錐形帽單樁豎向承載力模型試驗(yàn)研究

鄧友生,宋 虔,張克欽,李文杰,馬二立,吳阿龍

1. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 陜西 西安,710054;2. 西安科技大學(xué)樁承結(jié)構(gòu)研究中心, 陜西 西安,710054)

通過改變傳統(tǒng)圓樁的橫截面形狀獲得橫截面異形樁,能實(shí)現(xiàn)在不增加混凝土用量的條件下加強(qiáng)樁的承載力[1]。X形[2-3]、Y形[4]、擴(kuò)底形[5]、錐形[6-7]及塑料波紋套管樁[8]等異形樁可將更多的上部荷載轉(zhuǎn)化成水平推力作用于樁周土上,因此已得到廣泛應(yīng)用。本課題組[1]基于梅花型樁和圓形樁相關(guān)理論,研究了梅花型混凝土樁截面的幾何特性。張蕾等[9]利用試驗(yàn)數(shù)據(jù),深入分析了大直徑擴(kuò)底樁的尺寸效應(yīng)。錐形帽樁是一種具有錐形樁頭的變截面樁,能在一次操作中實(shí)現(xiàn)錐形樁帽與剛性圓柱樁身的關(guān)聯(lián),從而保證樁的連續(xù)性。在相同混凝土用量條件下,采用錐形帽樁可增加樁-土接觸面積,充分發(fā)揮地基土和樁身的承載潛能,故而該類樁常用于既有軟基路堤改擴(kuò)建工程,又因其能解決新舊路段之間的差異沉降問題,所以也適用于道路擴(kuò)寬工程。

錐形帽樁樁帽部分的受力特征類似于錐形樁。Norlund等[10]通過試驗(yàn)研究了錐形樁的承載性能,結(jié)果表明,該樁的承載能力超過等截面樁;劉杰等[11]的研究表明,在單位承載力相同的條件下,使用錐形樁可以節(jié)省約80%的材料成本;趙明華等[12]基于荷載傳遞法,推導(dǎo)出路堤荷載作用下帶錐形樁帽復(fù)合地基中的樁土應(yīng)力比計算公式;Daniel等[13]借助數(shù)值模擬,研究了錐形帽樁在工程中的應(yīng)用。不過,相關(guān)研究大多針對錐形樁的受力特性與材料利用率,將錐形結(jié)構(gòu)作為樁帽應(yīng)用時的錐形帽樁受力特征卻鮮有報道。有鑒于此,本文開展了等截面樁、方形帽樁及錐形帽樁室內(nèi)模型對比試驗(yàn),在分析樁頂沉降曲線、樁身軸力分布、樁側(cè)摩阻力曲線以及荷載分擔(dān)比等試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)探究錐形帽樁的豎向承載機(jī)理,以期為錐形帽樁的合理推廣和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 模型及材料

試驗(yàn)在西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)結(jié)構(gòu)大廳進(jìn)行。因?yàn)槔孟嗨评碚摽梢宰畲蟪潭鹊販p少研究經(jīng)濟(jì)成本和試驗(yàn)周期,并且不受場地條件的限制,所以設(shè)定幾何尺寸相似比為第一基本量,重度相似比為第二基本量,以這兩個基本量為基礎(chǔ)可得出其它變量的相似比[14],表1所列為本研究設(shè)定的具體模型試驗(yàn)參數(shù)相似比。

以等截面樁、方形帽樁和錐形帽樁的模型為研究對象。模型樁為木樁,采用預(yù)埋方式成樁。3種樁體積近似相等,約為939.67 cm3,模型尺寸及實(shí)物見圖1。試驗(yàn)所用模型箱是由型鋼和鋼化玻璃組成的無蓋長方箱體(見圖(2))。該箱體長、寬、高分別為4.0、2.0 、1.7 m。其中箱體長邊所在的兩個側(cè)面為透明鋼化玻璃材質(zhì),另兩個側(cè)面為型鋼所制,底面為加肋鋼板,鋼板厚度為20 mm。土體用土取自臨潼某工地,采用人工分層夯實(shí)至壓實(shí)系數(shù)λc不低于0.9,壓實(shí)后通過環(huán)刀取土,試驗(yàn)土性參數(shù)見表2。

(a) 模型尺寸

(b) 模型實(shí)物

圖2 模型箱

表2 土樣參數(shù)

1.2 加載裝置及數(shù)據(jù)采集

在模型樁表面粘貼全橋應(yīng)變片,測得樁身應(yīng)變后通過計算得到樁身軸力分布及側(cè)摩阻力曲線。試驗(yàn)加載裝置為2 t的油壓千斤頂。采用慢速維持荷載法逐級加載,荷載直接加至樁頂平面,每級荷載為0.5 kN。各級荷載沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)以及終止加載條件依照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的規(guī)定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為東華測試DH3821型靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。在加載過程中,自動實(shí)時采集應(yīng)變片和位移計的數(shù)據(jù),每秒采集30次。圖3所示為數(shù)據(jù)采集時的測點(diǎn)布置、測點(diǎn)實(shí)物、應(yīng)變采集儀以及實(shí)際現(xiàn)場。

