PHC管樁抗剪試驗研究

吳 鋒，許耀金，張 潔，蘇靜波

(1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

近年來，PHC管樁成為我國水運工程應(yīng)用最為普遍的樁型之一，但是高樁碼頭的PHC管樁基礎(chǔ)時常因為無法承受由于地震以及岸坡變形產(chǎn)生的剪力荷載，導(dǎo)致樁頂與上部結(jié)構(gòu)連接處的局部開裂和斷裂，在地基土體中軟硬土層的交匯處，PHC管樁也容易因為抗剪承載力不足而發(fā)生剪切破壞。但是，目前國內(nèi)規(guī)范中并沒有給出統(tǒng)一的PHC管樁抗剪承載力的計算方法，國內(nèi)外對于PHC管樁抗剪承載力的試驗較少。本研究對3根型號為PHC800B110-5的管樁進(jìn)行抗剪試驗，研究剪切破壞過程，得到抗裂剪力和極限剪力值，并進(jìn)行對比分析。

1 試驗方案

1.1 試驗概況

進(jìn)行抗剪試驗的3根管樁型號為PHC800B110-5，混凝土強度等級為C80，樁長為5 m，預(yù)應(yīng)力鋼棒采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為1 420 MPa的螺旋肋鋼棒。管樁螺旋箍筋為6 mm冷拉低碳刻痕鋼絲，抗拉強度設(shè)計值為500 MPa。管樁螺旋箍筋加密段間距為45 mm，普通段為80 mm，管節(jié)兩端1.5 m范圍內(nèi)箍筋的螺距為45 mm，實際抗剪試驗樁是由1根15 m的管樁切成3段而成，編號為J1～J3。J1和J3管樁的一端有端板，J2管樁無端板。管樁主要參數(shù)見表1。

表1 管樁主要參數(shù)

(1)

式中：r為圓截面半徑；rs為縱向預(yù)應(yīng)力鋼棒所在圓周半徑。

J1和J2管樁的剪跨按規(guī)范中剪跨與樁徑相等進(jìn)行設(shè)置[4]。試驗中，J1和J2管樁的豎向荷載加載點距離支座800 mm，J3管樁豎向荷載加載點距離支座620 mm。

1.2 試驗裝置

試驗樁采用帶懸臂的單跨簡支梁型，J1和J2管樁支座兩端懸臂為1.2 m，兩支點間距2.6 m，J3管樁支座兩端懸臂為1.38 m，兩支點間距2.24 m，均采用2個集中力進(jìn)行加載，加載點間距為1 m。加荷設(shè)備均為1臺公稱張拉力為3 975 kN的油壓千斤頂，使用千斤頂油壓表控制加載量級，加載方式見圖1，現(xiàn)場布置見圖2。

圖1試驗樁結(jié)構(gòu)加載試驗(單位：mm。下同)

圖2 現(xiàn)場布置

1.3 位移計和應(yīng)變花

試驗在管樁兩端、兩邊支座處、跨中位置和加載點的下方共7個位置布置位移計進(jìn)行位移測量，位移測試采用數(shù)顯式百分表，其量程為25.4 mm，精度為0.01 mm。安裝位置如圖1所示。

應(yīng)變測量通過粘貼在混凝土表面的電阻式應(yīng)變片組成的應(yīng)變花測量，型號為BX120-100AA，電阻為(120.2 ±0.1)Ω，尺寸為100 mm×3 mm(柵長×柵寬)，靈敏系數(shù)為(2.08±1)%。布置在管樁支座和加載點之間剪跨段的應(yīng)變花用于測量管樁樁身混凝土表面的最大主應(yīng)力和主應(yīng)力角度。

樁身應(yīng)變花布置見圖3。在管樁受剪區(qū)域的中間位置布置45°×3應(yīng)變花，J1、J2管樁前后左右各粘貼3組應(yīng)變花，一共12組應(yīng)變花，編號范圍為1～12。J3管樁前后左右各粘貼2組應(yīng)變花，一共8組應(yīng)變花，編號從1～8。在每級荷載加載完成之后用靜態(tài)應(yīng)變測試儀記錄每一級荷載下混凝土的應(yīng)變值。

