PHC管樁單樁抗壓和抗拔對比試驗研究

張發(fā)佳

（福建省三明農(nóng)業(yè)學校，福建 三明365500）

1 引言

預應力高強度混凝土管樁（簡稱PHC 管樁）常被用來承受下壓或上拔荷載，已在國內(nèi)外各類巖土工程中得到了廣泛應用[1～3]。與常規(guī)灌注樁相比：PHC 管樁采用工廠化預制生產(chǎn)，能夠較好地保證樁身質(zhì)量；管樁機械化施工速度快，不需要進行混凝土養(yǎng)護，可有效縮短施工工期；PHC 管樁施工過程一般沒有大范圍的土方開挖和泥漿排放，有利于施工場地范圍的環(huán)境保護。此外，PHC 管樁的樁身混凝土強度等級高、抗腐蝕能力強。

地基與基礎之間的相互作用具有時空效應，基礎承載性能受地質(zhì)條件、基礎型式、荷載工況等多種因素的影響。相同地基條件下不同類型基礎型式、同一個基礎型式在不同的地基條件下、同一個基礎型式在不同荷載工況下的承載性能往往都會存在一定的差異。大量研究表明，對不同地質(zhì)條件、不同樁基型式而言，其抗壓與抗拔承載條件下的荷載-位移特征、受力特性和樁周土體側阻力發(fā)揮均有所不同?？傮w上看，相對于各類樁基抗壓承載性能研究而言，樁基礎抗拔承載性能研究相對滯后。國內(nèi)外實際工程設計中，一般都是采用土體抗壓極限側摩阻力乘以抗拔折減系數(shù)估算抗拔樁的極限承載力[5～9]。然而，對復雜地質(zhì)條件下的PHC 管樁抗壓和抗拔承載性能對比研究工作顯得更少。本文開展了河漫灘復雜地質(zhì)條件下的3 根PHC 管樁單樁抗壓和3 根PHC 管樁單樁抗拔靜載荷現(xiàn)場對比試驗，并且在基礎施工過程中進行了高應變法跟蹤檢測初打和復打監(jiān)測，據(jù)此分析了PHC 管樁抗壓和抗拔的荷載-位移特性及河漫灘地基承載性能，可為河漫灘復雜地質(zhì)條件下的PHC 管樁設計和施工提供參考。

2 場地條件

現(xiàn)場試驗場地為河漫灘，較為平整。地質(zhì)勘察結果表明，該場地淺層以淤泥為主，深層以粉質(zhì)黏土和粉砂為主，地下水以孔隙性潛水為主。施工和試驗期間的地下水位約為1m。試驗場地的地層分布及其主要物理力學性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗場地的地層分布特征及其性質(zhì)

3 基礎設計

試驗用PHC 管樁型號相同，樁型均為600AB（130）型，樁長19m。試驗PHC 管樁共6 根，其中3 根用于單樁抗壓承載力試驗，分別記為C1、C2和C3，3 根單樁用于抗拔承載力試驗，分別記為T1、T2和T3。

樁長19m 的PHC 管樁試驗單樁均有2 節(jié)組成，第1 節(jié)樁長12m，第2 節(jié)樁長7m，2 節(jié)樁之間采用機械嚙合接頭。圖1 給出了抗拔試驗基礎結構及其尺寸示意圖。

如圖1 所示，為方便試驗過程中上拔荷載施加以及位移傳感器布置，將PHC 管樁單樁試驗基礎頂部設計為承臺及基礎立柱結構，承臺和立柱均采用正方形，其中基礎承臺平面尺寸為1.0m×1.0m，厚度為0.6m，基礎立柱為0.6m×0.6m，高度為1.2m，露出地面0.2m。同時，在基礎立柱中布置了4 根地腳螺栓，作為抗拔試驗連接件與試驗反力系統(tǒng)連接。PHC管樁單樁抗壓試驗基礎結構及其尺寸與圖1 所示的抗拔基礎類似，二者不同之處在于，抗壓試驗基礎立柱中沒有布置地腳螺栓。

