y型沉管灌注樁摩阻弱化效應(yīng)現(xiàn)場試驗研究

y型沉管灌注樁摩阻弱化效應(yīng)現(xiàn)場試驗研究

根據(jù)大衛(wèi)森的介紹，法國索利亞公司于1973年擴展了基于地下連續(xù)墻的壁板基礎(chǔ)。雖然截面通常是矩形的，但實際上設(shè)計中也有以y為形狀的壁板基基。Y型沉管灌注樁(以下簡稱為Y型樁)根據(jù)等截面異形周邊擴大原理,派生于傳統(tǒng)圓形沉管灌注樁;是在傳統(tǒng)沉管灌注樁的基礎(chǔ)上加以改進發(fā)展而成的一種新樁型,該技術(shù)是陸見華研制開發(fā)的一項專利技術(shù)。Y型樁的斷面形狀為三段向內(nèi)的圓弧弧線,外加三個尖角組成的曲邊三角形,在距樁頂1.5m的范圍內(nèi),斷面采用正三角形,設(shè)置為Y型樁體與樁帽結(jié)合部位的加強段;為解決樁管疲勞破壞的問題,在樁管內(nèi)縱向設(shè)置了三塊中隔板,如圖1所示。Y型樁保持了傳統(tǒng)沉管灌注樁的優(yōu)點,充分利用等截面非圓形樁側(cè)表面積與慣性矩增加,進而增加樁側(cè)摩阻與水平承載性能。施工設(shè)備采用普通沉管灌注樁施工設(shè)備,將圓形樁模改為Y形樁模并在施工工藝上做了調(diào)整,如圖2、圖3所示。施工工藝控制要點為:靜壓沉樁、輕振拔管,以達到低擾動土層,低充盈系數(shù)混凝土灌注的目的。Y型沉管灌注樁與其他同類技術(shù)相比節(jié)約造價20%～25%,目前已在申蘇浙皖、杭浦、申嘉湖高速公路橋頭軟基處理中應(yīng)用。與圓形樁不同,Y型樁把反拱圓弧作為摩擦受力面,反拱圓弧摩阻受力面可能存在受力不均勻的現(xiàn)象,以反拱圓弧作為摩擦受力面是否會產(chǎn)生摩阻弱化效應(yīng)以及Y型樁承載力提高與側(cè)表面積增大效果是否同樣明顯都須首先經(jīng)過現(xiàn)場試驗等手段予以驗證,同時Y型樁的荷載傳遞特性也需進行深入分析?；谏鲜鰡栴},進行了圓形樁、Y型樁現(xiàn)場對比試驗。結(jié)合3個工程實例的靜荷載試驗檢測結(jié)果,對Y型沉管灌注樁的承載特性及工作機理進行深入分析。針對Y型樁有別于傳統(tǒng)樁型的過度充盈反而削減承載力的特點,提出在計算Y型樁極限承載力時引入充盈折減系數(shù),并對求解充盈折減系數(shù)的方法進行介紹。1管灌注樁靜載試驗試驗場地選在杭浦高速公路HP8標(biāo)K47+656～K47+660附近,該路段地處沖湖積平原,地形平坦,土體的具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。?377沉管灌注樁和Y型樁采用相同施工設(shè)備鄰近打設(shè),均打設(shè)12m,打設(shè)20d后采用相同的靜載試驗方式對兩樁進行承載性能的對比試驗,?377沉管灌注樁截面積為0.112m2,截面周長為1.184m;Y型沉管灌注樁的樁身截面積0.116m2,截面周長1.723m。試驗中,根據(jù)沉降隨時間變化的特征取s-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級荷載值為極限承載力。Y型灌注樁和?377沉管灌注樁靜載試驗Q-s曲線如圖4所示。從圖4可以看出:在第一級荷載160kN作用下,Y型沉管灌注樁沉降量為2.64mm,而?377沉管樁的沉降量為2.27mm,低于Y型樁,在第二級荷載240kN作用下?377沉管樁沉降量超過Y型沉管灌注樁達6.75mm,在第三級荷載320kN作用下?377沉管灌注樁沉降急劇增大,本級荷載沉降即達13.42mm,而Y型沉管灌注樁僅為2.76mm。當(dāng)荷載超過極限荷載后,?377沉管灌注樁樁底土首先達到破壞,發(fā)生大量塑性變形,引起樁發(fā)生較大或較長時間仍不停止的沉降,所以在Q-s曲線上出現(xiàn)了明顯的拐點。