(a) 測點(diǎn)布置

(b) 測點(diǎn)實(shí)物

(c) 應(yīng)變采集儀

(d) 試驗(yàn)現(xiàn)場

2 結(jié)果及分析

2.1 荷載-沉降曲線

等截面樁、方形帽樁和錐形帽樁的荷載-沉降曲線如圖4所示。由圖4可見,在荷載較小的初始階段,3種樁型的沉降量幾乎相同;當(dāng)樁頂荷載達(dá)到1.0 kN時,等截面樁、方形帽樁、錐形帽樁的沉降值依次為4.57、 3.91、3.91 mm,等截面樁與方形帽樁、錐形帽樁的沉降量已略有差異;隨著荷載繼續(xù)增加,3種樁型的沉降形式差異明顯,等截面樁沉降速度明顯加快,表現(xiàn)出指數(shù)增長模式,而方形帽樁和錐形帽樁沉降變形平緩,形變增速不明顯;當(dāng)荷載為2.5 kN時,等截面樁沉降速度進(jìn)一步加快,此時已達(dá)到其極限承載力,當(dāng)荷載為3.0 kN時,方形帽樁的荷載-沉降曲線也出現(xiàn)明顯破壞特征,而錐形帽樁的極限承載力達(dá)到了3.5 kN,相比等截面樁與方形帽樁相應(yīng)值分別提高了40.0 %和16.7 %。這是因?yàn)殄F形樁帽通過傾斜的樁身將部分垂直荷載轉(zhuǎn)化成水平推力,緊密聯(lián)系樁周土體產(chǎn)生協(xié)同作用,更好地發(fā)揮樁土整體承載能力,從而減小了沉降量。

圖4 荷載-沉降曲線

2.2 樁身軸力分布

圖5所示為錐形樁帽區(qū)受力狀態(tài)。由圖5可知,錐形樁帽區(qū)樁身軸力ρz與樁身法向軸力ρ的關(guān)系為:

ρz=ρcosα

(1)

等截面樁、方形帽樁和錐形帽樁在豎向荷載作用下的樁身軸力分布以及三者在工況為1.0 kN時的樁身軸力對比如圖6所示。由圖6(a)可見,隨著頂部荷載的增加,等截面樁樁身軸力相應(yīng)增大。在同一荷載下,盡管等截面樁從樁頂?shù)綐兜滋幍妮S力逐漸減小,呈近似線性下降趨勢,但樁底軸力仍然較大,表明樁側(cè)承載能力有限,仍需樁底承擔(dān)較多荷載。這可能是因?yàn)槟Ｐ蜆兜拈L度僅60 cm,且長徑比為13,摩擦力的作用受限,樁底阻力得到了充分發(fā)揮。由圖6(b)可見,隨著頂部荷載的增加,方形帽樁樁身軸力相應(yīng)增大。在同一荷載下,樁身從樁頂至樁底的軸力先增大后減小,拐點(diǎn)出現(xiàn)在樁身距樁頂10 cm處。由圖6(c)可見,隨著頂部荷載的增加,錐形帽樁樁身軸力相應(yīng)增大。在同一荷載下,樁身從樁頂至樁底的軸力先迅速減小,然后在錐形樁帽和樁身關(guān)聯(lián)處放慢減速直至樁底。由圖6(d)可見,在工況均為1.0 kN的條件下,錐形帽樁與等截面樁軸力分布最主要的差異在于,隨著深度增加,錐形帽樁的樁帽部分軸力明顯減小。從材料利用角度來看,樁體截面尺寸設(shè)計需要考慮樁身軸力最大處。當(dāng)樁頂承擔(dān)軸力隨樁長增加而變大時,將導(dǎo)致一定深度范圍內(nèi)的軸力較小,從而造成材料浪費(fèi)。而錐形樁帽樁在樁帽部位的軸力較大,在樁帽和樁身關(guān)聯(lián)處往下的軸力分布較為均勻,能更好地滿足軸力越大,相應(yīng)部位材料用量越多的設(shè)計原則,通過優(yōu)化樁身結(jié)構(gòu)能提高樁體的經(jīng)濟(jì)效益。因試驗(yàn)用土較厚且沉降時間有限,存在部分欠固結(jié)問題,導(dǎo)致了負(fù)摩阻力的產(chǎn)生。從圖6(d)中還可看出,錐形帽樁樁身最大軸力值出現(xiàn)在樁頂,從樁頂?shù)骄鄻俄?0 cm處的軸力由0.88 kN減至0.72 kN,而方形帽樁樁身相應(yīng)位置的軸力則在負(fù)摩阻力作用下由0.65 kN增至0.72 kN,且該值就是方帽樁樁身軸力最大值。土對方形帽樁產(chǎn)生的豎向應(yīng)力分量值等于樁土之間的摩阻力。至于錐形帽樁,其錐帽處受到樁土之間的法向應(yīng)力,僅在錐帽以下樁身部分的應(yīng)力值等于樁土之間的摩阻力,該部分負(fù)摩阻力與方形帽樁相比減小了很多,這表明錐角能有效減小負(fù)摩阻力對樁體的影響,使樁體的承載能力得到更充分的發(fā)揮。

