等芯長柔剛復(fù)合樁承載力試驗(yàn)及模擬研究

曹戰(zhàn)峰, 王 強(qiáng), 張培聰, 楊辰孛

(中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450003)

0 引言

在建筑工程中,靠近黃河沿岸地區(qū),地質(zhì)條件呈現(xiàn)復(fù)雜性和多樣性,出現(xiàn)粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥、砂層、砂夾石等綜合性地質(zhì)條件,在進(jìn)行建筑施工時,預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土(PHC)靜壓管樁施工易出現(xiàn)斷樁、樁身傾斜、承載力降低等情況,為解決上述問題,在靜壓管樁的基礎(chǔ)上,研究了一種等芯長柔剛復(fù)合樁。等芯長柔剛復(fù)合樁是在高強(qiáng)度砂漿終凝前向其中心插入PHC管樁而形成復(fù)合樁。等芯長柔剛復(fù)合樁技術(shù)既解決了復(fù)雜地質(zhì)條件壓樁困難問題,又大大提高了單樁承載力[1-3]。

目前對等芯長柔剛復(fù)合樁研究應(yīng)用少,對其在豎向荷載作用下受力機(jī)理還缺乏系統(tǒng)理論研究,本文以鄭州某項(xiàng)目為例,應(yīng)用ABAQUS對該類型樁進(jìn)行數(shù)值模擬,并將分析結(jié)果與現(xiàn)場等芯長柔剛復(fù)合樁原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析,對構(gòu)建模型進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。

1 工程概況

擬建工程場地位于鄭州市惠濟(jì)區(qū)。該工程擬建建筑物為6棟34層、1棟33層、3棟6層、3棟2層、開閉所、地下車庫2層(局部1層)及配套建筑。根據(jù)鉆探、靜力觸探,結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)分析結(jié)果,場地65m勘探深度內(nèi)地層組成為第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3),按其成因類型、巖性及工程地質(zhì)特性將其劃分為12個工程地質(zhì)單元層,樁身范圍內(nèi)各土層參數(shù)見表1。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)

該工程采用等芯長柔剛復(fù)合樁,總樁數(shù)435根,設(shè)計有效樁長為12m,樁頂標(biāo)高-10.650m,樁端進(jìn)入⑩層細(xì)砂。復(fù)合樁外徑600mm,內(nèi)芯剛性樁為PHC-AB400(95),外徑400mm。外部柔性樁為M25高強(qiáng)度砂漿樁,樁身厚度為100mm。

2 等芯長柔剛復(fù)合樁施工工藝

等芯長柔剛復(fù)合樁施工技術(shù)在建筑業(yè)十項(xiàng)新技術(shù)中的水泥土復(fù)合樁技術(shù)(MC勁性復(fù)合樁)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),既解決了壓樁困難問題,又大大提高了單樁承載力。該技術(shù)具有施工技術(shù)先進(jìn)、操作快捷、安全可靠、環(huán)境影響小等優(yōu)勢。

等芯長柔剛復(fù)合樁采用長螺旋鉆孔管內(nèi)壓送混合料的方法施工,柔性樁壁厚100mm,柔性樁樁孔直徑比剛性樁直徑大200mm,長螺旋鉆孔后采用管內(nèi)壓送混合料的方法將制備好的高強(qiáng)度砂漿注入樁孔內(nèi),注滿砂漿至孔頂標(biāo)高,靜置約6h,在砂漿終凝前壓入PHC管樁,將柔性樁砂漿擠入土內(nèi),進(jìn)一步擠密固化周邊土體,砂漿凝固后柔性樁與PHC管樁完美復(fù)合,達(dá)到柔性樁與剛性樁復(fù)合受力的目的。樁身詳圖如圖1所示。

圖1 樁身詳圖

該等芯長柔剛復(fù)合樁適用于上層為軟弱土層,中層為砂層、砂夾石等硬質(zhì)土層,下層為承載力一般土層,靜壓管樁施工困難的樁基工程,也可用于對單樁承載力要求較高的高層建筑樁基工程施工[2]。

3 等芯長柔剛復(fù)合樁抗壓承載力試驗(yàn)及分析

以170號試驗(yàn)樁為例,介紹等芯長柔剛復(fù)合樁抗壓靜載試驗(yàn)的加載過程及結(jié)果,該樁的荷載-位移(Q-S)曲線見圖2。由圖2可以看出,170號試驗(yàn)樁在荷載加載過程中,在荷載從0到2 900kN時,位移可以保持穩(wěn)定增加;在荷載加到3 190kN時,位移突然急劇增加。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[4],對于陡變型Q-S曲線,取其發(fā)生明顯陡變的起始點(diǎn)對應(yīng)的荷載值作為其單樁豎向抗壓承載力極限值。則判定170號試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓極限承載力為2 900kN。5個試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖2 170號試驗(yàn)樁Q-S曲線

表2 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《勁性復(fù)合樁技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 327—2014)[5],勁性復(fù)合樁單樁豎向抗壓承載力計算方法如下:

(1)等芯長柔剛復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時,其豎向抗壓承載力特征值可按下列公式估算:

(1)

(2)等芯長柔剛復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時,其豎向抗壓承載力特征值可按下列公式估算:

Ra=u∑ξsiqsialj+αξpqpaAp

(2)

