素混凝土回填對鋼管樁單樁基礎水平承載力的影響分析

張波 董曉彥 屠海明

(1.上海郵電設計咨詢研究院有限公司 200092；2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司 上海200092)

引言

鋼管樁基礎作為一種成熟的基礎形式在港口工程、電力和通信等行業(yè)中有廣泛的應用，而鋼管樁單樁基礎作為其中一種，主要應用于承受水平荷載和彎矩的高聳結構。

常規(guī)鋼管樁單樁基礎在沉樁完成后將開挖的基坑用素土回填夯實；而市區(qū)道路附近的鋼管樁基礎工程，當周邊存在著較多的煤氣、給水或電力等重要管道時，為避免回填土夯實對管道產生不利影響，常采用素混凝土在無模板支護的情況下填充基坑。

本文將根據(jù)鋼管樁單樁基礎水平承載力試驗數(shù)據(jù)，分析素混凝土回填對鋼管樁單樁基礎水平承載能力的影響。

1 鋼管樁單樁基礎水平力承載力試驗

在軟土地基中對相鄰的兩根鋼管單樁進行水平承載能力試驗，分別記為1#、2#樁。兩根鋼管樁材質均為Q235B，樁長均為6m，樁徑均為0.5m，壁厚均為10mm。1#樁采用C15素混凝土在無模板支護的情況下回填，2#樁采用素土回填。基坑長寬均為1m，深2m。鋼管樁基礎尺寸如圖1所示，試驗現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 試驗現(xiàn)場Fig.2 Test site

試驗場地下方土體第1層為老填土，以粘性土為主，厚度在0.9m左右；第2層為粉質粘土，以粘性土為主，液性指數(shù)IL=0.61，厚度在2m左右；第3層為淤泥質粉質粘土，流塑，壓縮性高，液性指數(shù)IL=1.31，厚度在8.2m左右，地基土主要物理力學性質指標見表1。

表1 地基土主要物理力學性質指標Tab.1 Main physical and mechanical properties of soil

試驗采取在樁頂逐級施加和卸載水平力及彎矩的方法，待土體穩(wěn)定后讀取樁頂水平位移讀數(shù)，結果如圖3所示。在試驗過程中樁周邊土體均未產生明顯的塑性變形，所施加荷載未超出樁的水平承載力極限。

圖3 荷載-樁頂水平位移Fig.3 Load-horizontal displacement of pile top

試驗結果顯示，在樁頂施加水平力15.4kN、彎矩128kN·m的荷載，1#樁、2#樁樁頂水平位移分別為8mm、6.5mm，表明采用素混凝土回填的鋼管樁單樁基礎樁頂水平位移增大，水平承載能力下降。

2 素混凝土回填鋼管樁單樁基礎的計算分析

1#樁頂部采用素混凝土回填，行成的樁頭長寬均為1m，與樁身直徑差距不大，且樁頭和樁身形成一個整體共同抵抗頂部傳遞來的水平力和彎矩，故將1#樁按照變截面單樁基礎進行分析。

鄒貴華等[1]總結了變截面樁水平承載能力的變化規(guī)律，任士房等[2]給出了變截面樁樁身承載力和位移的計算方法，陳允銳[3]等驗證了鋼管樁基礎SAP2000軟件分析結果和數(shù)值分析結果的一致性。借鑒上述計算方法分析鋼管樁單樁基礎樁頂水平位移，在SAP2000中建立1#樁模型并在長度方向分為60段，每一段0.1m，在節(jié)點處施加彈簧約束來模擬土體提供的水平位移抵抗力，在樁頂施加上部荷載，在樁底施加豎向位移約束，計算分析模型如圖4所示。

圖4 1#樁計算模型Fig.4 Calculation model of pile 1

每一節(jié)點處施加的彈簧約束剛度K取值與樁身計算截面寬度和樁側地基土水平抗力系數(shù)有關[3]，并增加彈簧約束剛度折減系數(shù)來體現(xiàn)地基土擾動產生的不利影響:

