擴(kuò)徑位置對CEP抗拔雙樁承載性能影響的試驗(yàn)研究*

孫 琳, 錢永梅, 田 偉, 李明曉

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長春 130118)

0 概述

CEP樁(混凝土擴(kuò)盤樁)作為近年來逐步應(yīng)用于工程中的一種新型變截面灌注樁,具有承載力高、設(shè)計(jì)靈活、沉降量小且均勻、施工工藝簡單、改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境狀況等優(yōu)點(diǎn),達(dá)到了高效、節(jié)能、環(huán)保的效果[1-2]。目前,針對CEP單樁的基礎(chǔ)研究已趨于成熟,但對于CEP樁群樁的研究還不成熟。由于CEP樁特殊的樁身構(gòu)造,當(dāng)樁間距不足夠大時,相鄰樁會產(chǎn)生較大的相互影響,故CEP群樁基礎(chǔ)的承載能力不能簡單地按單樁基礎(chǔ)的整數(shù)倍計(jì)算[3],并且擴(kuò)徑位置是影響CEP群樁承載性能的主要因素[4],因此,亟待進(jìn)行深入研究。

本文以CEP雙樁為研究對象,采用一種新型可實(shí)時觀測的CEP雙樁半截面小模型原狀土試驗(yàn)方法[5],以擴(kuò)徑位置為變量,設(shè)計(jì)五種模型樁,分七組進(jìn)行試驗(yàn)。本文研究內(nèi)容為群樁的承載計(jì)算和設(shè)計(jì)應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

1 試件及試驗(yàn)裝置準(zhǔn)備

1.1 半截面模型樁

由于研究主要內(nèi)容為樁周土體破壞過程的狀態(tài)變化,試件尺寸等比縮小對試驗(yàn)結(jié)果影響很小,且課題組先期已有現(xiàn)場大比例試驗(yàn)驗(yàn)證等比縮小試驗(yàn)與實(shí)際CEP樁周土體的破壞狀態(tài)符合較好[6],所以尺寸效應(yīng)可忽略。因此半截面樁小模型采用將實(shí)際CEP樁按1∶40的縮尺比等比例縮小加工,材料選用剛度和變形性能與C40混凝土接近的鋁合金材料,試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)圖

本試驗(yàn)以擴(kuò)徑位置作為唯一變量,將五種模型樁分為七組進(jìn)行試驗(yàn),分別為M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7組。其中M1～M4組中兩個樁的擴(kuò)徑位置相同,擴(kuò)徑位置上方樁長d1分別為80、120、140、160mm;M5、M6組兩個樁的擴(kuò)徑位置不同,其中M5組的左右兩樁擴(kuò)徑位置上方樁長d1分別為40、160mm,M6組的左右兩樁擴(kuò)徑位置上方樁長d1分別為80、120mm;M1組～M6的樁長L均為200mm,擴(kuò)徑D均為50mm,懸挑徑R0均為20mm,樁徑d均為12.5mm,樁間距S均為80mm,擴(kuò)徑上下坡角α和β均為36°和21°,擴(kuò)徑間凈距P均為27.5mm;M7組為CEP單樁,作為對照組,擴(kuò)徑位置上方樁長d1為120mm,其余參數(shù)均相同。試件模型樁實(shí)物見圖2。

圖2 七組模型樁實(shí)物圖

1.2 原狀土土樣制備

為了取回原狀土,制作了矩形取土器[7],取土器尺寸取為360mm×200mm×280mm,且取土器選用5mm厚的鋼板[8]。

原狀土土樣制備是試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟,試驗(yàn)用土選取現(xiàn)場滿足試驗(yàn)需求的黏土層,主要步驟為:場地開挖→清理整平土層表面→擺放取土器→取土器壓入土中→取出取土器→修整表面多余黏土→用塑料膜包裝→運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室存放[9-10]。

1.3 樁土試件制備

將實(shí)驗(yàn)室密封保存的土樣拆封,將CEP雙樁模型埋入試驗(yàn)土樣中,具體操作步驟如下:整平→定位→標(biāo)線→挖槽→埋置→超平。埋樁完成后,樁土試件準(zhǔn)備完畢,可進(jìn)行后續(xù)加載試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用課題組自主設(shè)計(jì)的多功能試驗(yàn)臺[11]進(jìn)行,見圖3。為了保證CEP雙樁同時加載,設(shè)計(jì)了一種連接CEP雙樁的同步加載連接件,此連接件由1個帶長孔的鋼板、兩根帶凹槽的連桿及螺栓和栓釘組成,見圖4。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