式中:u為復(fù)合段樁身周長,m;lj為復(fù)合段第j土層厚度,m;Ap為樁身截面面積,m;qsia為復(fù)合段外芯第i土層側(cè)阻力特征值,kPa,宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值;ξsi、ξp分別為復(fù)合段外芯第i土層側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)、端阻力調(diào)整系數(shù),宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值,無經(jīng)驗(yàn)時,可按表3取值;α為樁端天然地基土承載力折減系數(shù),對柔剛復(fù)合樁可取0.70～0.90;qpa為樁端阻力特征值,kPa,宜按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值,也可取樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值。

表3 外芯側(cè)阻力調(diào)整系數(shù)ξsi及端阻力調(diào)整系數(shù)ξp

假定等芯長柔剛復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時,其豎向抗壓承載力特征值按(1)式估算:

Ra=0.4×(1 330～2 000)×0.04×12+(3 600～5 000)×π×0.22,則Ra=708～1 012kN。

假定等芯長柔剛復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時,其豎向抗壓承載力特征值按(2)式估算,式中具體數(shù)值見表1。

Ra=0.6×[14×0.67+(22×2.56+17×2.10+17×1.04+20×0.92+32×1.08+37×1.38)×(1.5～1.9)+(1.16×34+0.93×34)×(1.5～1.8)+0.16×38×(1.8～2.3)]+(2.5～2.9)×(0.7～0.9)×240×π×0.32,則Ra=387～678kN。

對比以上計算數(shù)值發(fā)現(xiàn),該等芯長柔剛復(fù)合樁在內(nèi)外芯之間破壞所需的荷載要大于其在外芯與樁周土間破壞所需的荷載,因此可認(rèn)為等芯長柔剛復(fù)合樁的破壞發(fā)生在外芯與樁周土之間。

另外,當(dāng)?shù)刃鹃L柔剛復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于外芯和樁周土的界面時,樁端阻力在118～177kN之間,占樁豎向承載力的25%,樁側(cè)阻力占75%,則該等芯長柔剛復(fù)合樁屬于摩擦型樁[6]。

4 等芯長柔剛復(fù)合樁有限元數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗(yàn)證柔性樁砂漿擠入土內(nèi),柔性樁與PHC管樁完美復(fù)合,及其對PHC管樁抗壓承載力的提高作用,運(yùn)用有限元軟件ABAQUS,建立等芯長柔剛復(fù)合樁樁土及PHC管樁樁土相互作用的有限元模型進(jìn)行模擬分析。

4.1 模型參數(shù)選取

土體選用Mohr-Coulomb彈塑性模型,各土層力學(xué)參數(shù)見表4。樁體和高強(qiáng)砂漿選用線彈性模型,樁體和高強(qiáng)砂漿的材料參數(shù)見表5。

表4 土層力學(xué)參數(shù)

表5 樁體和高強(qiáng)砂漿材料參數(shù)

4.2 模型建立

分別建立等芯長柔剛復(fù)合樁樁土模型及PHC管樁樁土模型。運(yùn)用位移控制法分別對等芯長柔剛復(fù)合樁及PHC管樁施加抗壓荷載,控制樁頂最大位移為10mm,以此模擬樁身抗壓的過程。

4.3 模擬結(jié)果及分析

等芯長柔剛復(fù)合樁樁土模型、PHC管樁樁土模型的位移和應(yīng)力云圖見圖3、4。

圖4 PHC管樁樁土模型位移及應(yīng)力云圖

在后處理過程中,將模擬結(jié)果的樁頂荷載及位移數(shù)據(jù)導(dǎo)出,并繪制等芯長柔剛復(fù)合樁及PHC管樁的荷載-位移曲線,見圖5。

圖5 等芯長柔剛復(fù)合樁及PHC管樁的Q-S曲線

由圖3～5可知,等芯長柔剛復(fù)合樁的抗壓極限承載力為2 300kN,PHC管樁的抗壓極限承載力為1 800kN,等芯長柔剛復(fù)合樁比PHC管樁的極限承載力提高30%左右,說明等芯長柔剛復(fù)合管樁的承載力提高效果明顯[7-10]。

5 結(jié)論

首先對等芯長柔剛復(fù)合樁進(jìn)行抗壓承載力試驗(yàn)并進(jìn)行了分析,之后利用有限元分析軟件ABAQUS建立了有限元模型,并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能較好地與試驗(yàn)結(jié)果相吻合,以此模型為基礎(chǔ),分析破壞機(jī)理及等芯長柔剛復(fù)合樁承載力變化等,結(jié)果表明:

(1)等芯長柔剛復(fù)合樁在內(nèi)外芯之間破壞所需的荷載要大于其在外芯與樁周土間破壞所需的荷載,因此可認(rèn)為等芯長柔剛復(fù)合樁的破壞發(fā)生在外芯與樁周土之間。

(2)等芯長柔剛復(fù)合樁樁側(cè)阻力為樁承載力的75%,在樁承載力中占主要部分,則該復(fù)合樁為摩擦型樁,可考慮在壓送高強(qiáng)度砂漿過程中增大注漿壓力,使砂漿在土體中進(jìn)一步擴(kuò)散,擠密固化周邊土體,增加樁側(cè)摩阻力,從而增大復(fù)合樁承載力。

(3)通過模擬計算結(jié)果可知,等芯長柔剛復(fù)合樁相比PHC管樁的極限承載力提高30%左右,說明柔性樁的砂漿對管樁的承載力提高效果明顯。