鋼管連接方式對鉆孔注漿鋼管樁軸壓承載性能影響的試驗研究

劉 戀，呂文龍，彭立順

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣州 510500）

0 引言

近年來，鉆孔注漿鋼管樁作為微型樁的一種，在基礎(chǔ)工程中的得到了越來越廣泛的應用[1-3]。由于設(shè)計樁長、施工空間以及鋼管規(guī)格的限制，實際工程中，每根鉆孔鋼管樁均需要通過多次接樁來實現(xiàn)設(shè)計樁長。對于鋼管的接長方式，現(xiàn)有規(guī)范及相關(guān)資料尚無明確的關(guān)于接樁方面的計算方法或規(guī)定，常用的鋼管接長連接方式的可靠性、連接性能、以及優(yōu)劣對比尚無定論。在工程實踐中則是依據(jù)施工單位或設(shè)計單位的經(jīng)驗選用不同的連接方式進行鋼管接長，常用的鋼管接長方式有鋼管對焊連接、外套鋼管連接、內(nèi)套鋼管連接、外焊鋼筋連接、外焊鋼筋+鋼管對焊連接、螺紋連接等連接方式。鑒于此，本文選用不同連接方式的鉆孔注漿鋼管樁試件進行軸向抗壓破壞試驗，以達到以下目的：①通過軸壓試驗的試件破壞形式，觀察選用的鋼管接頭的可靠性；②通過不同接頭形式的鉆孔注漿鋼管樁試件的軸壓試驗結(jié)果的對比，獲得鋼管連接方式的性能對比結(jié)果；③通過鋼管有接長的鉆孔注漿鋼管樁試件與完整鋼管的鉆孔注漿鋼管樁試件的軸壓試驗結(jié)果的對比，獲得鋼管接頭對鉆孔注漿鋼管樁承載能力的影響。通過對比試驗結(jié)果，初步得出鋼管接長對鉆孔注漿鋼管樁承載性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)計

本文對鉆孔注漿鋼管樁的鋼管接長采用對比試驗的方法進行研究。在其他條件均一致的條件下，制作若干組不同連接方式下的鉆孔注漿鋼管樁試件，同時準備一組完整鋼管制作的鉆孔注漿鋼管樁試件，并對各試件施加軸向壓力作用直至破壞，研究鉆孔注漿鋼管樁的不同連接方式對其抗壓承載力的影響。

按照工程實際情況，采用1:1的相似比制作5組試件（Φ250 mm鉆孔注漿鋼管樁，下入Φ165×5 mm的Q235-B級無縫鋼管）。所有試件加工完成后，按照鉆孔注漿鋼管樁的施工工藝進行澆筑。同時在澆筑試件時，留置3組同條件下32.5R水泥漿立方體試塊，在實驗前檢測水泥漿立方體抗壓強度。在鉆孔注漿鋼管樁試件澆筑完成且達到28天齡期后，對5組試件進行抗壓試驗，以獲取其破壞形態(tài)以及承載能力，后根據(jù)試驗結(jié)果進行相關(guān)分析計算。

1.2 試驗步驟

1.2.1 鋼管準備

準備5組Q235-B級Φ168×5 mm無縫鋼管試件，長度均為1 m。試驗選用的鋼管均為同一廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格、取得有關(guān)檢測單位的合格報告。其中1組鉆孔注漿鋼管樁試件采用完整鋼管，作為標準組；為保證試驗單一變量的模擬及更準確的分析接頭對樁身強度的影響，本次試驗采用的試件接頭均處于試件中部，故其余4組將鋼管在鋼管的中間部位截斷，分別進行按照外接套管、內(nèi)接套管、外焊鋼筋、外焊鋼筋加鋼管對焊四種鋼管接長連接。其連接如下表1所示。

表1 各試件連接情況Table 1 Connection of each test pipe

其中1#和2#試件，均為在鋼管外等間距焊接6Φ22的鋼筋，2#試件在鋼管對接區(qū)域進行對焊；3#及4#試件的接頭鋼管均采用的為Φ168×5無縫鋼管，通過將鋼管對開后，在鋼管內(nèi)外部進行焊接連接。制作好的鋼管試件如下圖1所示。

圖1 鋼管試件Fig.1 Test piece of steel pipe

由于鋼管對焊連接在實際工程中的鋼管下放環(huán)節(jié)，易因自重原因造成鋼管掉落，故本次研究未做對焊連接的鋼管試樣。本次采用的鋼管厚度較薄僅為5 mm，螺紋連接的攻絲環(huán)節(jié)易于切穿鋼管，亦未做螺紋連接的鋼管試件。