圖3 試驗樁樁身應(yīng)變花布置

1.4 加載方案

試驗加載程序依參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計，按照抗裂剪力20%的級差由零加載至抗裂剪力的80%，每級荷載持續(xù)時間為3 min；然后按照抗裂剪力的10%級差繼續(xù)加載至抗裂剪力的100%。每級荷載持續(xù)時間為3 min，觀察是否有裂縫出現(xiàn)，測定并記錄裂縫寬度。如果在抗裂剪力的100%時未出現(xiàn)裂縫，則按抗裂剪力的5%級差繼續(xù)加載至裂縫出現(xiàn)，隨后繼續(xù)以相同級差加載至破壞。每級荷載的持續(xù)時間為3 min，測定并記錄裂縫寬度。

在加載過程中第1次出現(xiàn)裂縫時，應(yīng)取前一級荷載值作為抗裂荷載實測值；當(dāng)在規(guī)定的荷載持續(xù)時間內(nèi)第1次出現(xiàn)裂縫時，應(yīng)取本級荷載值與前一級荷載值的平均值作為抗裂荷載實測值；當(dāng)在規(guī)定的荷載持續(xù)時間結(jié)束后第1次出現(xiàn)裂縫時，應(yīng)取本級荷載值作為抗裂荷載實測值。極限剪力荷載的確定與抗裂剪力荷載確定方法相同。

管樁破壞標(biāo)準(zhǔn)參考以下幾點:1)剪跨段鋼棒斷開；2)剪跨段混凝土出現(xiàn)較大碎裂；3)剪跨段最大裂縫寬度達(dá)到1.5 mm；4)繼續(xù)加載但荷載值不再增加。在每一級荷載加載完成之后記錄下管樁裂縫的開展情況和撓度表的讀數(shù)，應(yīng)變花的測試數(shù)據(jù)由靜態(tài)應(yīng)變測試儀自動收集。在加載至管樁預(yù)計開裂的剪力荷載值之前開始觀察管樁的開裂情況，發(fā)現(xiàn)管樁樁身裂縫后即開始在每一級剪力荷載加載完成之后記錄管樁樁身裂縫情況，并使用裂縫測寬儀測量裂縫寬度。圖4 為試驗加載級數(shù)-荷載關(guān)系。

圖4 試驗加載級數(shù)-荷載關(guān)系

2 試驗結(jié)果分析

2.1 開裂

3根PHC管樁抗剪承載力試驗的結(jié)果見表2，試驗之后PHC管樁的裂縫情況見圖5～7，管樁破壞之后的情況見圖8?？梢园l(fā)現(xiàn)，PHC管樁斜截面破壞特征只在支座內(nèi)邊緣比較明顯，主要開裂區(qū)域的裂縫基本呈管樁軸線方向。管樁破壞均發(fā)生在箍筋間距為80 mm的管段，主要是靠近下部支座內(nèi)側(cè)混凝土被壓碎，支座切入管樁，出現(xiàn)明顯的斜向裂縫。

表2 PHC管樁試驗結(jié)果

J1管樁在第5級荷載加載完成后，管樁剪跨區(qū)域中部出現(xiàn)微裂縫，其他周圍區(qū)域未出現(xiàn)裂縫，相應(yīng)的剪力荷載為393 kN。從圖5可知，抗剪試驗過程中共出現(xiàn)22條裂縫，裂縫按出現(xiàn)的時間順序編號，大致沿著管樁樁身橫向分布，第1條裂縫出現(xiàn)在管樁后面左側(cè)支座處。加載至639 kN和663 kN時管樁出現(xiàn)巨響，主要是由鋼棒和混凝土脫開導(dǎo)致的，同時混凝土出現(xiàn)裂縫，管樁破壞前一級最大裂縫編號為1#和2#，寬度為0.6 mm，圖8a)為破壞試驗結(jié)束后的J1管樁現(xiàn)場裂縫和破壞情況。

