鋼護筒嵌巖樁基聯(lián)合受力響應(yīng)特性試驗研究

陳貴發(fā) 朱峰

摘要：為了掌握鋼護筒樁基礎(chǔ)的受力特性與破壞機理，提高工程結(jié)構(gòu)的安全性，以某內(nèi)河直立碼頭項目為研究對象，開展了1∶20的室內(nèi)鋼護筒嵌巖樁模型試驗，分別對普通預(yù)制樁和鋼護筒預(yù)制樁進行了嵌巖豎向承載試驗和水平承載試驗，對比分析了有鋼護筒和沒有鋼護筒的條件下，樁體嵌巖深度對樁基承載性能的影響。分析結(jié)果表明，由于鋼-巖土界面的咬合力較弱，鋼護筒嵌巖樁的豎向承載力略小于普通嵌巖樁的豎向承載力;鋼護筒對樁身剛度的加強可以將樁頂水平荷載的作用效應(yīng)放大傳遞至鋼護筒下端面，導(dǎo)致下端面的混凝土呈水平向脆性剪切破壞，從而可能降低鋼護筒嵌巖樁的水平承載力。研究結(jié)果可以為鋼護筒嵌巖樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：港口工程;嵌巖樁;鋼護筒;模型試驗;承載力

中圖分類號：TU45文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03013

Abstract：In order to master the stress characteristics and failure mechanism of steel casing pile foundation and improve the safety of engineering structure， the 1∶20 indoor model test of rock embedded steel casing pile was carried out by taking an inland river vertical wharf as the research project. The vertical bearing test and horizontal bearing test of common precast piles and steel casing precast piles were carried out respectively， and the influence of rock embedded depth on the bearing capacity of pile foundation with and without steel casing. The results show that the vertical bearing capacity of the steel casing rock embedded piles is slightly less than that of the ordinary rock embedded piles due to the weak bite force of the steel-soil interface; the reinforcement of pile stiffness by steel casing can amplify the effect of horizontal load on pile top and transfer it to the lower end face of steel casing， resulting in horizontal brittle shear failure of concrete at the lower end face， which may reduce the horizontal bearing capacity of rock embedded piles with steel casing. The research results can provide data reference for the structural design of steel casing rock embedded pile wharf.

Keywords：port engineering; rock embedded pile; steel casing; model test; bearing capacity

近年來，得益于內(nèi)地大型水利設(shè)施的不斷完善，各大干線航道的通航水深條件均得到巨大改善[1-2]。長江航道沿途新增設(shè)了多個深水港口，內(nèi)河航運的優(yōu)勢得到了進一步充分發(fā)揮[3-4]?？蚣苁街绷⒋a頭作為一種可以通過分層系纜而適應(yīng)水位變化的水工結(jié)構(gòu)形式，在內(nèi)河港口建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。

受到施工工藝的影響，內(nèi)河碼頭施工過程中通常需要在泥質(zhì)岸坡中提前埋入鋼護筒直到基巖作為鋼筋混凝土樁基的成樁支護，然而在成樁完成后，鋼護筒一般直接保留于原地，從而形成鋼護筒嵌巖樁復(fù)合基礎(chǔ)[7]。與鋼筋混凝土嵌巖樁相比，鋼護筒嵌巖復(fù)合樁的不同組件之間具有明顯的協(xié)同受力特征[8]。現(xiàn)有的工程經(jīng)驗表明，鋼護筒的存在對提高施工便捷度和結(jié)構(gòu)剛度起到積極作用，但是鋼護筒顯著改變了結(jié)構(gòu)抗力分布的均勻性，從而使得結(jié)構(gòu)的破壞模式變得復(fù)雜而且難以預(yù)測。因此開展結(jié)構(gòu)受力特性研究有利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計承載力，提高工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠度。

已有研究[9]認為，鋼護筒嵌巖樁與普通鋼管混凝土樁相比，在承受的荷載類型上有巨大差異。普通混凝土樁，由于約束作用，而需要承受額外的彎矩，因此鋼套筒與混凝土之間的變形協(xié)調(diào)問題顯得格外突出，鋼護筒對混凝土樁基的保護機制顯得極為復(fù)雜[10]?，F(xiàn)有針對鋼護筒混凝土結(jié)構(gòu)的研究大多數(shù)集中在數(shù)值模擬計算和局部結(jié)構(gòu)試件試驗方面。如汪德隆等[11]參考數(shù)值計算的分析結(jié)果對鋼護筒樁的變形處理提出了應(yīng)對措施;曾定幫等[12]基于大量局部模型試驗的結(jié)果對鋼護筒灌注樁的施工過程提出了定量要求。從已有的研究報道看，針對鋼護筒灌注樁的整體模型試驗成果相對較少。