圖4 同步加載連接件

2.2 試驗(yàn)過程

將制備好的樁土試件在加載臺上安裝就位,然后安裝加載裝置進(jìn)行加載試驗(yàn)。具體步驟如下:調(diào)整樁土試件在加載臺放置位置→安裝樁土試件壓板→安裝豎向加載千斤頂、位移計(jì)→安裝觀測玻璃→加載[10-12]。加載過程連續(xù)不間斷,期間錄像并定期拍照記錄樁土狀態(tài),試驗(yàn)完成后進(jìn)行環(huán)刀取樣,以便做土樣指標(biāo)復(fù)核測定,測得10個樣本的土體相關(guān)物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土體物理性質(zhì)參數(shù)

本次試驗(yàn)測得的土體物理性質(zhì)參數(shù)與取土現(xiàn)場勘察報(bào)告中黏土的各項(xiàng)物理性質(zhì)參數(shù)基本相符,確定本試驗(yàn)用土為未受擾動的工程原狀土。

3 CEP雙樁抗拔試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擴(kuò)徑位置相同CEP雙樁抗拔破壞過程分析

M1～M4組CEP雙樁試件的抗拔破壞過程基本相似,以M2組為例進(jìn)行分析,其抗拔破壞過程見圖5。

圖5 擴(kuò)徑位置相同的M2組CEP雙樁抗拔破壞過程

加載初期到0.7kN時,CEP雙樁擴(kuò)徑位置下面開始出現(xiàn)樁土分離,此時樁底位移為2.53mm,見圖5(a);隨著荷載增加到0.9kN時,樁土分離逐漸增大,由于擴(kuò)徑位置帶動上面土體向上移動,擴(kuò)徑位置上方出現(xiàn)“桃形滑移區(qū)”,同時雙樁擴(kuò)徑位置端部土體出現(xiàn)水平裂縫,此時樁底位移為4.43mm,見圖5(b);隨著荷載進(jìn)一步增加到1.2kN時,擴(kuò)徑位置上方滑移區(qū)面積也不斷增大,同時擴(kuò)徑位置端部水平裂縫開始貫通,裂縫寬度增加,此時樁底位移為8.65mm,見圖5(c);繼續(xù)增加荷載到1.5kN,兩樁擴(kuò)徑位置上方土體滑移區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大并交匯,由于雙樁間擴(kuò)徑位置上方土體豎向位移過大,擴(kuò)徑位置端部與土體發(fā)生剪切破壞,此時樁底位移為13.96mm,見圖5(d),貫通的水平裂縫寬度不再增加。綜上可知:CEP雙樁樁周土體破壞過程及狀態(tài)與單樁比較相似,只是在極限狀態(tài)下出現(xiàn)了兩樁的滑移區(qū)交匯現(xiàn)象。

3.2 擴(kuò)徑位置不同CEP雙樁抗拔破壞過程分析

以擴(kuò)徑位置不相同的M6組為例進(jìn)行分析,CEP雙樁抗拔破壞過程見圖6。

圖6 擴(kuò)徑位置不相同的M6組CEP雙樁抗拔破壞過程

擴(kuò)徑位置不相同的M6組CEP雙樁抗拔破壞過程與同擴(kuò)徑位置相同的CEP雙樁抗拔破壞過程比較相似;但在極限狀態(tài)下,擴(kuò)徑位置上方樁長d1為6R0的樁(M6′樁)的滑移區(qū)與水平裂縫交匯;擴(kuò)徑位置上方樁長d1為4R0的樁(M6樁)的滑移區(qū)邊緣出現(xiàn)45°沖切裂縫,見圖6(d),這對兩樁極限承載力產(chǎn)生極不利的影響。

3.3 CEP雙樁破壞狀態(tài)對比分析

六組CEP雙樁極限破壞狀態(tài)對比見圖7。

(1)擴(kuò)徑位置相同時的對比分析

各組試件均發(fā)生盤上土體滑移破壞及擴(kuò)徑位置端部與土體的剪切破壞。當(dāng)擴(kuò)徑位置上方樁長d1小于或等于4R0時(M1組),擴(kuò)徑位置上方土體滑移區(qū)邊緣發(fā)生沖切破壞,見圖7(a);而當(dāng)擴(kuò)徑位置上方樁長d1大于4R0時(M2組、M3組、M4組),擴(kuò)徑位置上方土體滑移區(qū)邊緣不發(fā)生沖切破壞,見圖7(b)～(d)。