J2管樁在第4級荷載加載完成后，管樁剪跨區(qū)域中部出現(xiàn)微裂縫，其他周圍區(qū)域未出現(xiàn)裂縫，相應(yīng)的剪力荷載為295 kN，剪力加載至970 kN后，管樁在右側(cè)支座處發(fā)生剪切破壞，支座貫入管樁內(nèi)部，管樁內(nèi)壁隆起。從圖6可知，抗剪試驗過程中共出現(xiàn)22條裂縫，裂縫按出現(xiàn)時間順序編號，大致沿著管樁樁身縱向分布，第1條裂縫出現(xiàn)在管樁后面左側(cè)支座處。裂縫位置比較均勻地分布在支座兩側(cè)，剪力加載至614 kN時出現(xiàn)巨響，加載至737 kN發(fā)現(xiàn)管樁端部裂縫貫通處預(yù)應(yīng)力鋼棒出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，如圖8d)所示。管樁破壞前一級最大裂縫編號為1#，寬度為1.2 mm，圖8b)為破壞試驗結(jié)束后的J2管樁現(xiàn)場裂縫和破壞情況。

J3管樁在第6級荷載加載完成后，發(fā)現(xiàn)管樁剪跨區(qū)域中部出現(xiàn)微裂縫，其他周圍區(qū)域未出現(xiàn)裂縫，相應(yīng)的剪力荷載為442 kN。從圖7可知，抗剪試驗過程中共出現(xiàn)14條裂縫，裂縫按出現(xiàn)時間順序編號，大致沿著管樁樁身軸向分布，第1條裂縫出現(xiàn)在管樁后面右側(cè)支座處。裂縫位置比較均勻地分布在支座兩側(cè)，管樁破壞前一級最大裂縫編號為2#，寬度為0.7 mm，圖8c)為J3管樁現(xiàn)場裂縫和破壞情況。

圖5 J1管樁裂縫開展情況

圖6 J2管樁裂縫開展情況

圖7 J3管樁裂縫最終分布情況

注：同一裂縫延展后編號不變。圖8 管樁裂縫

2.2 剪跨段應(yīng)力

由J1管樁的應(yīng)變花數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場觀察可知，管樁在樁身剪力為442 kN持荷時開裂，管樁產(chǎn)生的裂紋通過樁身應(yīng)變花，取上一級剪力荷載393 kN作為抗裂剪力。由圖9a)可知：1號應(yīng)變花在管樁開裂之前的最大主應(yīng)力為3.42 MPa。由圖9b)可知：2號應(yīng)變花在管樁開裂之前測得的樁身最大剪應(yīng)力為2.87 MPa，并且同一側(cè)3個應(yīng)變花在管樁開裂之前的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的數(shù)值曲線基本重合，開裂進(jìn)入塑性變形后，2號和3號測點應(yīng)力增長明顯，靠近支座的3號應(yīng)變花首先失效，說明管樁剪跨段混凝土表面應(yīng)力狀態(tài)在彈性階段的變化基本相同，越靠近支座處的測點受剪切影響越大。由圖9c)可知：主應(yīng)力角度隨著樁身應(yīng)變花的位置由上往下依次增大，說明管樁開裂面與樁身軸線所形成的夾角由上往下依次變大，與實際裂縫測量結(jié)果相同。同時，主應(yīng)力角度隨著剪力荷載的增大逐漸減小，說明管樁開裂面與樁身軸線所形成的夾角隨著剪力荷載的增大逐漸減小，當(dāng)管樁出現(xiàn)開裂面之后，管樁極有可能出現(xiàn)近似水平的裂縫。

注：主應(yīng)力和剪應(yīng)力均為除去管樁自重和配重影響之外的附加應(yīng)力，當(dāng)組成應(yīng)變花的一個應(yīng)變片因為開裂而失效后，則不再計該應(yīng)變花數(shù)據(jù)。

