大直徑開口鋼管樁承載性狀試驗(yàn)分析

何敏斐

(歌山建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310052)

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大直徑開口鋼管樁承載性狀試驗(yàn)分析

何敏斐

(歌山建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310052)

摘要：開口鋼管樁以具有抗沖擊、打入容易、回收方便等優(yōu)點(diǎn),在港口工程和橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在此結(jié)合大直徑開口鋼管樁的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，分析了樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，大直徑開口鋼管樁的承載力表現(xiàn)為摩擦樁的性狀。樁身側(cè)摩阻力沿樁深的發(fā)揮是一個(gè)異步的過(guò)程，上部土層的側(cè)摩阻力發(fā)揮先于下部土層。同時(shí)，簡(jiǎn)要分析了土塞對(duì)樁基承載性狀的影響。

關(guān)鍵詞：大直徑開口鋼管樁；土塞；荷載傳遞；豎向承載力

近年來(lái)，隨著港口工程、橋梁工程的發(fā)展，開口鋼管樁因具有抗沖擊、打入容易、回收方便等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。雖然開口鋼管樁的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但其計(jì)算理論遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐[1-2]。一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，按照現(xiàn)有的計(jì)算方法得到的結(jié)果較實(shí)測(cè)承載力大，這對(duì)工程安全性極為不利[3]。大直徑鋼管樁的承載特性與樁周土、入巖深度、沉樁工藝等因素有關(guān)[3-4]。目前，針對(duì)管樁承載力的理論研究，主要有基于可靠度理論的承載力分析方法、數(shù)值計(jì)算方法及對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方法的改進(jìn)?，F(xiàn)有的開口鋼管樁承載力計(jì)算忽略了樁端土層閉塞效應(yīng)的影響，在很多情況下，這與實(shí)際工程情況不符合[5-6]。

本文主要結(jié)合某工程大直徑開口鋼管樁靜載荷試驗(yàn)，分析了大直徑開口鋼管樁的豎向承載性狀和荷載傳遞機(jī)理，并簡(jiǎn)要分析了土塞對(duì)樁基承載性狀的影響。

1工程概況

試樁場(chǎng)地為江蘇某風(fēng)電項(xiàng)目，場(chǎng)地工程地質(zhì)分布情況及試樁場(chǎng)地地基土物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。風(fēng)電場(chǎng)位置離岸約20 km，水深為2～12 m，海底地形變化較平緩。場(chǎng)區(qū)水下均為海底灘涂。以第9層粉砂為樁端持力層，埋藏深度適中。最高潮位4.22 m，最低潮位-3.15 m，平均海平面0.08 m，波浪以N向和E向?yàn)橹鳎行Рǜ?.9 m，最大波高6.5 m。試樁長(zhǎng)度均為38 m，直徑為1 200 mm，壁厚22 mm，彈性模量為210 GPa，樁身材料為Q345B。為保證鋼管樁的施工質(zhì)量，選擇整根樁進(jìn)行沉樁施工，不考慮接樁。鋼管樁的施工由打樁船和駁船配合完成。打樁船到現(xiàn)場(chǎng)后，每個(gè)樁都采用GPS精確定位。沉樁過(guò)程中應(yīng)盡量保持導(dǎo)管架的水平，防止由于偏擊使導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)及鋼管樁產(chǎn)生過(guò)大的樁身應(yīng)力。試驗(yàn)采用慢速靜載荷試驗(yàn)方法，試樁最大加載量為15 000 kN。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

2靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1樁頂與樁端沉降性狀

采用同時(shí)觀測(cè)樁頂、樁端的靜載荷試驗(yàn)技術(shù)，得到試樁各級(jí)荷載下的樁頂沉降、樁端沉降見圖1。由圖1可以看出，當(dāng)荷載較小時(shí)，樁頂即產(chǎn)生沉降，試樁的荷載-沉降曲線表現(xiàn)為線性關(guān)系，樁端沉降較小。

當(dāng)樁頂荷載增大到一定值時(shí)，樁頂沉降增速逐漸增大，荷載-沉降曲線逐漸變?yōu)榉蔷€性，樁端沉降亦逐步增大。由圖1還可以看出，樁頂荷載增大到一定值后，樁端沉降開始趨于明顯，且表現(xiàn)為非線性沉降，最終發(fā)生刺入破壞。單樁豎向承載力取發(fā)生明顯陡降時(shí)的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載。

圖1　試樁荷載-沉降曲線

由圖2可知，只有當(dāng)樁頂荷載增大到一定程度時(shí)，樁端阻力才開始逐步發(fā)揮；樁端阻力隨樁頂荷載的增大而接近線性增大。樁端阻力的發(fā)揮與樁端位移的增大接近雙折線關(guān)系。當(dāng)樁頂荷載加載至15 000 kN 時(shí)，試樁均發(fā)生刺入破壞，表明樁端土已達(dá)到極限承載力。

圖2　樁端力與樁端位移曲線

2.2樁身軸力傳遞性狀

通過(guò)預(yù)埋在樁身的應(yīng)力計(jì)可以得到試樁在各級(jí)荷載下的樁身軸力分布曲線。由式(1)可計(jì)算得到某一級(jí)荷載作用下任意斷面鋼筋軸力Q(z)：

Q(z)=ε(z)·Ep·Ap

(1)

