模擬實(shí)際工程接樁，按圖2連接方法進(jìn)行電焊接管（焊接鋼條和角鋼均采用2 mm厚鋼板制作）。

圖1 模型管樁制作樁模圖Fig.1 The diagram for model pipe pile making

圖2 模型樁端頭板制作示意圖Fig.2 The schematic diagram of model pile end plate making

圖3 預(yù)制樁配筋圖Fig.3 Precast pile reinforcement diagram

2.2 試驗(yàn)概況

模型試驗(yàn)在6.0 m×3.0 m×6.0 m（長×寬×高）的模型基坑內(nèi)進(jìn)行。土體采用本地紅粘土，通過含水量和壓實(shí)度來控制土層參數(shù)，并填筑為上軟下硬的雙層地基，具體填筑如圖4所示。

圖4 模型試驗(yàn)示意圖Fig.4 The schematic diagram for model test

樁身材料采用相似比配置的細(xì)骨料混凝土，強(qiáng)度要求達(dá)到C30以上，鋼筋籠用鋼絲網(wǎng)進(jìn)行模擬，端板采用2 mm薄鋼板制作，在填筑過程中進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)試與測(cè)試元件埋設(shè)。 模型管樁相關(guān)參數(shù)見表1，土的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 模型管樁參數(shù)Table 1Parameters of model pipe pilescm

表2 上層土的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 2Main physical-mechanical parameters of the upper soil

為對(duì)比分析砼預(yù)制管樁復(fù)合地基的工作特性，共進(jìn)行了5組單樁復(fù)合地基模型對(duì)比試驗(yàn)，單樁復(fù)合地基模型在基坑內(nèi)的平面布置如圖5所示。

圖5 復(fù)合地基布置圖Fig.5 The layout of composite foundation

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2根等截面管樁（4#和5#）與3根變截面管樁（1#～3#）復(fù)合地基模型。圖6為4#等截面管樁復(fù)合地基模型與1#階梯形變截面管樁復(fù)合地基模型的荷載-沉降對(duì)比曲線，其中1#管樁上下管節(jié)平均直徑與4#等截面管樁相同。圖7為5#等截面管樁復(fù)合地基模型與2#、3#階梯形變截面管樁復(fù)合地基模型的荷載-沉降對(duì)比曲線，其中2#管樁上下管節(jié)平均直徑與5#等截面管樁相同。

圖6 荷載-沉降曲線Fig.6 Curves of load-settlement

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Curves of load-settlement

由圖6～7可知：

1）階梯形變截面復(fù)合地基與等截面管樁復(fù)合地基的荷載-沉降曲線均為緩變形。

2）在相同荷載作用下，變截面管樁復(fù)合地基的沉降比等截面管樁復(fù)合地基的小，且隨著荷載的增大，二者的沉降差值增大。由此可得，在材料用量及地質(zhì)條件相同的情況下，采用變截面管樁復(fù)合地基技術(shù)，能有效降低復(fù)合地基的沉降，提高復(fù)合地基承載力。

3）組成階梯形變截面管樁的各管節(jié)管徑之比對(duì)復(fù)合地基承載力性能有較大影響，但最佳的管徑之比有待進(jìn)一步研究。

圖8為樁-土荷載分擔(dān)比隨荷載變化的規(guī)律。由圖可知：

1）在管樁復(fù)合地基中，隨著荷載的增大，管樁分擔(dān)的荷載增大，樁周土分擔(dān)的荷載降低。

2）在各級(jí)荷載作用下，在復(fù)合地基中階梯形變截面管樁分擔(dān)的荷載均比等截面管樁大，這說明階梯形變截面管樁的單樁剛度要優(yōu)于等截面管樁。

圖8 樁土荷載分擔(dān)比-荷載曲線Fig.8 The curves for load variation and pile-soil load share ratio

對(duì)埋設(shè)在碎石墊層以下樁頂上的土壓力盒和埋置在樁身中的應(yīng)變片的讀數(shù)進(jìn)行整理，得到了各級(jí)荷載作用下5 組復(fù)合地基的管樁樁身軸力隨深度的變化規(guī)律如圖9～13所示。

圖9 1#復(fù)合地基樁身軸力分布規(guī)律Fig.9 The axial force distribution law of pile shaft in composite foundation #1

圖10 2#復(fù)合地基樁身軸力分布規(guī)律Fig.10 The axial force distribution law of pile shaft in composite foundation #2

