基于室內(nèi)模型試驗(yàn)的軟巖嵌巖樁嵌巖深度效應(yīng)分析

方 鵬

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530007)

樁的尺寸效應(yīng)(主要包括樁長、樁徑、截面形狀、嵌巖比等)和樁周巖石特性(主要包括完整巖石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、巖石類別、巖塊質(zhì)量等級(jí)等)是影響嵌巖樁承載力的主要因素,在其復(fù)雜多樣的各種因素相互影響作用下,采用理論分析法進(jìn)行嵌巖樁豎向承載力的研究將存在較大的困難[1]。現(xiàn)場原位測試法雖與樁的測試工作狀態(tài)最為接近,但由于嵌巖樁的極限承載力很高,在現(xiàn)場試驗(yàn)中很難將其加載至破壞,難以監(jiān)測破壞時(shí)嵌巖段摩阻力的分布特征,而且每個(gè)工程都面臨不同的地質(zhì)條件,不同的上部荷載,試樁的尺寸以及施工造成的不定因素等存在很大差別,會(huì)嚴(yán)重降低各個(gè)測試數(shù)據(jù)之間的可對(duì)比性,難以得出嚴(yán)格的規(guī)律性認(rèn)識(shí),而且現(xiàn)場試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力、成本較高[2]。因此,滿足相似條件下的現(xiàn)場模型試驗(yàn)成為研究嵌巖樁豎向承載力和樁-巖共同作用規(guī)律的重要手段[3]。本文以樁嵌入軟巖的室內(nèi)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ),作了3組嵌巖樁模型試驗(yàn),參考現(xiàn)有嵌巖樁研究理論[4-6],每組試樁采取嵌巖比分別為3 D、6 D和9 D,研究樁徑和嵌巖比對(duì)嵌巖單樁承載性能的影響。對(duì)實(shí)測結(jié)果,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,分析嵌巖深度與單樁承載性能的影響效應(yīng)。

1 模型樁試驗(yàn)方案

1.1 樁體

樁體采用廠家加工的紫銅管作為芯材,環(huán)氧砂漿作為樁材,并沿著樁長方向在外側(cè)對(duì)稱開凹槽,槽長、寬皆為6 mm,在槽內(nèi)以一定間距貼設(shè)4個(gè)應(yīng)變片,兩側(cè)對(duì)稱張貼,采用半橋接線法,每根樁共張貼8個(gè)應(yīng)變片,小心引出導(dǎo)線,并做好保護(hù)和絕緣措施。在每根樁端中心采用直徑30 mm,量程為2 MPa的微型電阻應(yīng)變式土壓力盒,用硅膠將土壓力盒與樁底粘結(jié)。

1.2 樁周巖體

本次試驗(yàn)選用的樁周巖體采用砂子、水泥、石膏粉、水以一定的配合比攪拌后形成混合砂漿?？紤]各材料配比不同,模擬巖體的強(qiáng)度也會(huì)不同,為確定各材料最適合的配比,在試驗(yàn)前已做多組配比試驗(yàn),最后確定砂子∶水泥∶石膏粉∶水=450∶100∶27∶60為模型試驗(yàn)所采用的配合比,據(jù)所做的試塊28 d后單軸抗壓強(qiáng)度為6 MPa，確定的模擬巖石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6 MPa,彈性模量為608 MPa。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中需要采集的數(shù)據(jù)有樁頂位移、樁身各截面應(yīng)變、樁底土壓力盒數(shù)據(jù)。其中各截面應(yīng)變值及土壓力盒數(shù)據(jù)采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集儀采集,樁頂位移采用DY20位移采集儀采集。澆筑完畢28 d 后進(jìn)行加載測試[5]。

3 模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

1)樁身截面軸力

通過測量各截面對(duì)稱兩側(cè)的應(yīng)變值,由下式(1)、(2)得出截面i平均應(yīng)變及截面軸力

(1)

Ni=EPAεi;i=1,2,3,4

(2)

式中：εI為第i截面對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值；

εi1,εi2為第i截面對(duì)稱兩側(cè)的應(yīng)變值；

EP為樁身混凝土的彈性模量；

A為樁身截面面積；

Ni為第i截面樁身軸力。具體見表1。

表1 模型樁試樁參數(shù)

2)樁側(cè)阻力和樁端阻力

將外加荷載QS分為樁側(cè)摩阻力QS和樁端阻力QP兩部分考慮

Q=QS+QP.