本文依托重慶港果園作業(yè)區(qū)二期擴建工程，通過室內(nèi)單樁的物理模型對比試驗，對內(nèi)河框架碼頭鋼護筒嵌巖樁基在豎向和水平力作用下的受力特性、樁基失效模式分別進行了研究，定量分析鋼護筒對結(jié)構(gòu)的加強作用，為類似工程提供參考案例。第3期陳貴發(fā)，等：鋼護筒嵌巖樁基聯(lián)合受力響應(yīng)特性試驗研究河北工業(yè)科技第38卷

1模型試驗

鋼護筒外側(cè)與地基土體直接接觸，內(nèi)側(cè)裹有鋼筋混凝土樁體結(jié)構(gòu)。在荷載作用下，鋼護筒與地基土之間必然會產(chǎn)生相對滑移等非線性作用;在荷載逐漸增大的過程中，鋼護筒與混凝土樁體之間同樣會在界面位置發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，從而在結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)上呈現(xiàn)不同特性[13]。為了對上述現(xiàn)象開展直觀定量的研究，本文選取1∶20作為模型試驗比尺，開展鋼護筒嵌巖樁的承載特性研究。

1.1試驗?zāi)Ｐ团c裝置

模型試驗中，依據(jù)相似規(guī)則，采用直徑100 mm，壁厚1 mm的鋼管模擬真實情況下的鋼護筒;樁芯混凝土采用M30水泥砂漿進行模擬，其質(zhì)量配合比設(shè)定為m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）=100∶176∶32;按照配筋率一致為標準，鋼筋主筋設(shè)置為4根，直徑4 mm;箍筋選用直徑0.1 mm鋼絲，間距設(shè)置為3 cm。配筋示意圖如圖1所示。

根據(jù)長江中下游的典型基巖特性[14]，泥巖的單軸抗壓強度約4 MPa，強風化狀態(tài)下的地基承載力可達到300 kPa。試驗中采用低強度混凝土來模擬基巖對樁的作用，選取質(zhì)量配合比m（水泥）∶m（粗骨料）∶m（細骨料）=100∶100∶400制作人工混凝土基巖，經(jīng)測試混凝土基巖的抗壓強度為300 kPa。

試驗中采用液壓千斤頂對樁體分別進行豎向與水平向加載，加載裝置如圖3所示。實施過程中采用逐級加載的方式進行控制[15-17]，每一級載荷大小為預(yù)估承載力的10%。實施過程確保荷載傳遞均勻有效，并以5 min內(nèi)位移響應(yīng)差值小于0.01 mm為加載穩(wěn)定的標準。

試驗中，在樁頂部及樁身側(cè)面布設(shè)傳感元件記錄加載過程中樁體不同部位的動態(tài)響應(yīng)過程。采用荷載傳感器與千斤頂串聯(lián)方式直接測量荷載大小;采用位移計測量樁頂?shù)目v橫向位移及地基位置處的橫向位移;采用應(yīng)變片測量樁身軸向應(yīng)變和地基橫向應(yīng)變。應(yīng)變片具體布置如圖4所示。

1.2試驗設(shè)計

為了對比分析鋼護筒及嵌巖深度對樁基承載性狀的影響，根據(jù)嵌巖深度，在有/無鋼護筒以及不同加載方向條件下，共設(shè)計12根模型樁，試驗?zāi)Ｐ蜆毒幪柤盎境叽鐓?shù)見表1。

