PHC管樁單樁承載力確定的應(yīng)用研究

朱彥鵬,沈文帥

(1. 蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州　730050;2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州　730050)

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PHC管樁單樁承載力確定的應(yīng)用研究

朱彥鵬1,2,沈文帥1,2

(1. 蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州730050;2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州730050)

以PHC管樁處理某高層住宅地基基礎(chǔ)為依托,對PHC管樁單樁承載力進行了計算。通過靜載荷試驗,對管樁的實測承載力與計算值之間的差異進行了對比分析。結(jié)果表明:調(diào)整后的計算結(jié)果更加接近實測值,驗證了調(diào)整后計算公式的實際意義。

PHC管樁;單樁承載力;靜載荷試驗;持力層

預應(yīng)力高強度混凝土管樁(簡稱PHC樁),是一種應(yīng)用先張法預應(yīng)力和離心技術(shù)制成的空心體混凝土預制構(gòu)件,是近年來我國從日本、美國等發(fā)達國家引進的一種新型預制樁[1]。PHC樁是一種預制樁,同其他樁型相比較可知,它的優(yōu)點是樁身質(zhì)量穩(wěn)定可靠、強度高、穿透能力強、施工快捷方便等,并且它的承載力也比其他樁型要高。為了在實際工程中更好地應(yīng)用PHC管樁以及更好掌握它的工作原理,學者們對PHC管樁的各個方面都展開了不同程度的研究并且取得了許多有價值的研究成果:郭宏磊等[1]利用逐次線性概率法加上殘差修正對PHC管樁單樁豎向承載力進行了預測,并用有限元進行了模擬;黃敏等[2]對帶翼板預應(yīng)力管樁的承載力提高機制進行了探討,提出了幾種可能分析該種樁型豎向承載性能的模擬方法;李平先等[2]針對預應(yīng)力管樁與樁帽連接節(jié)點軸拔性能進行了原型試驗,分析了連接節(jié)點工作性能和影響軸拔承載力的主要因素,并提出了建議的計算公式;Zhou等[3]通過現(xiàn)場和室內(nèi)動測手段研究了預應(yīng)力管樁施工引起樁體拉應(yīng)力分布特點;Vesic 在1972年Mohr-Coulomb屈服準則的基礎(chǔ)上,計算推導出了理想彈塑性圓孔擴張的基本解,并于1997年將其成功應(yīng)用于樁基承載力方面的研究[4,5]。Paik等[6]于1993年對砂土中開口管樁進行模型試驗,并基于試驗結(jié)果建立了土塞的壓力系數(shù)表達式等。

1　工程概況

2　靜載荷試驗確定單樁承載力

工程中有建筑安全等級為二級的建筑物,根據(jù)文獻[9]中規(guī)定,需要靜載荷試驗進行試樁以便確定樁型的適宜性、單樁極限承載力和了解施工中可能會出現(xiàn)的各種問題,以助于對工程中樁的施工起到一定的指導作用。

試驗采用的是堆載法,堆載平臺由桁架、主梁、工字鋼與跳板組成。試驗的加載反力系統(tǒng),是在堆載平臺上堆放砂袋。加載過程中采用的是油壓千斤頂,油壓千斤頂由電動油泵驅(qū)動來完成加載,而且千斤頂?shù)暮狭σㄟ^試樁的中心。壓力值由已經(jīng)標定過的壓力表給出,壓力表的精度不小于0.4級,試驗過程中用的千斤頂、電動油泵、高壓油管的容許壓力都不大于最大加載時壓力的1.2倍。試驗采用慢速維持荷載加載法[7],每級荷載在達到相對穩(wěn)定之后再施加下一級荷載,直到管樁的荷載達到極限承載力或樁身破壞、然后分級卸荷到0。在試驗中,靜載荷試驗加載及觀測方法如下:

(1)分級加載:分級加載都按照預估極限荷載的1/10進行加載,首級荷載是分級荷載的2倍。

(2)沉降觀測:每級加載結(jié)束后,每5 min、10 min、15 min,分別讀一次樁頂沉降量,之后每經(jīng)過15 min繼續(xù)記錄一次樁頂沉降量,累計1 h后每經(jīng)過0.5 h讀取一次數(shù)據(jù)。

(3)沉降相對穩(wěn)定的標準:在每級荷載的作用下,如果連續(xù)出現(xiàn)兩次每小時內(nèi)樁頂沉降量小于0.1 mm時可看做已經(jīng)穩(wěn)定。

(4)終止加載條件:當Q-s曲線上有能夠判定極限承載力的陡降段,且樁頂?shù)目偝两盗砍^40 mm;在某級荷載的作用下,樁頂沉降量不小于前一級荷載作用下樁頂沉降量的2倍。且經(jīng)過24 h仍然沒達到穩(wěn)定;樁頂壓裂或其他情況說明樁體已被壓壞或達到設(shè)計要求的最大加載量。本工程單樁豎向靜載試驗相關(guān)試樁Q-s曲線和S-lgt曲線如圖1～圖4所示。