(3)

在試驗(yàn)測試中,樁端阻力為末端位置處樁身軸力。見圖1、圖2。

圖1 模型試驗(yàn)樁樁身示意圖

圖2 A組樁頂荷載-位移關(guān)系

3)每一樁段側(cè)摩阻力

根據(jù)每一截面的軸力值可算得第i段樁節(jié)的側(cè)摩阻力Qsi,若將Qsi除以截面面積A便可得到第i段樁側(cè)平均側(cè)摩阻力。

Qsi=Ni-Ni+1.

(4)

4)截面的軸向位移

根據(jù)樁頂位移實(shí)測值S和各截面之間的軸向應(yīng)變?chǔ)舏,可由下式計(jì)算第j截面在荷載作用下的位移：

(5)

式(5)中：Sj為第j截面在荷載作用下的位移；

S為對(duì)應(yīng)樁頂荷載下的相應(yīng)位移；

Li為第i樁段樁長。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

考慮到模型試驗(yàn)柱與工程樁的不同,本次試驗(yàn)結(jié)合加壓油泵的額定加載值,以樁頂位移加載到30 mm所對(duì)應(yīng)的荷載為最終加載值來研究全嵌巖模型樁的承載性能。

3.2.1 模型嵌巖樁樁頂荷載Q與對(duì)應(yīng)位移S關(guān)系 曲線分析

圖3 B組樁頂荷載-位移關(guān)系

圖4 C組樁頂荷載-位移關(guān)系

由圖2～4可知,模型樁的Q-S關(guān)系曲線形狀與典型的嵌巖樁靜載試驗(yàn)結(jié)果基本相似。當(dāng)以樁頂位移30 mm作為控制條件時(shí),由上圖反映的關(guān)系可知,對(duì)同一組模型嵌巖樁,當(dāng)樁徑相同時(shí),試樁的荷載-位移關(guān)系曲線會(huì)隨著嵌巖比的增大而逐漸變得平緩；在相同的樁頂荷載作用下,其樁頂位移呈現(xiàn)出隨嵌巖比的增大而減小的現(xiàn)象,而當(dāng)樁頂荷載較大時(shí),這一現(xiàn)象變得更加明顯；當(dāng)模型樁樁徑為試樁的最小樁徑60 mm時(shí),其樁頂位移隨著荷載的增大而增速較快,對(duì)比其他兩組試驗(yàn)說明,若過多削弱嵌巖樁的樁徑會(huì)對(duì)嵌巖樁的承載力產(chǎn)生非常大的不利影響。

當(dāng)樁徑相同而嵌巖比不同時(shí),其樁頂荷載增加量見圖5。反映出嵌巖比的增加對(duì)樁頂荷載的變化影響不大；反之，在相同的嵌巖比情況下,若提高嵌巖樁的樁徑,達(dá)到相同樁頂位移時(shí),需要的樁頂荷載將會(huì)大幅度增加。

圖5 嵌巖比及樁徑對(duì)樁頂荷載的影響關(guān)系

圖6 A1樁身軸力傳遞曲線

3.2.2 模型嵌巖樁樁身軸力與樁側(cè)摩阻力分析

根據(jù)測得的樁身截面應(yīng)變,得到樁身沿深度方向的軸力曲線,見圖6。根據(jù)公式(4)亦可計(jì)算得到各級(jí)荷載作用下樁-巖接觸面的側(cè)摩阻力分布曲線,進(jìn)而可以得到各級(jí)荷載作用下各樁段的樁側(cè)摩阻力分布形式。此處由于篇幅原因,不畫出。