根據(jù)圖4及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)極限承載力的判斷方法可知:Y型沉管灌注樁的極限承載力為480kN,?377沉管灌注樁的極限承載力為320kN,可見Y型沉管灌注樁的極限承載力比?377沉管灌注樁的極限承載力要大很多,前者的極限承載力約為后者的1.5倍,充分體現(xiàn)了Y型沉管灌注樁的優(yōu)越性。通過經(jīng)驗公式計算可得:Y型樁的極限承載力約為513kN,?377沉管樁極限承載力約為362kN,這與試驗結(jié)果相近。同時Y型樁計算結(jié)果與實測值相比偏大,分析原因為極限承載力計算中需要引入充盈折減系數(shù)。從圓形、Y型樁靜載對比試驗可看出:如圖4所示,在第一級荷載160kN作用下Y型樁沉降大于?377沉管樁沉降,原因為相同的樁身截面面積,Y型樁具有較大的樁身側(cè)表面積,所以可加速樁側(cè)阻力向下傳遞到樁端,引起更大的樁身壓縮變形。在第二級荷載240kN作用下Y型樁沉降明顯小于?377沉管樁,其主要原因為在相同側(cè)阻力和相同端阻力的情況下,Y型樁在地基內(nèi)任意點產(chǎn)生的附加應(yīng)力小于圓形樁。相同截面面積的Y型樁與圓形樁實際側(cè)阻與端阻的分擔(dān)比例存在明顯差別,相同荷載下,同截面面積的Y型樁、圓形樁的沉降差異有待更加深入的研究。2公路hp8標(biāo)段多段樁靜荷載試驗研究Y型樁在申蘇浙皖高速公路橋頭路段應(yīng)用中,樁長采用15,17,19m三種,樁距采用2.2,2.7m兩種,正三角形布樁,設(shè)計樁身混凝土強度等級為C25,樁身截面面積為0.157m2,周長為2.132m,樁帽采用直徑1.4m,厚度0.35m的C25鋼筋混凝土澆筑。申嘉湖杭高速公路嘉興段J8標(biāo)多個橋頭段采用Y型樁。樁長采用10,12,15,17,19m五種,樁距采用2.2,2.4,2.8m三種,正三角形布樁,樁身截面面積為0.169m2,周長為2.146m,樁帽采用直徑1.4m,厚度0.35m的C30鋼筋混凝土澆筑。杭浦高速公路HP8標(biāo)段多段采用Y型樁。樁在平面上采用正方形或平行四邊形布置,樁長采用9,11,13,14m等多種,樁距采用2.0,2.2m等多種,設(shè)計樁身混凝土強度等級為C25,樁身截面面積為0.116m2,周長為1.723m,樁帽采用直徑1.2m,厚度0.30m的C30鋼筋混凝土澆筑。各工程應(yīng)用中,Y型樁的靜荷載試驗數(shù)據(jù)如表2、表3及圖6～圖7所示。申蘇浙皖高速公路靜荷載試驗中,首先進行了帶帽單樁靜荷載試驗。第一批8根Y型樁有6根不符合設(shè)計要求,且出現(xiàn)了4根樁的極限荷載嚴(yán)重偏低、測試結(jié)果離散較大的現(xiàn)象,表面看似被測樁體承載力不足,經(jīng)觀測被壓后的樁帽明顯傾斜,開挖檢查后發(fā)現(xiàn)樁帽與樁體結(jié)合部的混凝土已經(jīng)破壞,樁體并未產(chǎn)生刺入破壞,而是樁帽發(fā)生了偏移,如圖5所示。進一步分析破壞原因主要是成樁后澆筑樁帽時同心度不夠,偏心荷載使樁頂端混凝土破壞所致,同時沉管灌注樁本身的工藝特性就存在樁頂浮漿、部分混凝土質(zhì)量較差的特點。通過將部分承載力嚴(yán)重偏低的樁的樁帽鑿除,重新做荷載試驗,并選取了部分未澆筑樁帽的樁和部分已澆筑樁帽的樁做荷載試驗。從檢測結(jié)果看,第一批承載力嚴(yán)重偏低的樁在鑿除樁帽后,承載力明顯提高,證明樁與樁帽同心度不夠是造成樁承載力嚴(yán)重偏低的原因。因此可認(rèn)為第二次所測的極限荷載數(shù)據(jù)較為切合樁實際承載能力。