式中：Ep為樁身彈性模量；AP為樁身截面，對(duì)等截面鋼管樁AP=π(D2-d2)/4，其中D和d分別為鋼管樁的外徑和內(nèi)徑。

試樁的樁身軸力沿深度的分布見圖3。

圖3　樁身軸力分布圖

由圖3可知，樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力與樁端阻力承擔(dān)，樁端阻力占樁頂荷載的比例隨樁頂荷載的增加有所增大。試樁在樁頂荷載為7 500kN時(shí)，樁端力發(fā)揮趨于明顯，在樁頂荷載為13 500kN時(shí)，樁端阻力達(dá)2 727kN，承擔(dān)了20.2%的樁頂荷載，表現(xiàn)為摩擦樁的承載性狀。

2.3樁側(cè)摩阻力發(fā)揮性狀

樁身位置處各土層的平均側(cè)摩阻力分布見圖4。

由圖4可知，樁身各土層側(cè)摩阻力的發(fā)揮是一個(gè)異步的過(guò)程。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，上部土層的側(cè)摩阻力先于下部土層發(fā)揮作用；隨著樁頂荷載的增大，上部土層的側(cè)摩阻力逐漸趨于穩(wěn)定，而下部土層的側(cè)摩阻力還遠(yuǎn)未完全發(fā)揮。在不同的土層中，平均側(cè)摩阻力有所差別，這是由各層土體力學(xué)性質(zhì)的不同而造成。

圖4　樁側(cè)平均摩阻力沿深度的分布

在同一土層中，隨著樁頂荷載的增大，平均側(cè)摩阻力也相應(yīng)增大，但增加的幅度也有差別。在荷載小于4 500kN時(shí)，樁端處的側(cè)摩阻力幾乎為0，隨著荷載的增大，樁端處的側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮出來(lái)，其值隨著樁頂荷載增加而逐步增大。

由此可見，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度與土層性質(zhì)及樁頂荷載的大小等因素有關(guān)。

3土塞效應(yīng)分析

目前，針對(duì)開口鋼管樁的承載力的計(jì)算理論還不完善，相關(guān)的試驗(yàn)研究亟待開展，特別是大直徑開口鋼管樁的承載力計(jì)算方法。在施工過(guò)程中，由于大直徑開口鋼管樁中間是空的，其擠土效應(yīng)與實(shí)心樁擠土機(jī)理存在較大的區(qū)別，部分土體會(huì)擠入到樁中，形成土塞，土塞與樁內(nèi)壁的相互作用是一個(gè)與多種因素相關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題。土塞的性質(zhì)不僅會(huì)直接影響到樁端阻力的發(fā)揮，還會(huì)對(duì)樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生影響。開口鋼管樁的樁端阻力主要來(lái)自樁內(nèi)壁所形成的土塞。

由試驗(yàn)和理論分析可知[7]，鋼管樁樁身側(cè)摩阻力與樁內(nèi)壁土塞阻力的發(fā)揮是不同的。樁側(cè)摩阻力在各級(jí)荷載下均得到有效發(fā)揮，而樁內(nèi)壁的摩阻力，只有當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，才能得到有效發(fā)揮。土塞模量愈低，土塞高度愈大，充分發(fā)揮土塞側(cè)阻所需沉降也越大。

一些研究結(jié)果表明，一定高度以上的土柱部分對(duì)于土塞承載力的貢獻(xiàn)非常小，即存在土塞的有效高度[7-8]。目前，被認(rèn)可的土塞有效高度一般為5倍樁徑左右，當(dāng)高度大于此數(shù)值時(shí)，土柱多數(shù)情況下不會(huì)發(fā)生破壞[8]。

4結(jié)語(yǔ)

1)大直徑開口鋼管樁的承載力表現(xiàn)為摩擦樁的性狀。

2)各級(jí)荷載下，樁身軸力隨著深度的增加而減少。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，樁身下部軸力幾乎為0，隨著荷載的增大，樁端阻力也開始逐漸發(fā)揮出來(lái)，所占樁頂荷載的比例隨荷載的增加逐漸增大。

3)樁身側(cè)摩阻力沿樁深的發(fā)揮是一個(gè)異步的過(guò)程，上部土層的側(cè)摩阻力發(fā)揮先于下部土層。隨著荷載的增加，平均側(cè)摩阻力也相應(yīng)增大，但增加的幅度也有所差別。

4)樁內(nèi)壁所形成的土塞，其與內(nèi)壁相互作用與樁頂荷載大小密切相關(guān)。只有當(dāng)樁頂荷載增大到一定值，土塞與內(nèi)壁的摩阻力才能得到有效發(fā)揮，樁端力主要與有效土塞高度內(nèi)的摩阻力相平衡。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4]胡利文，賈德慶，傅潔馨.開口鋼管樁承載力影響因素[J].水運(yùn)工程，2005(9):17-22.

[5]許英，徐駿，吳興祥.港口工程大直徑管樁豎向承載力可靠性研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011,25(6):516-519.

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[7]RANDOLPHM.F,LEONGE.C,HOULSBYG.T.OnedimensionalAnalysisofsoilplugsinpipepiles[J].Geotechnique,1991,41(4):587-598.

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收稿日期：2015-12-16

作者簡(jiǎn)介：何敏斐(1975—)，男，浙江杭州人，高級(jí)工程師，從事建筑工程施工技術(shù)管理工作。

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-3707(2016)03-0023-04

Experimental Analysis on the Bearing Behavior of theOpen Steel Pipe Pile with Large Diameter

HE Minfei