(一) 第A組(樁徑D=60 mm)見圖7、圖8。

圖7 A2樁身軸力傳遞曲線

圖8 A3樁身軸力傳遞曲線

(二) 第B組(樁徑D=80 mm)，見圖9～11。

圖9 B1樁身軸力傳遞曲線

圖10 B2樁身軸力傳遞曲線

圖11 B3樁身軸力傳遞曲線

(三) 第C組(樁徑D=100 mm),見圖12～14。

從上述樁身軸力曲線可以看出,各組模型試驗(yàn)中,相鄰兩級(jí)荷載對(duì)嵌入軟巖巖層較淺處軸力影響較大,隨后隨著樁深度方向增加逐漸遞減,最后一級(jí)荷載下的軸力曲線皆較接近前一級(jí)荷載下的軸力曲線。說明樁側(cè)摩阻力已基本趨于穩(wěn)定,是樁身整體沉降增加的緣故。這也可以從上述的樁頂荷載-位移關(guān)系曲線上得到反映。

對(duì)每個(gè)樁段來說,隨著荷載的增加,各樁段軸力差先不斷增大,到一定程度后達(dá)到極限值,然后隨荷載增加而不斷減小,樁側(cè)摩阻力隨荷載的增加而增加,并且在加載過程中,側(cè)摩阻力主要分布于樁身的上部區(qū)域,形成上大下小的側(cè)摩阻力分布形式。樁頂位移控制為300 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁身側(cè)摩阻力與樁端阻力分配關(guān)系，見表2。

圖12 C1樁身軸力傳遞曲線

圖13 C1樁身軸力傳遞曲線

圖14 C1樁身軸力傳遞曲線

在樁頂豎向荷載作用下,首先要克服樁與樁周巖土相對(duì)位移產(chǎn)生的摩阻力,在樁頂荷載沿樁身向下傳遞過程中,必須不斷克服這種側(cè)摩阻力,因此樁身截面軸力隨深度逐漸減小,如果樁側(cè)摩阻力不足以支撐上述樁頂荷載,則不足部分會(huì)逐漸向下傳遞。由表2可以看出,樁端荷載占樁頂荷載百分比隨嵌巖比n的增加而減小,嵌巖比越大,端阻發(fā)揮的作用越小,樁頂荷載主要依靠側(cè)摩阻力承擔(dān),當(dāng)3

本次試驗(yàn)采用三種樁徑D=60 mm,80 mm,100 mm,三種嵌巖比n=3,6,9,其與樁側(cè)摩阻力關(guān)系見圖15、圖16。

表2 樁側(cè)摩阻力與樁端阻力分配關(guān)系

圖15 不同樁徑及嵌巖比與樁側(cè)摩阻力關(guān)系

圖16 不同樁徑及嵌巖比與側(cè)阻分擔(dān)荷載關(guān)系

4 結(jié) 語

本文對(duì)嵌巖樁進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn),建立了3組不同樁徑和嵌巖比的嵌巖樁模型,探討了模型嵌巖樁承載性能與樁長、樁徑、嵌巖比的關(guān)系,得出如下結(jié)論：

1)模型嵌巖樁隨著樁身直徑的增加,能夠有效地提高豎向承載能力,且提高的幅度比通過簡單的增加嵌巖比的方法要高很多。

2)當(dāng)樁徑相同,嵌巖比不同時(shí),樁端承受荷載的能力隨嵌巖比n的增大而減小,當(dāng)3

3)在其他條件相同時(shí),樁側(cè)摩阻力隨樁徑的增加而降低,樁身軸力傳遞能力隨著嵌巖比n的提高也有所降低。