螺鎖式連接預(yù)應(yīng)力異型抗拔管樁抗拔性能研究

許立成, 楊成斌, 王 杰, 齊金良

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.兆弟集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310006)

隨著我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展,地下空間的開發(fā)和利用需求增加,特別是地下水位較高的沿海軟土地區(qū),對地下空間的利用率越來越高,抗拔樁的使用也越來越廣泛[1-2]。普通預(yù)應(yīng)力管樁(簡稱“普通管樁”)由于其工廠化生產(chǎn)、成樁質(zhì)量容易保證、混凝土強(qiáng)度高、承載性能優(yōu)良、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑[3-4],但普通管樁作為抗拔樁在基礎(chǔ)工程中應(yīng)用時還存在如下問題:① 普通管樁為等截面樁,承載力有限,存在應(yīng)變軟化的現(xiàn)象[5];② 普通管樁常見的接樁方式主要有焊接和機(jī)械連接2種方法,焊接連接法需要將上、下節(jié)樁端板焊接在一起,工作量大且由于焊縫質(zhì)量不易保證,多節(jié)樁在受拉時接頭易破壞;傳統(tǒng)的機(jī)械連接接頭容易受腐蝕環(huán)境的長期影響而失效,導(dǎo)致下節(jié)樁失去抗拔效果,上節(jié)樁被拔出[6-7]。

針對這些問題,研究者分別從樁身截面和接樁方式上進(jìn)行改進(jìn)[8-13],日本在20世紀(jì)30年代就提出帶肋預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(prestressed high-intensity concrete,PHC)樁,到20世紀(jì)末,我國引進(jìn)節(jié)樁技術(shù)[1]。文獻(xiàn)[11]通過載荷實驗和ABACUS有限元模擬相結(jié)合的方法,得出新型帶肋管樁的極限承載力較普通管樁提高13.1%;文獻(xiàn)[12]提出抗拔管樁的一種抱箍式連接方式,并通過理論分析和實例計算得出這種連接方式能提高樁身抗拔能力,且連接處不易破壞。

螺鎖式連接預(yù)應(yīng)力異型抗拔管樁(簡稱“異型管樁”)是兆弟集團(tuán)有限公司在普通管樁的基礎(chǔ)上通過加設(shè)縱肋和橫肋,改變截面形狀來提高樁身剛度和抗拔承載力,并結(jié)合自主研發(fā)的螺鎖連接件而發(fā)明的一種新型樁,目前在沿海軟土地區(qū)一些抗拔工程中已經(jīng)投入使用,并獲得較好的效果。這種新樁型各方面的性能引起工程技術(shù)人員的關(guān)注,本文通過單個連接件抗拉實驗以及與普通管樁現(xiàn)場抗拔承載力對比試驗,來研究接頭抗拉性能和異型管樁的抗拔承載性能。

1 異型管樁簡介

螺鎖式連接預(yù)應(yīng)力異型抗拔管樁實物圖如圖1所示。異型管樁屬于變截面樁,是在普通管樁的基礎(chǔ)上,沿樁身外壁每隔1～3 m設(shè)置1節(jié)環(huán)向凸肋,并在樁周外側(cè)對稱均勻設(shè)置4條縱肋,其螺鎖連接件分別預(yù)埋于上、下節(jié)樁端。這種凹凸外形可有效增加樁與土體的握裹能力,大大提高抗拔承載能力。

圖1 螺鎖式連接預(yù)應(yīng)力異型抗拔管樁實物圖

針對傳統(tǒng)連接方式的不足,兆弟集團(tuán)有限公司自主研發(fā)了一種新型的螺鎖接樁技術(shù)[14],螺鎖連接件由大螺母(內(nèi)設(shè)卡臺裝環(huán)氧樹脂)、基墊、環(huán)形卡片(由4塊卡片拼接組成)、中間螺母、插桿、小螺帽及鋼棒構(gòu)成,如圖2所示。彈簧和基墊主要用于確?？ㄆR到位;卡片兩面設(shè)置一定角度起到越拉越緊的效果;中間螺母旋接在大螺帽內(nèi),將卡片上移定位,以確保連接堅固順利。

1.大螺母(內(nèi)設(shè)卡臺裝環(huán)氧樹脂) 2.基墊 3.卡片 4.鋼棒 5.小螺帽 6.插桿 7.中間螺母 8.彈簧圖2 螺鎖連接件部件

連接時接頭下插,彈簧會有一個反彈力上頂接頭,中間螺母限制卡片上移,卡片在彈簧反彈力的作用下緊緊抱箍接頭,同時縱向鋼筋端部的墩頭與彈簧相觸,保證荷載的傳遞。

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗,普通管樁抗拉破壞界面多發(fā)生在接頭處,是由于連接強(qiáng)度不夠所致;異型管樁采用的這種螺鎖連接件,連接強(qiáng)度可靠、施工方便,整個連接過程不超過3 min,此外,接樁前在連接件及樁端涂抹環(huán)氧樹脂密封材料,起到加強(qiáng)連接和密封防腐效果。

2 螺鎖連接件的抗拉實驗

本實驗選取規(guī)格相同的2個螺鎖連接件,通過單個螺鎖連接件軸向抗拉實驗研究其抗拉性能,抗拉實驗裝置如圖3所示。

圖3 抗拉實驗裝置

采用液壓伺服疲勞試驗機(jī)進(jìn)行軸向抗拉實驗,試件在實驗前已完成拼接,其中接頭兩邊的預(yù)應(yīng)力鋼棒直徑(采用異型管樁配筋設(shè)計最大值)為12.6 mm,試件拼接前均涂滿環(huán)氧樹脂,實驗結(jié)果見表1所列,如圖4所示。