圖11 3#復(fù)合地基樁身軸力分布規(guī)律Fig.11 The axial force distribution law of pile shaft in composite foundation #3

圖12 4#復(fù)合地基樁身軸力分布規(guī)律Fig.12 The axial force distribution law of pile shaft in composite foundation #4

圖13 5#復(fù)合地基樁身軸力分布規(guī)律Fig.13 The axial force distribution law of pile shaft in composite foundation #5

由圖9～13可知，由于變截面復(fù)合地基中的管樁樁身截面尺寸在距樁頂70 cm 處發(fā)生突變，從而使變截面復(fù)合地基中管樁的荷載傳遞呈現(xiàn)出與等截面復(fù)合地基中管樁不同的特性，且情況更復(fù)雜。通過管樁樁身軸力分布圖可以簡(jiǎn)要分析等截面與變截面復(fù)合地基中管樁荷載傳遞的一些特點(diǎn)以及兩者的差別：

1）等截面復(fù)合地基中的管樁（4#樁和5#樁）的樁身軸力隨著傳遞深度的增大而降低，且隨著荷載的增大，降低的幅度增大；隨著荷載的增加，管樁樁身軸力沿深度不斷衰減，且衰減速率逐漸增大，這說明樁側(cè)摩阻力逐步發(fā)揮。

2）在相同荷載作用下，變截面比等截面復(fù)合地基中的管樁所分擔(dān)的荷載要大；在變截面管樁復(fù)合地基中，由于變截面管樁接頭處的樁端阻力作用，從而使樁身軸力在此產(chǎn)生突變。

3）階梯形變截面管樁復(fù)合地基中，管樁樁端軸力明顯小于等截面管樁復(fù)合地基中管樁樁端軸力，這說明階梯形變截面管樁與樁周土的相互作用，明顯強(qiáng)于等截面管樁與樁周土的相互作用。

4）在管樁材料用量及所處的地質(zhì)條件相同的情況下，變截面管樁的承載能力明顯高于等截面復(fù)管樁的承載能力。

4 結(jié)論

基于階梯形變截面管樁復(fù)合地基與等截面管樁復(fù)合地基室內(nèi)大比例模型靜載試驗(yàn)結(jié)果，探討了階梯形變截面管樁復(fù)合地基和等截面管樁復(fù)合地基的承載性狀及差異，可得如下結(jié)論：

1）在相同荷載作用下，階梯形變截面管樁及其復(fù)合地基的沉降明顯低于等截面管樁及其復(fù)合地基的沉降。因此，階梯形變截面管樁對(duì)提高地基承載能力，降低地基沉降具有較好的作用。

2）在管樁材料用量及所處的地質(zhì)條件相同的情況下，階梯形變截面管樁單樁剛度明顯大于等截面管樁的單樁剛度。

3）階梯形變截面管樁樁身強(qiáng)度能很好地與樁身軸力變化規(guī)律協(xié)調(diào)，因此采用階梯形變截面管樁能充分利用樁身強(qiáng)度，降低樁基造價(jià)。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Comparative Research of Bearing Characteristics of the Composite Foundation with Variable Section and Uniform Section Pipe-Piles

Huang Lisheng,Cui Bin,He Aibo,Wang Yahui，Huang Fuan
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

To study the ladder-shaped variable section pipe-pile composite foundation load-bearing characteristics,conducted on indoor large scale model contrast experiments the bearing properties of two groups of uniform section pipe pile composite foundation and three groups of ladder-shaped variable cross-section pipe pile composite foundation. The conclusions show that: under the same loading,the settlement of ladder-shaped variable cross-section pipe pile and its composite foundation is obviously less than that of uniform section pipe pile. On the condition that the amount of pipe pile materials and geological conditions are the same,the single pile stiffness of ladder-shaped variable cross-section is significantly greater than the stiffness of uniform section single pile. The strength of ladder-shaped variable cross-section pipe pile is coordinated with the variation of axial force of pile shaft. Therefore,adopting ladder-shaped variable cross-section pipe pile makes full use of pile strength and reduces the cost of the pile.

ladder variable section pipe pile；composite foundation；load-settlement；pile load transferring law

TU473

A

1673-9833(2015)01-0024-05

2014-12-01

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015JJ5017）

黃禮勝（1986-），男，安徽淮南人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榈鼗幚?，E-mail：360509926@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.01.004