考虑钢护筒效应的混合桩水平承载性能分析

穆保岗,班 笑,龚维明

(1.东南大学土木工程学院南京 21009;2.帝国理工学院土木环境工程系伦敦 SW72AZ)

考虑钢护筒效应的混合桩水平承载性能分析

穆保岗1,班 笑2,龚维明1

(1.东南大学土木工程学院南京 21009;2.帝国理工学院土木环境工程系伦敦 SW72AZ)

深水桥梁基础施工时的钢护筒,在钻孔灌注桩施工完毕后保留,桩体实际上形成了“上大下小”的变截面混合桩。采用非线性的NL法比较了苏通大桥的钻孔灌注桩在考虑钢护筒效应和忽略钢护筒效应这两种工况下基桩位移和内力分布,结果表明考虑钢护筒效应可减少桩顶位移约50%,在准确计算水平荷载下的变形时不能忽略;制作并进行了8个构件的模型试验,表明施工泥皮厚度将显著影响水平荷载下的钢护筒和内部桩体的共同作用能力。

钢护筒;混合桩;NL法;泥皮

1963年钻孔灌注桩在中国河南安阳宿桥首次成功使用,随着高层建筑和大型桥梁的增多,应用越来越广泛,桩型也向着超长大直径方向发展。通常变截面桩是指其横截面尺寸及性状沿着桩身轴向变化的桩。普通的变截面桩有：扩底桩、多级扩径桩、分段变截面(变径)桩和组合型桩等(如图1所示),并且做了较为深入系统的研究[1-4],但多数通常意义上的变截面桩沿桩身范围内材料同一,一般均为钢筋混凝土桩,且大多研究集中于竖向承载力和变形特性的研究。

随着跨海跨江大桥的建设,桥梁钻孔灌注桩基础应用普遍,在深水中施工的大直径钻孔灌注桩,需预先打设钢护筒形成围堰。钢护筒外径一般比设计桩径大0.2～0.4m,钢护筒长度一般为桩长的40%左右,表1为近年部分深水桥梁桩的钢护筒几何尺寸[5-8]。成桩之后,因其拆除困难都被保留下来,成为永久桩体结构的一部分。桩体事实上形成了“上大下小”的变截面大直径混合桩：上部为类似于钢管混凝土柱、下部为钢筋混凝土桩的混合桩身;在钢护筒范围内,由于钢护筒的环箍效应,在承受水平荷载时,该段桩体将呈现出钢管-混凝土组合结构的承载特性,称之为钢护筒效应。目前的设计理论均忽略钢护筒的作用,为验算通过而需加大基桩截面或增加抗弯配筋措施,从而显著增加工程造价。合理地评估钢护筒效应,对准确验算基桩在极端水平荷载如地震荷载、船撞荷载下的大变形验算意义重大。

图1 变截面桩的截面形状

表1 部分工程中钢护筒尺寸

国外的研究者也注意到海洋环境下的基桩施工的特殊性,进行过桩头的接头试验和耐腐蚀环境的复合桩试验和理论研究[9-10]。美国公路桥梁设计规范认为,永久钢护筒的壁厚大于3 mm时,就可以认为它参与受力[11]。日本大芝大桥则首次明确采用混合桩概念,采用带凸缘的线形钢管[12],使钢管本身与填充的钢筋混凝土达到整体受力作用。

中国的研究者也注意到了钢护筒对桩体强度提高的影响[13],并认为在水平荷载产生的弯矩分配中不能忽略,但对钢护筒效应考虑与否,对桩体水平荷载下桩体位移的影响,以及与普通钢管柱相比其共同作用程度,均缺少量化分析。

1 钢护筒对桩基水平位移影响的理论分析

1.1 水平荷载下单桩承载力适用方法选择

水平荷载作用下桩和桩基的计算问题尚未完善。在线弹性地基反力法中,张有龄法(1937年)至今仍被有选择地使用,一般认为它比较适合于粘性土。建筑和公路等诸多行业规范普遍推荐使用的m法,常认为是适用小位移情况下。