(2)擴(kuò)徑位置不相同時對比分析

當(dāng)兩樁擴(kuò)徑位置豎向距離較大且一樁擴(kuò)徑位置上方樁長d1小于4R0時(M5組),兩樁互相影響程度較小。但因M5樁擴(kuò)徑位置上方樁長過小,土體被拉裂破壞后,在滑移區(qū)邊緣兩側(cè)都產(chǎn)生了沖切破壞;而M5′樁擴(kuò)徑位置端部土體裂縫不明顯,承載能力未完全發(fā)揮,見圖7(e);當(dāng)兩樁擴(kuò)徑位置豎向距離不大且兩樁擴(kuò)徑位置上方樁長d1大于或等于4R0時(M6組),擴(kuò)徑位置上方樁長較小的樁(M6樁)在滑移區(qū)邊緣一側(cè)產(chǎn)生了沖切破壞,且兩樁之間存在一定相互影響,M6′樁擴(kuò)徑位置上方滑移區(qū)與水平裂縫交匯,見圖7(f)。

3.4 荷載-位移曲線分析

7組CEP雙樁的荷載-位移曲線圖見圖8。

(1)M1～M6六組雙樁在試驗(yàn)加載初期(0～0.4kN),荷載-位移曲線變化趨勢基本相同,此階段樁頂位移隨荷載的增大呈線性增大,主要靠雙樁樁側(cè)摩阻力和擴(kuò)徑位置上方局部土體來提供承載能力,擴(kuò)徑位置尚未對CEP雙樁承載產(chǎn)生作用。

(2)在加載中后期(0.4kN以后):M1～M4組在相同荷載作用下,擴(kuò)徑位置距土體表面越遠(yuǎn),樁頂位移越小,破壞時對應(yīng)的荷載越大,擴(kuò)徑位置上方樁長d1越大,其樁承載力越大;但隨著擴(kuò)徑位置離土體表面距離更大,承載力增大速度明顯放緩。在相同荷載作用下,M6組的樁頂位移明顯小于M5組,所以M6組的承載力明顯大于M5組,因?yàn)镸5組左樁擴(kuò)徑位置上方土體滑移區(qū)邊緣兩側(cè)均發(fā)生沖切破壞,而M6樁左樁擴(kuò)徑位置上方土體滑移區(qū)邊緣只有左側(cè)發(fā)生沖切破壞,所以承載力取決于擴(kuò)徑位置上方樁長d1小的樁。M6組右樁滑移區(qū)與左樁水平裂縫交匯,所以兩樁擴(kuò)徑位置的豎向距離(大于4R0為宜)滿足互不影響要求。

(3)M1組樁在荷載為0.8kN有明顯的拐點(diǎn),見圖8中點(diǎn)F1,此時擴(kuò)徑位置上方滑移區(qū)邊緣開始出現(xiàn)45°沖切斜裂縫,土體接近發(fā)生沖切破壞,這主要是擴(kuò)徑位置上方樁長d1過小所致。

(4)對比擴(kuò)徑處于相同位置的單樁(M7組)和雙樁(M2組)的荷載-位移曲線可知,在樁間距為4倍懸挑徑時,雙樁承載力小于單樁承載力的2倍,說明樁間距較小時,兩樁間互相影響使承載力存在一定的折減。

(5)在相同荷載作用下,M2～M4組承載力較大,且M4組最大,所以在擴(kuò)徑位置上方樁長d1都大于4R0時,擴(kuò)徑位置相同的雙樁承載力較大。

4 結(jié)論

(1)CEP雙樁在樁間距及擴(kuò)徑位置設(shè)置合理時,每個樁的樁周土體破壞狀態(tài)與單樁基本相同。當(dāng)CEP雙樁的擴(kuò)徑位置相同時,擴(kuò)徑位置上方樁長d1越大,CEP雙樁極限承載力越大;CEP雙樁的擴(kuò)徑位置不相同時,雙樁承載力主要取決于擴(kuò)徑位置上方樁長d1較小的樁,擴(kuò)徑位置上方樁長d1應(yīng)盡量大于4R0,避免沖切破壞發(fā)生。

(2)實(shí)際工程設(shè)計(jì)時,CEP雙樁的擴(kuò)徑位置盡量相同,擴(kuò)徑位置上方樁長d1不應(yīng)小于4R0;由于某中原因,CEP雙樁兩樁擴(kuò)徑位置不同時,擴(kuò)徑位置上方樁長d1不應(yīng)小于4R0,且兩樁擴(kuò)徑位置豎向距離(大于4R0為宜)滿足互不影響的要求即可。