圖1 試驗基礎結構及尺寸

試驗中所有PHC 管樁混凝土強度等級為C80。為加強PHC 管樁單樁與承臺立柱部分的連接，所有PHC 單樁試驗基礎設計時均將預應力鋼筋錨入承臺且樁頭埋入承臺0.2m。同時，所有PHC 單樁均采用了鋼筋混凝土填芯措施，填芯部分縱向鋼筋按基樁拉力計算，并采用螺旋箍筋加強，填芯長度5d（d為PHC 管樁外徑），可提高樁接頭點延性與抗變形能力。

4 基礎施工與測試

所有PHC 管樁單樁均采用D45 柴油錘進行錘擊法施工，按標高和貫入度雙重控制，并以標高為主，錘擊壓應力不大于混凝土抗壓強度設計值。

施工過程中同時開展了振動噪聲測試，以分析PHC 管樁打樁施工對周圍環(huán)境影響程度。測點按距打樁點由近及遠順序布置，分別為5m、10m、15m、20m、30m、40m、50m、60m 和70m，以后按10m 遞增。噪聲測試按照規(guī)范[10]要求進行。振動噪聲測試結果表明，距離施工場界200m 以外，噪聲降至70dB（A）。

此外，基礎施工過程還采用了高應變法對試樁首先進行跟蹤檢測（初打）。由于場地含水量較大，初打過程中PHC 管樁周圍土體未能充分固結，側摩阻力和端阻力發(fā)揮很小。因此，在樁基休止過一段時間后，再次對試樁進行高應變檢測（復打），通過對管樁復打檢測結果和初打檢測結果的比較，得到承載力恢復系數(shù)（樁周土阻力恢復系數(shù)）。高應變初打和復打檢測結果對比如表2 所示，土阻力恢復系數(shù)平均值為1.55。

表2 高應變法試驗和靜載荷試驗對比分析結果

5 試驗系統(tǒng)及加載方案

所有PHC 管樁抗壓和抗拔承載力試驗均采用錨樁提供反力。抗壓和抗拔試驗系統(tǒng)包括反力基礎、反力鋼梁、千斤頂及相關連接螺栓與墊板等。

所有試驗均采用慢速維持荷載法[11～13]。以試驗基礎水平承載力設計值的1/10 為增量，進行荷載分級，確定每一級荷載增量。第1 級水平力加載量為分級荷載增量的2 倍，此后各級荷載按分級荷載增量，進行等量逐級加載，加載過程中可自動加載、補載與恒載。試驗前，在試驗基礎立柱下壓力和上拔力荷載方向?qū)ΨQ布置4 個量程為50mm、精度為0.01mm 的電子位移傳感器，以測試各級荷載作用下基礎的下壓和上拔位移值。試驗過程中通過樁基靜載荷測試分析儀，控制荷載施加并進行位移的自動記錄。取4 個電子位移傳感器實測結果平均值作為相應荷載等級對應位移，分別繪制抗壓試驗荷載-位移曲線和抗拔試驗荷載-位移曲線，以研究相應基礎的承載性能。

6 試驗結果與分析

試驗獲得的基礎荷載-位移曲線充分體現(xiàn)了地基基礎體系承載和變形性狀。

從圖2 所示的抗壓荷載-位移曲線可看出，3 根單樁抗壓荷載-位移曲線均呈圖“緩變型”變化規(guī)律，由于試驗中抗壓試驗加載到試驗系統(tǒng)最大承載能力1 650kN 后，便停止了加載。因此，抗壓荷載-位移曲線僅存在處于初始彈性直線段和彈塑性曲線過渡段，尚未達到直線破壞段，也均未達到40mm 的極限位移。取最大的加載量作為單樁極限承載力，可將1 650kN作為本次PHC 管樁單樁試驗基礎的抗壓極限承載力，對應下壓位移為7.14mm。單樁抗壓荷靜載荷試驗和高應變法試驗對比分析結果如表2 所示，結果表明：試驗場地條下PHC 管樁單樁豎向抗壓動靜對比系數(shù)均值為1.23。