式中:m為地基土水平抗力系數(shù)；z為彈簧約束施加位置的深度；φ為彈簧約束剛度折減系數(shù)；b0為計算截面寬度；Δh為樁身分段長度。

1.地基土水平抗力系數(shù)m取值

根據(jù)規(guī)范[4]和地基土的主要物理力學性能指標，第一層土屬于老填土，m1值取10000kN/m4；第二層土屬于可塑狀粘性土，m2值取10000kN/m4；第三層土屬于淤泥質土，m3值取4000kN/m4。

2.計算截面寬度b0取值

上層素混凝土回填部分截面為方形，根據(jù)李維樹等[5]的研究，方樁的計算截面寬度b0與樁的截面寬度b有關，并與截面高度h和樁側土體裂隙擴散角度θ有關，計算公式如下:

一般土體裂隙擴散角度為30°，而本工程因采用素混凝土在無支護措施下直接填充基坑的施工方法，缺乏混凝土養(yǎng)護措施，且沒有采用素土回填夯實，混凝土終凝后產生的收縮會降低其與周邊土體的結合力，導致素混凝土回填部分側面無法有效傳遞摩擦力給周邊土體，故取樁側土體裂隙擴散角度為0°，由此可得素混凝土回填部分計算截面寬度為:

下層鋼管樁計算截面寬度可直接按規(guī)范[4]進行計算:

3.彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取值

采用素混凝土回填對周邊土體產生的擾動，除了影響樁身計算截面寬度外，同時會降低土體對樁水平位移的抵抗能力，故增加折減系數(shù)φ以考慮抵抗能力的變化。其取值與施工過程產生的擾動有關，擾動越大，φ的取值越??；下部未擾動的土體不進行折減，取φ=1.0。

按上述方法可計算出樁身各節(jié)點的彈簧約束剛度，當素混凝土換填部分的彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取0.3時，部分節(jié)點的數(shù)值見表2。

表2 1#樁換算彈簧剛度(部分節(jié)點)Tab.2 The equivalent spring stiffness of pile 1(part node)

3 計算與試驗結果對比分析

首先利用第2章方法分析2#樁，因未采用素混凝土換填，在彈簧約束剛度計算時樁身計算寬度通長取1.125m，彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取1.0。建立模型分析后得到2#樁的樁頂水平最大位移為6.59mm，與實測值6.5mm的誤差為1.5%，證明計算合理。

對存在土體擾動的1#樁，參照表2數(shù)據(jù)，按照素混凝土回填部分彈簧約束剛度折減系數(shù)φ分別取值0.3、0.4、0.7和1.0四種情況進行分析，并將位移計算結果與試驗結果進行對比，結果如圖5所示。

圖5 1#樁荷載-樁頂水平位移曲線Fig.5 The curve of pile1# about load-horizontal displacement of pile top

從圖5可以得出，當φ取值為1.0即土體無擾動時，在樁頂水平力15.4kN、彎矩128kN·m的荷載下，樁頂水平位移計算值為5.0mm，小于2#樁的位移實測值6.5mm，這證明1#樁頂部進行素混凝土回填后可以提高樁身剛度，如頂部混凝土基礎部分按常規(guī)方法進行施工養(yǎng)護并在周邊采用素土回填夯實，基礎水平承載力會顯著提高。

隨著土體擾動的增加，樁頂水平位移逐步放大，樁身水平承載能力相應降低；當體現(xiàn)擾動情況的彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取值0.3時，在樁頂水平力15.4kN、彎矩128kN·m的荷載下，樁頂水平位移理論計算值為8.26mm，與試驗實測值8mm的誤差為3.25%，且樁頂水平位移曲線能夠包絡試驗結果，計算數(shù)值與試驗結果基本吻合。

4 結論

1.在軟土地基中進行的鋼管樁單樁基礎水平力承載試驗表明，鋼管樁頂部小面積范圍內采用素混凝土回填會降低樁身水平承載力。

2.用SAP2000進行鋼管樁單樁基礎受力分析時，可利用彈簧約束來模擬地基土對樁基礎產生的側向抗力，并可以通過彈簧約束剛度折減系數(shù)來體現(xiàn)土體擾動產生的不利影響。

3.計算分析采用素混凝土回填的鋼管樁單樁基礎時，素混凝土回填部分的樁身計算截面寬度取實際截面寬度，彈簧約束剛度折減系數(shù)φ取0.3，樁頂水平位移計算結果與試驗相近。