鑒于本項目研究階段，由我司承擔的某改造工程正在進行靜壓鋼管樁施工，故本項目組委托該項目部采購并按照實驗要求進行試件制作，并同時對本項目所采用的Q235-B級Φ168×5mm無縫鋼管送廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司進行鋼管力學性能、工藝性能檢驗，其檢驗結(jié)果如下表2所示。

表2 鋼管檢驗結(jié)果Table 2 Steel pipe inspection result

1.2.2 試件制作

為確保各試件的成樁直徑相同，采用Φ250 mm的PVC管模擬成孔孔徑，將Φ168×5 mm的無縫鋼管放入鋼管正中心，按照鉆孔注漿鋼管樁的施工工藝，在孔內(nèi)進行32.5R純水泥漿注漿施工。注漿至孔口返漿后，停止注漿。并在漿液初凝后，在孔口進行補漿，以確保樁孔內(nèi)漿液飽滿。試件制作完成后，PVC管保留，并每天進行灑水養(yǎng)護。試件完成后如下圖2所示。運至試驗機時，再剝落PVC管，剝落后鋼管樁試件如圖3所示。

圖2 試件制作Fig.2 Test piece production

圖3 試件成品Fig.3 Finished product

1.2.3 水泥漿立方體強度

32.5R水泥漿立方體試件標準養(yǎng)護28 d后，對試件進行立方體抗壓強度測定，測得其的立方體抗壓強度fcu=16.8 MPa。

1.2.4 抗壓試驗

試件澆筑完成并達到28 d齡期后，將試件運至廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司蘿崗試驗基地，將表面的PVC管切除，取出注漿鋼管樁試件1#~5#，準備進行抗壓破壞試驗。采用YAM-10000J壓剪試驗機進行本次抗壓試驗，其抗壓試驗過程如下，其試驗實景如圖4所示。

（1）將試件表面與上下承壓板面擦干凈。

（2）為了近似模擬樁周邊土體的約束情況，在試件外包裹一層土工布。

（3）采用Φ300 mm的橡膠波紋管將試件套好，確保試件破壞過程中周圍人員及環(huán)境的安全。

圖4 軸壓試驗Fig.4 Axial compression test

（4）為避免試件端部不平整造成試驗數(shù)據(jù)失真，同時為保證接觸面受力較為均勻，安裝時在試件頂部鋪設(shè)一層鋼墊板，再鋪設(shè)一塊橡膠墊塊。

（5）試件的承壓面應與成型時的頂面垂直。試件的中心應與試驗機下壓板中心對準。

（6）啟動壓剪試驗機，連續(xù)均勻地加荷。當試件接近破壞開始急劇變形時，應停止調(diào)整試驗機油門，直至破壞，然后記錄破壞荷載，采集試驗中力-時間（F-T）數(shù)據(jù)。

本次試驗中，試件有外套土工布以及Φ300 mm的橡膠波紋管，無法直接觀察到完整的破壞過程，故主要根據(jù)破壞后的試件狀態(tài)來進行分析。根據(jù)現(xiàn)場觀察，其破壞過程先是鉆孔注漿鋼管樁的保護層開裂直至剝落，后鋼管發(fā)生變形。

2 試驗結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)分析

依次對各試件施加軸向壓力作用直至破壞，各試件的破壞形態(tài)如下圖5所示：

圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Test piece failure form

根據(jù)以上5組鉆孔注漿鋼管樁試件的最終破壞形態(tài)，可見：

（1）所有試件均為首先發(fā)生保護層剝落，后鋼管發(fā)生彎曲變形。

（2）在達到破壞狀態(tài)時，標準試件5#試件（標準試件）發(fā)生彎曲變形，其變形最大處位于鋼管中部。

（3）1~4#共4組有接頭的鉆孔注漿鋼管樁試件，均是鋼管發(fā)生彎曲變形，且其變形最大處均為靠近接頭區(qū)域，所有鋼管的接頭均未出現(xiàn)破壞，而是在鋼管接頭上部約10~20 cm處出現(xiàn)彎曲變形。即試驗所采用的接頭方式均為有效連接方式，在樁身達到破壞情況下時，接頭依舊能有效傳遞豎向荷載。