由圖1可以看出,三根試樁的曲線平緩,壓力都保持穩(wěn)定,還沒有到單樁的實際承載力的極限值。沒有明顯的轉(zhuǎn)折,承載力在一定程度上還有上升余地沒有明顯的陡降段,因此,各樁的單樁極限承載力應(yīng)分別不低于4 400 kN,都比設(shè)計計算所得到的單樁極限承載力大。根據(jù)三根樁試驗得到結(jié)果為:單樁豎向抗壓極限承載力為4 400 kN,單樁豎向抗壓承載力特征值為2 200 kN。

圖1　三根試樁的Q-s曲線Fig.1　Q-s curve of three test pile

圖2　24號樁靜載試驗測得的S-lg t曲線 Fig.2　S-lg t curve that measured by No.24 pile static load test

圖3　38號樁靜載試驗測得的S-lg t曲線Fig.3　S-lg t curve that measured by No.38 pile static load test

圖4　41號樁靜載試驗測得的S-lg t曲線Fig.4　S-lg t curve that measured by No.41 pile static load test

3　計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

根據(jù)文獻[8]中規(guī)定,要根據(jù)土的物理指標與承載參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系來確定單樁豎向承載力標準值時,宜按下式估算:

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp。

在文獻[9]中規(guī)定,根據(jù)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系確定敞口預應(yīng)力混凝土心樁單樁豎向極限承載力標準值時,可按下式計算[9]:

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpk(Aj+λpAp1)。

按照以上給出的公式進行計算,其計算所得極限承載力標準值與試驗結(jié)果進行對比,對比結(jié)果見表1。

表1　兩種計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

從對比的結(jié)果來看,以上兩種計算值都要比靜載荷試驗測得的結(jié)果小得多,在靜載荷試驗中,終級荷載也都沒有達到樁本身實際的極限荷載值。按經(jīng)濟效益的角度來看,我們應(yīng)盡量讓單樁極限承載力的計算值與靜載荷試驗測得的結(jié)果更加接近。因此,結(jié)合相關(guān)理論研究,對于以粉土、砂土為持力層的樁基礎(chǔ),在文獻[8]中的基礎(chǔ)上做出適當調(diào)整得出如下的公式[10]:

Quk=Qsk+Qpk=ua∑qsikli+bqpkAp,

其中:a、b為極限側(cè)阻力和極限端阻力的調(diào)整系數(shù),取值參照表2;其他參數(shù)與文獻[8]中公式相關(guān)參數(shù)相同。

表2　極限側(cè)阻力和極限端阻力的調(diào)整系數(shù)

用調(diào)整后的計算公式進行計算,對得到的單樁豎向極限承載力標準值與靜載試驗所得的試樁值進行了比較,結(jié)果見表3。

為了更直觀的看出三種計算結(jié)果上的差別,分別將計算得到的Quk計/Quk試值用柱形圖表示,如圖5所示。

根據(jù)圖5可以看出,經(jīng)過調(diào)整后的計算結(jié)果要比其他兩種公式計算結(jié)果更接近實測值,使得計算結(jié)果更準確,在實際應(yīng)用當中有一定的經(jīng)濟意義。

表3　調(diào)整后的計算值與試驗結(jié)果對比

圖5　Quk計/Quk試比較的柱形圖Fig.5　Comparative bar chart of Quk計/Quk試

4　結(jié)論

(1)PHC管樁具有不產(chǎn)生噪音、施工過程中無振動、污染少,并且單樁承載力比其他樁型較高、適用也比較廣泛、造價便宜、施工速度較快等諸多優(yōu)點。不但要保證地基基礎(chǔ)具有較好的承載力和較小的沉降量,還要保護環(huán)境、避免或減少擾民,保證施工場地整潔、施工組織科學等因素綜合考慮,可選擇靜壓法高強度預應(yīng)力管樁。

(2)對PHC試樁結(jié)果進行分析得出,三根試樁的Q-s曲線平緩,沒有出現(xiàn)明顯陡降部分,S-lgt曲線呈平緩規(guī)則布置,因此各樁的單樁極限承載力都不應(yīng)低于4 400 kN,都要比設(shè)計計算所得的單樁極限承載力大得多。

(3)采用規(guī)范規(guī)定的兩種計算公式進行了單樁豎向承載力計算,計算結(jié)果與實際情況相比都偏小,建議采用調(diào)整后的計算公式,并驗證了調(diào)整后計算公式的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)更接近,有一定的實際意義。

[1]郭宏磊,賀雯,胡亦兵,等.PHC樁的豎向極限承載力的預測[J].工程力學,2004,21(3):78-83.

[2]黃敏,龔曉南.帶翼板預應(yīng)力管樁承載性能的模擬分析[J].土木工程學報,2005,38(2):102-105.

[3]李平先,張雷順,趙國藩. 預應(yīng)力混凝土管樁與樁帽連接節(jié)點軸拔性能原型試驗研究[J].土木工程學報,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]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ106-2003 建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ94-94 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[10]邵銘東.預應(yīng)力管樁承載力的分析研究[D].北京:中國石油大學,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.

甘肅省科技重大專項計劃項目(1302FKDA030);教育部創(chuàng)新團隊支持計劃項目(2013 IRT13068).

朱彥鵬(1960-),男,甘肅慶陽人,教授,博士生導師,研究方向為支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究.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.[朱彥鵬,沈文帥.PHC管樁單樁承載力確定的應(yīng)用研究[J].甘肅科學學報,2016,28(4):77-80.]