圖3 為3 根PHC 管樁單樁試驗基礎抗拔荷載-位移曲線。

從圖3 中試驗基礎抗拔荷載-位移曲線均呈“陡變型”變化規(guī)律，可取陡變起點荷載作為相應試驗基礎的抗拔極限承載力，則T1、T2和T3的抗拔極限承載力分別為880kN、800kN和800kN，對應上拔位移分別為9.43mm、8.96mm 和7.96mm。取其平均值826.7kN 作為本次PHC 管樁單樁試驗基礎抗拔極限承載力，對應平均位移為8.78mm。

圖2 PHC 管樁單樁實測抗壓荷載- 位移曲線

圖3 PHC 管樁單樁實測抗拔荷載- 位移曲線

假設PHC 管樁單樁抗壓和抗拔承載力樁側摩阻力提供，根據(jù)樁土體系荷載傳遞機理，樁側阻力一般是自上而下逐步發(fā)揮的，樁側阻力發(fā)揮值與樁土相對位移量密切相關。根據(jù)試驗基礎施加荷載大小，計算每一級下壓和上拔荷載作用下的樁側摩阻平均值，可繪制出如圖4 所示的樁土界面?zhèn)饶ψ枇ζ骄惦S基頂位移變化曲線。

圖4 表明PHC 管樁單樁下壓狀態(tài)下樁土界面平均極限側阻力值為46.1kPa，而對應的上拔狀態(tài)下平均極限側阻力值為23.1kPa，即試驗條件下，PHC 管樁樁土界面上拔平均極限側阻力值是下壓狀態(tài)下極限側阻力的50.1%。根據(jù)樁土體系荷載傳遞機理，單樁抗壓和抗拔承載力主要由樁側摩擦阻力提供。根據(jù)試驗基礎施加荷載大小，可計算每一級下壓和上拔荷載作用下的樁側摩阻平均值。計算表明：PHC 管樁單樁下壓狀態(tài)下樁土界面平均極限側阻力值為46.1kPa，而對應的上拔狀態(tài)下平均極限側阻力值為23.1kPa，即試驗條件下，PHC 管樁樁土界面上拔平均極限側阻力值是下壓狀態(tài)下極限側阻力的50.1%。由此可得到試驗場地土體抗拔側摩阻力折減系數(shù)平均值為λ＝0.501?？箟簶杜c抗拔樁荷載傳遞機理有所不同，這主要是二者之間的樁側摩阻力發(fā)揮的差異所造成。研究表明，造成這種差異的內(nèi)在原因很多，其中樁周土的泊松效應、剪脹性及主應力方向旋轉(zhuǎn)是重要影響因素[14,15]。

圖4 PHC管樁單樁抗壓抗拔試驗實測荷載- 位移曲線

7 結論

1）PHC 管樁單樁抗壓和抗拔荷載-位移曲線呈現(xiàn)不一樣的變化規(guī)律?？箟汉奢d-位移為“緩變型”變化規(guī)律，存在初始彈性直線段和彈塑性曲線過渡段。而抗拔荷載-位移曲線則呈“陡變型”變化規(guī)律。

2）根據(jù)PHC 管樁單樁抗壓和抗拔荷載-位移曲線變化規(guī)律，采用不同的極限承載力確定方法得到本試驗中河漫灘場地樁長為19m 的600AB(130)型PHC 管樁單樁下壓極限承載力和位移為1650kN、7.14mm，對應樁土界面平均極限側阻力值為46.1kPa?？拱螛O限承載力和位移為826.7kN、8.78mm，對應平均極限側阻力值23.1kPa。試驗場地抗拔側摩阻力折減系數(shù)為0.501。

3）綜合分析試驗基礎高應變法跟蹤檢測初打和復打以及抗壓承載力試驗結果表明，試驗河漫灘場地土阻力恢復系數(shù)平均值為1.55，單樁豎向抗壓動靜對比系數(shù)均值為1.23。