圖9J1管樁測點應(yīng)力

由應(yīng)變花數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場觀察可知，J2、J3管樁的樁身抗裂剪力分別為295 kN和442 kN。由圖10～11可知，在管樁開裂之前J2、J3管樁的最大主應(yīng)力分別為4.8 MPa和10 MPa，最大剪應(yīng)力分別為2.61 MPa和4.04 MPa，主應(yīng)力、剪應(yīng)力、主應(yīng)變角度的變化趨勢與J1樁基本一致。在J1和J2管樁的最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力圖中可見，開裂之前，中部測點試驗值大于底部測點試驗值，這可能是由于管樁在支座壓力作用下，前期的側(cè)向膨脹變形較大而造成中部應(yīng)力較大，而后逐漸以剪切破壞為主，靠近支座的底部測點應(yīng)力迅速增大并提前破壞。

圖10 J2管樁測點應(yīng)力

圖11 J3管樁測點應(yīng)力

2.3 撓度

圖12為加載過程中3根試驗樁的跨中荷載-撓度曲線。由圖12可知：在管樁開裂之前，荷載-撓度曲線基本為直線，撓度隨著荷載的增加而發(fā)生線性變化，并且3根管樁在開裂之前的直線斜率基本一致，3條曲線基本重合；管樁開裂后，撓度曲線逐漸呈非線性發(fā)展，并且隨著剪力荷載的增大，撓度增加幅度變大，曲線逐漸趨于水平。試驗過程中，由于J1管樁在安裝的時候千斤頂加載點沒有完全在管樁軸線正中心，所以有可能使得J1管樁的極限剪力試驗值偏小。

圖12 跨中荷載-撓度曲線

3 PHC管樁抗裂剪力和極限剪力對比

根據(jù)10G 409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁圖集》規(guī)定，計算試驗樁的受剪承載力設(shè)計值為491 kN。通過與試驗抗裂剪力值對比可以發(fā)現(xiàn)，試驗管樁的抗裂剪力值小于管樁圖集中的抗裂剪力值。由于3根試驗樁為同時制作，因此可能存在預(yù)壓應(yīng)力未達(dá)要求或局部材料強度偏弱的情況。對于J2樁，抗裂剪力明顯小于另外2根對應(yīng)值，因此還可能與無箍筋加密段有關(guān)；對于J1樁，抗裂剪力偏弱還可能與安裝精度有關(guān)。

另外，對于部分學(xué)者的抗剪試驗，采用了帶有鋼箍或者一側(cè)全約束的試驗裝置，從而減弱了管樁受壓產(chǎn)生側(cè)向膨脹力作用，這對抗裂剪力結(jié)果也會產(chǎn)生一定的影響[6-7]。

3根試驗樁的試驗抗裂剪力和極限剪力值結(jié)果見表3。從表3可知，破壞時極限剪力大約是抗裂剪力的2～3倍，管樁在開裂之后到發(fā)生破壞仍然具有一定的承載能力。剪跨取截面有效高度的J3管樁試驗剪力結(jié)果均不弱于其他2根樁，說明對于按剪跨比為1設(shè)計的抗剪試驗，剪跨取截面有效高度是比較穩(wěn)妥的。

表3 PHC管樁抗剪試驗抗裂剪力和極限剪力對比

4 結(jié)論

1)管樁開裂前，PHC管樁剪跨段混凝土的主應(yīng)力角度隨著剪力荷載的增大逐漸減小，最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力隨著剪力荷載的增加趨于同速率線性增長；開裂至破壞期間，剪跨段最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力急劇增大，靠近支座處的應(yīng)力變化最大。

2)PHC管樁破壞時以支座處混凝土剪切破壞為標(biāo)志，PHC管樁在開裂之后到發(fā)生破壞仍然具有一定的承載能力。

3)對于按剪跨比為1設(shè)計的抗剪試驗，剪跨取截面有效高度是比較穩(wěn)妥的。