2.2 變形曲線分析

在試驗機上讀取1~5#試件的力-時間的變形曲線，其實測極限值結(jié)果如下表3所示，其力-時間 （F-T）曲線如下圖6所示。

表3 各試件實測軸壓極限值Table 3 Actual axial pressure limit value of each test piece

圖6 試件的力-時間的變形曲線Fig.6 Force-time deformation curve of the test piece

從表3及圖7的結(jié)果可知，5#標準組的峰值荷載為1426 kN，而其余1~4#試件有接頭的鋼管樁試件，其峰值荷載在1097 kN~1246 kN的范圍內(nèi)波動。即在鋼管接頭的作用下，鉆孔注漿鋼管樁的軸壓承載能力會發(fā)生一定程度的折減，其折減率為11%~23%。

2.3 計算對比

鉆孔注漿鋼管樁的單樁豎向抗壓極限承載

可根據(jù) 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]的相關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，但樁身軸壓承載能力的計算， 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和 《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》[5]中均無相關(guān)規(guī)定。對于鉆孔注漿鋼管樁試件的軸壓承載實測極限值，本文按照 《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]類似的規(guī)定與之進行計算對比。

由于規(guī)范中的鋼管及鋼管混凝土的承載力計算結(jié)果是獲得設(shè)計值，而實測鋼管樁的軸向抗壓承載力為極限值，為便于對比，本次分析鋼管以其強度極限值進行計算，混凝土以其實測屈服強度進行計算。

根據(jù)鋼管材料送檢報告，本次研究采用的Q235-B級Φ168×5無縫鋼管的屈服強度分別為310 MPa及295 MPa，按照實測平均值302.5MPa進行計算，根據(jù) 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）條文說明3.4.1-1，Q235級鋼材的抗力分項系數(shù)為1.087，則鋼管的極限強度為302.5×1.087=328.8Mpa。32.5R水泥漿立方體試件的立方體抗壓強度fcu=16.8Mpa，按照 《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.2節(jié)內(nèi)容計算鋼管混凝土柱的軸壓承載力極限值：

根據(jù)本項目實際情況，混凝土強度低于C50則 [θ]=1，將公式中的設(shè)計值全部用實測極限值替代，則：

按公式 （1） 進行計算：N0=0.9×46 503×16.8×（1+1.08+1.04）=2193 kN根據(jù)實驗結(jié)果，完整鋼管的鉆孔注漿鋼管樁單樁豎向抗壓承載力極限實測值為1426 kN，約為依據(jù) 《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》（CECS28-2012）計算出來的軸壓承載力理論極限值2193 kN的65%。

3.4 接頭對比

對接頭進行對比計算，按照截面承載能力進行比較，1#及2#接頭為6Φ25，接頭材料的承載極限值為912 kN，3#及4#接頭為Φ168×5mm的無縫鋼管，接頭材料的承載極限值為840kN。對比鋼筋接頭的鋼管樁試件 （1266 kN）與鋼管接頭的鋼管樁試件（1243 kN及1246 kN），其承載力極限值差別較小，即在接頭承載力提高的情況下，鋼管樁試件的軸壓承載力極限值提高較小，提高約為1.5%。

同時分別對比1#及2#、3#及4#的計算結(jié)果，2#試件由于垂直度有偏差，導致試驗結(jié)果出現(xiàn)了離散，無法有效對比；3#及4#試件的軸壓承載極限值差別僅為3 kN，即鋼管內(nèi)外接效果近似。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)試驗的試件破壞形態(tài)，變形最大處位于靠近鋼管接頭區(qū)域，所有鋼管的接頭均未出現(xiàn)破壞，而是在鋼管接頭上部約10~20 cm處出現(xiàn)彎曲變形。即本次試驗所選用的接頭剛度足夠，不會因接頭破壞而導致樁的整體破壞。

（2）通過對比5#完整試件與其余1#~4#存在連接的試件試驗結(jié)果，得出鋼管樁的連接會造成其自身抗壓承載力的折損，按照本次的連接方式，有連接的試件的鋼管樁的承載力折減率為11%~23%。

（3）通過對比抗壓試驗實測值與依據(jù) 《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》（CECS28-2012）得出的理論計算結(jié)果可知，完整鋼管的鉆孔注漿鋼管樁的單樁豎向抗壓承載力極限實測值約為理論極限值的65%。

（4）在鋼筋接頭承載極限值大于鋼管接頭的承載極限值的條件下，鉆孔注漿鋼管樁的單樁豎向抗壓承載力極限值提高不大，約為1.5%，即在接頭剛度足夠的前提下，鋼管樁的單樁豎向抗壓承載力極限值不因接頭剛度的加強而提高。在施工條件許可下，鉆孔注漿鋼管樁采用鋼管內(nèi)接或外接的連接方式，其承載能力近似。