表1中，樁的代號中，Z代表嵌巖深度：Z1，Z2和Z3分別代表嵌巖深度為300，400和500 mm;P代表有無鋼護筒：P1代表有鋼護筒，P2代表無鋼護筒。

2試驗結(jié)果分析

2.1樁基礎(chǔ)豎向承載力結(jié)果分析

為對比說明鋼護筒對嵌巖樁豎向受力與變形的作用，試驗選取了Z1P1（有鋼護筒）和Z1P2（無鋼護筒）2組結(jié)果進行對比，荷載-位移結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看到：在荷載加載至9 kN之前，2個試驗方案的豎向力-位移曲線幾乎重合，當豎向荷載進一步加大后，有鋼護筒的試驗樁（Z1P1）位移變化幅度大于Z1P2樁。經(jīng)過對試驗的分析可知，該結(jié)果是由于隨著豎向力的增加，鋼護筒逐漸被壓入地基中，但鋼與地基的咬合作用弱于混凝土與地基的咬合作用，因此豎向剛度隨著豎向位移的增加而逐漸減弱。對于豎向承載力亦是同理，由于鋼護筒的機械咬合力較弱，導(dǎo)致嵌巖樁的整體豎向承載力相比無鋼護筒的情況減小約10%。

為進一步說明鋼護筒對嵌巖樁側(cè)摩阻力的影響，試驗選取了Z2P1（有鋼護筒）和Z2P2（無鋼護筒）2組結(jié)果進行對比，樁身軸力沿著深度的變化結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，Z2P1樁與Z2P2樁側(cè)摩阻力分布均呈雙峰型。在巖面至樁身嵌巖深度1/3之間，側(cè)摩阻力得到充分的發(fā)揮。在樁身嵌巖深度1/3至2/3之間，樁側(cè)阻力均減小，但鋼護筒嵌巖樁的減小程度小于傳統(tǒng)嵌巖樁。在樁身嵌巖深度2/3至嵌巖底端之間，樁側(cè)摩阻力又因為復(fù)雜的端部土體變形而有所增加。從軸力分布結(jié)果來看，鋼護筒嵌巖樁的樁側(cè)摩阻力值變化較小，分布較為均勻。

2.2樁基礎(chǔ)水平承載力結(jié)果分析

為說明鋼護筒對嵌巖樁在橫向力作用下變形的影響，選取了Z4P1（有鋼護筒）和Z4P2（無鋼護筒）2組結(jié)果進行對比，其對應(yīng)的水平力-位移結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看到，對于模型樁Z4P1，當水平位移小于3 mm時，樁頂?shù)乃轿灰齐S橫向荷載的增加呈線性增大;當水平位移超過3 mm之后樁體水平承載力停止顯著增長，當樁頂?shù)乃轿灰平咏? mm時，水平荷載達到樁的水平極限承載能力。對于樁Z4P2，當水平位移超過6 mm之后則呈非線性變化;當樁頂?shù)乃轿灰平咏?5 mm時，樁體達到水平極限承載能力。從試驗結(jié)果看，鋼護筒嵌巖樁的水平極限承載能力約為0.4 kN，而傳統(tǒng)嵌巖樁的承載能力約為1.65 kN，這表明，在相同的嵌巖深度下，鋼護筒嵌巖樁的極限承載能力僅為普通嵌巖樁的1/4，另外2種嵌巖深度下的規(guī)律也基本一致。因此鋼護筒會大幅降低樁身的水平承載能力。

為比較不同嵌入深度對鋼護筒嵌巖樁的水平承載力的影響，選取了Z4P1（嵌入3D）、Z5P1（嵌入4D）和Z6P1（嵌入5D）3組試驗結(jié)果進行對比，其對比結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，3條曲線的斜率隨著嵌巖深度的增加而增加，這說明嵌巖深度的增大會提高樁體的水平變形模量;3個試驗樁的水平極限承載能力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，Z4P1的承載力為0.45 kN，Z5P1的承載力為0.70 kN，Z6P1的承載力降低為0.40 kN，結(jié)論說明嵌巖深度對樁基承載力的影響同樣是非線性的。

樁基破壞模式是影響樁體承載力的根本因素。本次試驗在完成水平向加載后，記錄普通樁和鋼護筒樁的失效狀態(tài)，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看到對于普通嵌巖樁，其在水平加載作用下的破壞面出現(xiàn)在泥面附近，與水平向呈45°，是典型的斜截面受彎破壞;鋼護筒嵌巖樁的破壞模式與混凝土樁相比存在顯著區(qū)別，由于鋼護筒的局部加強作用，護筒包裹區(qū)無顯著破壞，直到鋼護筒底部出現(xiàn)水平向失效面，呈典型的正截面剪切破壞。