申嘉湖杭高速公路嘉興段、杭浦高速公路段靜荷載試驗中,均進行不帶帽單樁靜荷載試驗,Y型樁的單樁極限承載力均能滿足設(shè)計要求,且曲線呈現(xiàn)緩變形的特點,具體如圖6和圖7所示。從靜荷載試驗曲線可以看出:曲線一致性較好,說明Y型樁成形可靠,承載性能穩(wěn)定。嘉興段J8標(biāo)及杭浦高速公路HP8標(biāo)段靜載試驗均加載到設(shè)計極限承載力就結(jié)束,Q-s曲線均未發(fā)生明顯的陡降,s-lgt曲線尾部均未發(fā)生明顯向下彎曲,并且試驗樁在達到最大加載量時沉降均較小,基本呈線性狀態(tài)發(fā)展,表明各試驗樁承載性能尚未全部發(fā)揮,無法直接得出試樁的極限承載力,需采用其他方法估算。3樁型設(shè)計及極限承載力檢測對比的三種樁型均處在杭浦高速公路HP8標(biāo)段,持力層深度存在差異,設(shè)計樁長存在差異,對應(yīng)土層的物理力學(xué)指標(biāo)差異不大。Y型樁截面的控制參數(shù):外包圓半徑為31.17cm、模板弧度為60°、開弧度間距為11cm、夾角度數(shù)為90°,打設(shè)深度14m。預(yù)應(yīng)力管樁直徑40cm,設(shè)計樁長22m。碎石注漿樁直徑50cm,設(shè)計樁長19m。單樁極限承載力檢測情況如圖8所示。從圖8可以看出:在加載初期,在同級荷載下三種樁型沉降量差異不大。荷載超過200kN后,由于三種樁型樁長、樁徑不同,三種樁型在同級荷載下沉降量不同,三種樁型極限承載力均達到了800kN。Y型樁沉降雖略大于其他兩種樁型,但樁在作為路堤樁應(yīng)用時,為充分發(fā)揮樁間土的承載力、發(fā)揮墊層的協(xié)調(diào)作用及土拱的形成,允許樁發(fā)生一定的變形。如表7所示,比較中所用價格為實際工程單價,具有相同承載性能情況下,從經(jīng)濟性上分析,Y型樁具有明顯優(yōu)越性。4工程質(zhì)量目前,Y型樁的研究尚處于起步階段,關(guān)于其承載力的確定尚未形成切實可行的方法,仍以《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)或《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2002)中建議的經(jīng)驗公式進行估算。根據(jù)施工中Y型樁實際成形截面形狀與設(shè)計截面的差異,同時由于Y型樁有別于傳統(tǒng)樁型,對Y型樁而言,混凝土的過度充盈,會使得Y型截面模板弧度變小,削減側(cè)表面周長,對承載力反而不利。實際工程中Y型樁充盈系數(shù)在1.0～1.3,Y型樁采用預(yù)制樁尖,可認(rèn)為混凝土的充盈問題對端阻力沒有影響。故設(shè)計中應(yīng)根據(jù)充盈系數(shù)對側(cè)摩阻力進行折減。根據(jù)樁周土的側(cè)阻力特征值及樁端土的承載力特征值,利用式(1)可以求出單樁承載力特征值:Ra=up∑i=1nβqsili+αqpAp(1)Ra=up∑i=1nβqsili+αqpAp(1)式中:Ra為單樁豎向承載力特征值;up為樁的周長;n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值;li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度;qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值,可按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)確定;α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù),可取0.4～0.6;β為施工過程中充盈導(dǎo)致的Y型樁樁側(cè)摩阻削減系數(shù);Ap為樁端橫截面面積。