圖5 錐形樁帽受力狀態(tài)

(a) 等截面樁 (b) 方形帽樁

(c) 錐形帽樁 (d) 樁身軸力對比

2.3 樁側(cè)摩阻力

根據(jù)試驗(yàn)中采集到的樁身應(yīng)變片數(shù)據(jù)計算出相鄰應(yīng)變片的應(yīng)變差值,在此基礎(chǔ)上可求得樁側(cè)摩阻力,摩阻力計算公式為:

q=EAp(εi-εi+1)/As

(2)

式中:q為樁側(cè)平均摩阻力,E為樁身彈性模量,Ap為樁橫截面面積,εi為樁身第i個應(yīng)變片的應(yīng)變值,εi+1為樁身第i+1個應(yīng)變片的應(yīng)變值,As為樁身第i個應(yīng)變片到第i+1個應(yīng)變片之間的樁側(cè)表面積。

對錐形樁帽區(qū)的側(cè)摩阻力受力分析可參照圖5,即先按式(2)計算得到樁身法向側(cè)摩阻力q,再換算成樁帽區(qū)側(cè)摩阻力qz,換算公式為:

qz=qcosα

(3)

圖7所示為等截面樁、方形帽樁和錐形帽樁在分級荷載作用下的樁側(cè)摩阻力曲線。由圖7可見,等截面樁和圓柱帽樁的側(cè)摩阻力均隨埋深的增加而不斷增大,而錐形帽樁的側(cè)摩阻力在錐帽位置沿錐面向下逐漸減小,在樁身處隨埋深的增加而逐漸增大。這是因?yàn)闃额^的傾斜造成樁土間豎向相對運(yùn)動減弱,樁帽處摩擦力減小,負(fù)摩阻力發(fā)揮受限,更多荷載轉(zhuǎn)移至樁頂,使樁頂處的側(cè)摩阻力得到更好的發(fā)揮,短期內(nèi)即可達(dá)到最大值。

(a) 等截面樁樁身側(cè)摩阻力曲線

(b) 方形帽樁樁身側(cè)摩阻力曲線

(c) 錐形帽樁樁身側(cè)摩阻力曲線

2.4 荷載分擔(dān)比

樁基的承載力由樁側(cè)阻力和樁底阻力兩部分組成。了解樁體承載能力的占比有助于分析在豎向荷載作用下樁體的受力情況,并確定單樁的極限側(cè)阻力和端阻力。定義樁頂荷載為Q,樁側(cè)阻力為Qs,對等直徑樁和錐形樁帽樁的側(cè)阻力占比Qs/Q進(jìn)行分析。圖8所示為等截面樁、方形帽樁和錐形帽樁的樁側(cè)阻力占比隨著樁頂荷載的變化情況。由圖8可見,隨樁頂荷載的增大,等截面樁和方形帽樁的樁側(cè)阻力占比均呈明顯下降趨勢。相比之下,錐形帽樁的樁側(cè)阻力占比變化不大。當(dāng)樁頂荷載由0.5 kN增至3.0 kN時,錐形帽樁的樁側(cè)阻力占比由67.4%降至63.8%,期間平均值約65.0%。而等截面樁和方形帽樁在樁頂荷載為3.0kN時的樁側(cè)阻力占比分別為27.9%、40.0%,二者側(cè)摩阻力明顯低于錐形帽樁相應(yīng)值。當(dāng)樁頂荷載小于錐形帽樁極限承載力時,其樁土界面的摩擦阻力可以分擔(dān)一部分樁頂荷載,從而傳遞到樁底的荷載相比等截面樁明顯減少,這表明樁側(cè)摩阻力對錐形帽樁承載能力的提升發(fā)揮了重要作用,并證實(shí)錐形帽樁是一種摩擦樁。

圖8 側(cè)阻力占比

3 結(jié)論

(1)相較于等截面樁和方形帽樁,錐形帽樁的極限承載力分別提高了40.0%和16.7%。

(2)無帽等截面樁的軸力隨深度的增加呈近似線性減小;方形帽樁在樁頂局部出現(xiàn)負(fù)摩阻力,隨后軸力隨深度增加呈近似線性減小;錐形帽樁錐角的存在可以有效減少負(fù)摩阻力對樁的影響,使樁身截面積大的部位軸力大,截面積小的部位軸力小,從而軸力分布更加均衡。

(3)錐形帽樁的側(cè)摩阻力在錐帽位置沿錐面逐漸減小,在樁身處逐漸增大。這是因?yàn)殄F形樁頭傾斜造成樁土間豎向相對運(yùn)動減弱,樁帽處摩擦力減小,更多荷載轉(zhuǎn)移至樁頂,使樁頂處的側(cè)摩阻力得到更好的發(fā)揮,更早達(dá)到最大值。

(4)當(dāng)樁頂荷載為3.0 kN時,錐形帽樁的樁側(cè)阻力占比約為63.8%,較等截面樁與方形帽樁相應(yīng)值分別提高了128.3%和59.4%,表明錐形帽樁側(cè)摩阻力更大,整體表現(xiàn)為摩擦樁。