結(jié)合樁基礎(chǔ)的破壞模式和受力與變形的實測結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)鋼護筒對混凝土的保護作用可以有效提高對應(yīng)區(qū)域的樁身剛度和強度。但是由此帶來的影響是來自樁頂部的荷載均傳遞至樁底部嵌巖段，因此結(jié)構(gòu)的整體承載力是由嵌巖段的強度決定的。在實際使用過程中，由于在彎剪聯(lián)合作用下樁結(jié)構(gòu)正截面缺少有效的抗力，導(dǎo)致沿著鋼護筒下邊緣的結(jié)構(gòu)截面承載力較低，甚至出現(xiàn)脆性破壞。因此鋼護筒樁基礎(chǔ)在設(shè)計過程中應(yīng)當充分考慮到這一點。

3結(jié)語

本文基于模型試驗的方法研究了鋼護筒對嵌巖樁受力變形以及承載力的影響，試驗采用分組對比的方法對不同荷載類型、不同荷載大小、不同嵌巖深度條件下嵌巖樁承載力和破壞模式在有/無鋼護筒狀態(tài)下的差異。得到的結(jié)論如下。

1）豎向荷載作用下，由于鋼-巖土界面的咬合力較弱，鋼護筒嵌巖樁的承載力略小于無鋼護筒的嵌巖樁。

2）水平荷載作用下，鋼護筒可以有效提高樁體的水平變形剛度，但是由于鋼護筒可以有效將頂部荷載放大傳遞至樁底部，因此樁底部的混凝土結(jié)構(gòu)強度和嵌巖深度對嵌巖樁水平承載力有較大影響;除此以外，鋼護筒嵌巖樁的破壞模式也與無鋼護筒樁存在差異，呈現(xiàn)水平截面剪切破壞的狀態(tài)。因此在后續(xù)工程中，建議鋼護筒的打設(shè)深度盡量短淺，以足夠形成護壁為標準，過大的深度會對樁基的破壞模式產(chǎn)生不利影響。

3）在水平力作用下，鋼護筒嵌巖樁的薄弱面位于鋼護筒下端面。因此在工程實踐中需要對該區(qū)域混凝土開展特殊的形狀與配筋設(shè)計，從而實現(xiàn)局部加固。

試驗研究僅考慮了單一荷載類型加載，在后續(xù)研究中可以進一步開展組合荷載試驗以獲得結(jié)構(gòu)連續(xù)的承載力包絡(luò)曲線。

參考文獻/References：

[1]高超， 侯士祥， 彭修權(quán)， 等. 杭州灣大橋大直徑鋼護筒變形處理[J]. 廣東公路交通， 2012（1）：10-14.

GAO Chao， HOU Shixiang， PENG Xiuquan， et al. Treatment for Large-diameter steel casing deformation of Hangzhou Bay bridge[J]. Guangdong Highway Communications， 2012（1）：10-14.

[2]唐斌華， 祝長春. 無鋼護筒清水鉆深水樁基施工技術(shù)簡介[J]. 公路交通技術(shù)， 2013（2）：71-73.

TANG Binhua， ZHU Changchun. Introduction of steel-case-free water drilling technique in construction of deep water pile foundation steel casing[J]. Technology of Highway and Transport， 2013（2）：71-73.

[3]李媛媛， 俞瑾， 曹平周. 超大直徑鉆孔灌注樁成樁過程的鋼護筒受力分析[J].三峽大學學報（自然科學版）， 2018， 40（1）：54-58.

LI Yuanyuan， YU Jin， CAO Pingzhou. Mechanical analysis of steel casing pipes of large diameter cast-in-situ bored pile′s pile-forming process[J]. Journal of China Three Gorges University（Natural Sciences），2018， 40（1）：54-58.

[4]楊衛(wèi)東， 第五龍. 海上大直徑超長雙護筒鉆孔灌注樁施工工藝[J].港工技術(shù)，2019，56（5）：101-105.

YANG Weidong， DI Wulong. Marine construction technology of large diameter super-long bored piles with double casing[J]. Port Engineering Technology， 2019， 56（5）：101-105.

