關(guān)于水泥土加芯抗拔樁理論分析

廖曉忠

水泥土加芯抗拔樁是一種新型的抗拔樁，具備抗拔承載力大，耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)。本文首先從理論上對水泥土加芯抗拔樁的受力、破壞形式及計(jì)算模型進(jìn)行分析，最終對水泥土加芯抗拔樁設(shè)計(jì)過程的承載力、直徑、變形的計(jì)算進(jìn)行分析。

一、引言

水泥土加芯抗拔樁是一種新型的抗拔樁，主要由兩部分組成：加芯混凝土及鋼絞線、水泥土外芯。其施工工藝為，先用旋噴樁或者攪拌樁工藝施工水泥土樁，然后在水泥土的中心成孔并放置鋼絞線，澆筑混凝土。水泥土加芯抗拔樁通過混凝土與水泥土，水泥土與土體之間的摩阻力提供整體抗拔力。

二、水泥土加芯抗拔樁受力分析及特點(diǎn)

水泥土加芯抗拔樁與常規(guī)混凝土抗拔樁及常規(guī)抗浮錨桿最大的區(qū)別在于其樁體存在兩個(gè)粘結(jié)面，即混凝土與水泥土粘結(jié)面、水泥土與土體粘結(jié)面。樁體中心區(qū)域的加芯混凝土能夠承載較大中心應(yīng)力，避免因中心應(yīng)力過大造成樁體破壞，外部水泥土樁體承載應(yīng)力較小，但直徑較大，因此水泥土與土體粘結(jié)面同樣能夠承載較大的抗拔力。同時(shí)水泥土加芯抗拔樁為壓力型抗拔樁，桿體鋼絞線采用無粘結(jié)鋼絞線，端頭力通過鋼絞線傳遞到樁體底端混凝土上，發(fā)揮作用時(shí)樁體混凝土全部處于受壓狀態(tài)，并不同于一般抗拔樁的受拉狀態(tài)。但是施工時(shí)需要對鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力以解決因無粘結(jié)鋼絞線受拉變形造成端頭位移過大的問題。

1.用鋼絞線作為抗拔樁桿體能夠減少材料成本

鋼絞線材料承載力大，在同樣承載力情況下，采用鋼絞線作為抗拔樁桿體比采用鋼筋作為桿體能夠更經(jīng)濟(jì)。

2.混凝土加芯樁體具備更高的強(qiáng)度，能夠有效提高樁體整體承載力

如果單純采用水泥土材料作為樁體，因其強(qiáng)度太低，其與鋼絞線共同作用時(shí)容易發(fā)生破壞，內(nèi)部鋼絞線容易被地下室腐蝕、銹化。

3.外層水泥土樁體能夠在盡可能減少成本的情況下增加抗拔樁的整體承載力，同時(shí)能夠增加樁體的耐久性。

通過混凝土、水泥土、土體的界面過度能夠更經(jīng)濟(jì)地增加樁體整體承載力，而且外部水泥土能夠阻隔地下室對桿體的腐蝕、銹化，提高樁體的耐久性。

三、水泥土加芯抗拔樁破壞形式分析

由于水泥土加芯抗拔樁由中心混凝土樁體、外層水泥土樁體兩部分組成，因此其破壞形式主要分為兩種情況：

1.混凝土與水泥土界面發(fā)生破壞

加芯混凝土強(qiáng)度相對較高，外力作用情況下不易發(fā)生破壞，相對于加芯混凝土，混凝土與水泥土界面更容易發(fā)生破壞。當(dāng)外力作用使水泥土的應(yīng)力超過其強(qiáng)度時(shí)，水泥土樁體發(fā)生破壞。

2.水泥土與土體交界面發(fā)生破壞

外力作用情況下，若土體應(yīng)力優(yōu)先于水泥土應(yīng)力到達(dá)臨界值，土體發(fā)生破壞。

四、水泥土加芯抗拔樁計(jì)算模型分析

1.剪切變形法

Cooke（1974）通過倫敦粘土的抗壓樁試驗(yàn)，提出了摩擦樁的荷載傳遞物理模型。此模型也適應(yīng)于樁在承受上拔荷載時(shí)的剪切變形特性。假定在上拔荷載P的作用下，樁土不產(chǎn)生相對滑移，樁土相對位移全部由土體的剪切變形承擔(dān)。假定樁側(cè)上下土層之間沒有相互作用，當(dāng)樁身受到上拔荷載作用時(shí)，樁身向上移動(dòng)，周圍土體也隨之發(fā)生剪切變形，剪應(yīng)力τ從樁側(cè)表面沿徑向向四周擴(kuò)散到周圍土體中。與此模型相對應(yīng)的就是下圖的“套疊式”樁周土變形模式。

“套疊式”變形模式

單元應(yīng)力狀態(tài)

2.荷載傳遞法

這種方法把樁劃分成許多的彈性單元，每一單元與土體之間用非線性彈簧連接，以模擬側(cè)阻的傳遞關(guān)系；樁端處也用非線性彈簧與樁端土連接，以模擬樁端位移與反力的關(guān)系。

3.彈性理論法

彈性理論法假設(shè)土體是連續(xù)的、均勻的、各向同性的、完全彈性的，位移和形變是微小的，無初始應(yīng)力。具體方法是采用彈性半空間體內(nèi)部荷載作用下的Mindlin解計(jì)算土體位移，并采用樁體位移和土體位移的聯(lián)系條件建立靜力平衡方程式，以此求得樁體位移和樁身應(yīng)力分布。

以上三種計(jì)算模型，剪切變形法更適用于加芯混凝土水泥土抗拔樁的受力及變形計(jì)算，加芯混凝土與水泥土樁體可劃分為不同的單元用以計(jì)算。

五、水泥土加芯抗拔樁設(shè)計(jì)

1.水泥土加芯抗拔樁承載力設(shè)計(jì)

通過前述分析可見，決定水泥土加芯抗拔樁承載力的因素主要包括以下幾個(gè)方面：混凝土強(qiáng)度、水泥土強(qiáng)度、混凝土與水泥土界面摩阻力、水泥土與土體界面摩阻力。要確定水泥土加芯抗拔樁承載力首先就需要確定以上四個(gè)基本參數(shù)?；炷翉?qiáng)度特性現(xiàn)已較成熟，但是水泥土強(qiáng)度，混凝土與水泥土界面摩阻力，水泥土與土體界面摩阻力都需要采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行確定，因?yàn)椴煌瑓^(qū)域土體性質(zhì)均有所不同。

2.加芯混凝土與水泥土直徑確定

假設(shè)土體與水泥土之間摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為τ1，水泥土樁體直徑為R1，水泥土與混凝土之間摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為τ2，加芯混凝土直徑為R2。則：

τ1*R1=τ2*R2，由此可得R1/R2=τ2/τ1

3.水泥土加芯抗拔樁變形計(jì)算

可采用剪切變形法對樁體變形進(jìn)行計(jì)算。

六、結(jié)語

水泥土加芯抗拔樁作為新型的抗拔樁形式具備成本低、承載力大的特點(diǎn)，其既發(fā)揮了加芯混凝土樁體強(qiáng)度高的優(yōu)勢，同時(shí)又發(fā)揮了水泥土造價(jià)低的特征，具備較好的發(fā)展前景。水泥土加芯抗拔樁比常規(guī)混凝土抗拔樁及抗浮錨桿最大的優(yōu)勢在于這種樁型成本更低，受力形式更合理。其缺點(diǎn)在于參數(shù)的獲取以及受力計(jì)算相對較復(fù)雜。