此外還應(yīng)根據(jù)樁身材料的極限抗壓強度求單樁極限承載力:R′a=qA(2)R′a=qA(2)式中:q為樁體極限抗壓強度;A為樁身橫截面面積。Y型樁的單樁豎向承載力Ra的最終取值為min(Ra,R′a)。根據(jù)現(xiàn)場施工后Y型截面的測算分析,Y型樁的充盈會引起Y型截面模板弧度的變化,其他控制變量變化很小。實際施工中充盈系數(shù)λ一般是大于1的,若小于1,則工藝等要進行調(diào)整,故β是小于1的。作如下假定:1)混凝土充盈導(dǎo)致Y型截面的變化,主要是Y型截面模板弧度的變化引起的;2)混凝土充盈導(dǎo)致Y型截面的變化沿樁長是均勻的。各符號的意義如圖1,充盈折減系數(shù)β可按如下過程進行計算:1)計算Y型截面的設(shè)計截面面積S1及實際成形截面面積S2:S1=3{λ2sin(π3?β)sin(2π3?θ2+β)cscθ2?12θλ2[cscθ2sin(π3?β)]2?(R?s2cotδ2)s2+s24cotδ2}(3a)S2=λS1(3b)S1=3{λ2sin(π3-β)sin(2π3-θ2+β)cscθ2-12θλ2[cscθ2sin(π3-β)]2?(R-s2cotδ2)s2+s24cotδ2}(3a)S2=λS1(3b)式中:λ為充盈系數(shù)。2)根據(jù)Y型截面的實際成形截面面積S2反求實際成形模板弧度:3{λ2sin[π3?arctan(s2R?scotδ2)]sin[2π3?θp2+arctan(s2R?scotδ2)]cscθp2?12θpλ2?[cscθp2sin(π3?arctan(s2R?scotδ2))]2+(R?s2cotδ2)s2+s24cotδ2}=S2(4)3{λ2sin[π3-arctan(s2R-scotδ2)]sin[2π3-θp2+arctan(s2R-scotδ2)]cscθp2-12θpλ2?[cscθp2sin(π3-arctan(s2R-scotδ2))]2+(R-s2cotδ2)s2+s24cotδ2}=S2(4)3)然后根據(jù)設(shè)計模板弧度θ、實際成形模板弧度θp計算Y型截面的設(shè)計周長C1及實際成形周長C2:C1=3[θ(R?s2)2+(s2cotδ2)2??????????????????√?sin(π3?β)cscθ2+scscδ2](5)C2=3[θp(R?s2)2+(s2cotδ2)2??????????????????√?sin(π3?β)cscθp2+scscδ2](6)C1=3[θ(R-s2)2+(s2cotδ2)2?sin(π3-β)cscθ2+scscδ2](5)C2=3[θp(R-s2)2+(s2cotδ2)2?sin(π3-β)cscθp2+scscδ2](6)4)計算充盈折減系數(shù):β=C2C1(7)β=C2C1(7)由于Y型截面周長、面積的計算表達式較為復(fù)雜,求θp的方程為超越方程,求解困難。本文列出充盈系數(shù)λ對應(yīng)θp及充盈折減系數(shù)β,以方便工程應(yīng)用中查詢。本文的圓形樁和Y型樁對比試驗中Y型樁充盈系數(shù)為1.25,采用β對極限承載力進行修正,計算結(jié)果與實測值接近。目前廣泛采用的兩種Y型樁截面形式為:1)R=0.3955m,θ=60°,s=0.12m,δ=90°,稱為大直徑Y(jié)型樁;2)R=0.3177m,θ=60°,s=0.11m,δ=90°,稱為小直徑Y(jié)型樁。大、小直徑Y(jié)型樁不同充盈系數(shù)對應(yīng)的充盈折減系數(shù)如表8所示。5施工中的必要性1)Y型樁承載力的增