[5]屈國. 橋梁鋼護筒參與樁基礎(chǔ)受力探討[J]. 遼寧省交通高等專科學校學報， 2011（5）：4-6.

QU Guo. The research on the steel-casing bearing load together with pile[J]. Journal of Liaoning Provincial College of Communications，2011（5）：4-6.

[6]唐勇. 鋼護筒對超長鉆孔灌注樁承載性能的影響[J]. 工程勘察，2012（7）：28-31.

TANG Yong. The influence of steel casing on behavior of over-long drilled pile[J]. Geotechnical Investigation & Surveying， 2012（7）：28-31.

[7]葉俊能. 海上大直徑超長鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工技術(shù)[J]. 湖南工業(yè)大學學報， 2008（2）：17-20.

YE Junneng. Basic construction technology of marine over-length and extra-large-diameter bored pile[J]. Journal of Hunan University of Technology， 2008（2）：17-20.

[8]黃炳章. 東海大橋海上大直徑鉆孔灌注樁成孔技術(shù)[J]. 廣州建筑， 2007（4）：38-40.

HUANG Bingzhang. The bored technology of large diameter bored pile on donghai bridge[J]. Guangzhou Architecture， 2007（4）：38-40.

[9]陳禮忠， 吳秋林. 海上超長超大直徑鉆孔灌注樁新工藝施工探索[J]. 建筑施工， 2005（9）：19-21.

CHEN Lizhong， WU Qiulin. Probing into new construction technology for extra long and large diameter bored pile at sea[J]. Building Construction， 2005（9）：19-21.

[10]吳澤生， 姚紅梅. 舟山連島工程金塘大橋主通航孔橋海上樁基施工[J]. 鐵道建筑，2007（1）：29-32.

[11]汪德隆， 何旭斌， 吳建中. 大直徑鉆孔樁鋼護筒變形及處理[J]. 橋梁建設(shè)， 2006（1）：66-69.

WANG Delong， HE Xubin， WU Jianzhong. Handling of deformation of steel casings for large diameter bored piles[J]. Bridge Construction， 2006（1）：66-69.

[12]曾定幫， 彭文祥. 東海大橋海上鉆孔灌注樁施工技術(shù)[J]. 探礦工程-巖土鉆掘工程， 2005（5）：31-32.

ZENG Dingbang， PENG Wenxiang. Elementary introduce to the construction technology of bored pile offshore[J]. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2005（5）：31-32.

[13]張雄文， 管義軍， 周建華. PHP泥漿在橋梁超長超大直徑鉆孔灌注樁施工中的應(yīng)用[J]. 巖石力學與工程學報， 2005（14）：2571-2575.

ZHANG Xiongwen， GUAN Yijun， ZHOU Jianhua. Application of PHP slurry to drilling of overlength and extra-large-diameter bored piles[J]. Chinese Journalof Rock Mechanics and Engieering，2005（14）：2571-2575.

[14]李顯明， 朱旭初. 江陰長江大橋北塔基礎(chǔ)鉆孔樁施工[J]. 橋梁建設(shè)， 1998（2）：27-28.

LI Xianming， ZHU Xuchu. Bored pile construction of north tower foundation of Jiang yin Yangtze River Bridge[J]. Bridge Construction， 1998（2）：27-28.

[15]程曄， 夏佩云， 王法武. 混合樁水平抗彎剛度研究[J]. 特種結(jié)構(gòu)， 2015， 32（6）：79-82.

CHENG Ye， XIA Peiyun， WANG Fawu. Study on the horizontal bending rigidity of hybrid pile[J]. Special Structures， 2015， 32（6）：79-82.

[16]蘇彥， 周記名， 譚維佳. 樁端注漿超長灌注樁的極限承載力研究[J]. 河北工業(yè)科技， 2021， 38（2）： 129-135.

SU Yan， ZHOU Jiming， TAN Weijia. Research on ultimate bearing capacity of end-grouting super-long cast-in-place pile[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2021， 38（2）： 129-135.

[17]甘傳奇. 嵌巖樁現(xiàn)場監(jiān)測試驗及負摩阻力優(yōu)化計算研究[J]. 河北工業(yè)科技， 2021， 38（2）： 148-155.

GAN Chuanqi. Study on field monitoring test and negative friction optimization calculation of rock-socketed pile[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2021， 38（2）： 148-155.