表1 螺鎖連接件拉伸實驗結(jié)果

圖4 螺鎖連接件抗拉實驗荷載-位移曲線

由圖4可知,加載前期,螺鎖連接件基本處于彈性階段,試件的變形與荷載大致呈線性增長,隨著荷載逐漸遞增,試件產(chǎn)生塑性變形,在達(dá)到極限承載力時,試件發(fā)生脆性破壞,具有一定屈服平臺。

由表1可知:2個試件在達(dá)到實驗加載最大值時,試件破壞部位均發(fā)生在預(yù)應(yīng)力鋼棒上,接頭完好無損,說明接頭極限抗拉承載力大于預(yù)應(yīng)力鋼棒極限抗拉承載力,從根本上解決了鋼筋混凝土構(gòu)件連接中“鋼筋骨架”連接的難題;試件均在荷載170 kN左右時發(fā)生破壞,此時接頭完好,說明單個螺鎖連接件極限抗拉承載力大于170 kN。

3 現(xiàn)場抗拔承載力對比試驗

3.1 工程概況

昆山某工程由1棟主樓、1棟物業(yè)社區(qū)綜合用房和1個純地下車庫組成,其中純地下車庫上部無建筑物,需設(shè)置抗拔樁。該工程場地地層分布及其物理、力學(xué)參數(shù)取值見表2所列。試樁選用普通管樁與異型管樁各2根,樁身混凝土強(qiáng)度等級均為C80,接樁方式均采用螺鎖式連接,其中普通管樁試樁樁徑為500 mm,壁厚為100 mm,有效樁長為26 m,樁號分別為N1、N2;異型管樁試樁最大外徑(帶肋)為500 mm,最小外徑為460 mm,壁厚為100 mm,有效樁長為26 m, 樁號分別為S1、S2。

表2 地層分布及其物理、力學(xué)參數(shù)取值

3.2 抗拔靜載試驗

試驗反力系統(tǒng)采用反力樁提供支座反力,加載設(shè)備采用FQS-320型油壓千斤頂;采用精度為0.01 mm、最大量程為50 mm的百分表測定上拔量;采用Y-150A0.4級精度油壓表顯示測定上拔力,具體加載方式按照文獻(xiàn)[15]中關(guān)于慢速維持荷載法的規(guī)定進(jìn)行。試樁試驗結(jié)果如圖5所示，見表3所列。

圖5 試樁抗拔試驗荷載-位移曲線

表3 試樁抗拔靜載試驗結(jié)果

從圖5可以看出:2根異型管樁荷載-上拔位移曲線均呈緩變型,各級荷載作用下上拔幅度較小;2根普通管樁在前期累積加載量小于230 kN時,荷載-上拔位移曲線近乎為直線,當(dāng)普通管樁N1、N2累積加載量分別達(dá)到812、696 kN時,樁頂上拔位移急劇增大,累積上拔量超過100 mm,根據(jù)文獻(xiàn)[15],按樁頂上拔量控制,累積上拔量超100 mm時終止加載,取上一級荷載為樁基抗拔極限承載力,故普通管樁N1、N2的豎向抗拔極限承載力分別為696、580 kN。

在本工程中,異型管樁的抗拔能力更顯著,由表3可知,2根異型管樁的豎向抗拔極限承載力均大于1 160 kN,異型管樁與普通管樁相比,其豎向極限抗拔承載力提高66%以上。

4 異型管樁抗拔承載機(jī)理分析

普通管樁與土體接觸面的破壞模式是典型的摩擦型破壞模式,樁的抗拔承載力大小主要取決于樁-土接觸面的面積和摩擦系數(shù),樁周的土體不能進(jìn)一步提高樁的承載力,其抗拔破壞的表面特征表現(xiàn)為“直進(jìn)直出”,不會將土體帶出地表;異型管樁由于樁肋的作用使得樁-土接觸面變得復(fù)雜,樁-土之間發(fā)生相對位移時不僅包含摩擦作用,還包含很大程度的剪切作用,且樁肋的凸出量越大,剪切作用越明顯,樁被拔出時帶出較多的樁周土體,抗拔破壞的表面特征表現(xiàn)為“樁好像明顯變粗了”,抗拔承載力顯著提高。

此外,異型管樁受到上拔荷載時,肋部對樁周土產(chǎn)生擠密效果,提高了土體抗剪強(qiáng)度,文獻(xiàn)[16]提到肋部還有承壓作用,產(chǎn)生的壓力又作為附加應(yīng)力作用于樁周土,進(jìn)一步提高土體抗剪強(qiáng)度,從而使得異型管樁樁側(cè)土抗剪強(qiáng)度大于普通管樁。

5 結(jié) 論

異型管樁是在普通管樁基礎(chǔ)上改良而來的新樁型,異型管樁屬于變截面樁,通過在樁側(cè)加設(shè)環(huán)向和縱向凸肋改變樁-土接觸關(guān)系,增加樁與土體的握裹能力,有效提高了樁身抗拔能力。

基于本場地單樁豎向抗拔靜載荷試驗,在等強(qiáng)度、等外徑的條件下,與普通管樁相比，單樁豎向抗拔極限承載力提高66%以上,可節(jié)約大量成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

異型管樁采用的螺鎖連接件抗拉性能優(yōu)越,可從根本上解決鋼筋混凝土構(gòu)件連接中“鋼筋骨架”連接的難題,在進(jìn)行接樁操作時簡單快捷,整個過程不超過3 min,施工效率高,此外,環(huán)氧樹脂密封材料還能起到密封防腐作用。