在极端荷载下,基桩的桩顶变形绝对值较大, NL法[14-15]则是基于大量的现场试验,基于在大位移情况下的水平承载单桩实用非线性计算方法,根据试验结果,认为土抗力随深度的2/3次方变化,随水平位移的1/3次方变化。桩侧土抗力的计算式可表示为：

水平地基系数KN采用静载试验和经验公式法的结果。通过对大量试桩的和地基土的物理力学指标的对比分析表明,值与土的压缩系数α有较好的相关性,并得到下列拟合关系式：

压缩系数α具有较好的稳定性,并和地基反力系数有着较好的相关性。

1.2 桩侧土抗力函数的确定

将桩侧土抗力的计算式p=代入挠曲微分方程：

当桩的抗弯刚度EI为常数时,可根据相似理论的方法利用标准桩的受力特性来推求实际工程桩的受力特性。

对于受水平荷载的单桩来说,微分方程式涉及的参数为抗弯刚度EI、横向抗力系数(即桩宽×水平地基反力系数)BKN、荷载作用点的高度L0,故实际工程桩相对于标准桩的抗弯刚度、横向抗力系数和自由长度的相似系数应按下列公式确定：

式中,下标P表示实际桩,下标S表示标准桩。

采用标准桩的主要参数规定详见有关文献[16],在此不再赘述。

1.3 苏通大桥基桩算例

以苏通大桥的工程试桩(K 129)为例,分别考虑采用钢护筒和不采用钢护筒这2种情况下桩顶按自由端分别计算。确定水平力HP从100 kN增加到1 000 kN时的单桩的受力特性。

桩长为117m(地面以上部分20m,地面以下部分97m;桩径2.5 m;钢护筒长度69m,地面以上部分20 m,地面以下部分49 m,钢护筒壁厚25 mm。计算过程简列如下：

1)采用加权平均值的方法确定水平地基系数KN;

2)按照组合桩[17]确定桩的抗弯刚度EI;

5)根据实际工程桩荷载Hp及相似系

数求得相应标准桩的水平荷载H s;

6)由Hs值查表并插值获得此荷载下的标准桩各项特征值;

7)确定实际工程桩的受力特征：

桩顶位移：

8)重复(3)-(7)步骤就可确定工程桩在不同水平荷载Hp作用下的受力特性。

不考虑钢护筒作用的构件受力分析时,需要重新确定桩的抗弯刚度。经过计算得到= 3.5×107kN◦m2,重新代入计算,把在相同水平荷载条件下考虑钢护筒效应和不考虑钢护筒效应构件的重要参数进行对比结果如表2所示。

1.4 小结

从表2可以看出钢护筒对构件的水平向约束十分明显,在相同荷载条件下,不考虑钢护筒构件的桩顶水平位移是考虑钢护筒构件桩顶水平位移的2倍。如加载到1 000 kN时,考虑钢护筒构件的桩顶位移仅为48.8 mm,而忽略钢护筒构件的桩顶位移达到了100 mm,而最大弯矩的深度分布也有所变化。

图2 桩顶位移变化图

图3 泥面位移变化图

图2和3是考虑钢护筒作用和忽略钢护筒作用2种情况下的桩顶位移和泥面位移的变化曲线。

可以看出,考虑钢护筒作用与否的桩顶和泥面的位移变化很大,对弯矩最大值和最大弯矩的分布位置也有所影响。在实际工程中采用位移控制最大水平承载力时,钢护筒效应不应忽略,考虑钢护筒作用在计算水平位移变形会更加准确,这在桥梁桩基的水平极限承载力验算方面具有重要的意义。

2 室内模型试验

2.1 试验目的与内容

为了获取钢护筒和混凝土桩共同受力的情况,共制作了8根构件,构件名称如表3所示,主要考虑可能影响其共同作用的因素泥皮[18]。其中泥皮的厚度控制在3～5mm,钢护筒花纹打磨形成。

试验采用C30混凝土,Q235的钢筋和Q335的3 mm厚钢板,套有钢护筒的混凝土构件尺寸如图4所示,外套钢护筒的长度为2 500 mm。

试验在东南大学结构试验室进行。

表2 考虑钢护筒效应和不考虑钢护筒效应的重要参数对比

图4 构件几何尺寸图

测试系统如图5所示,采用千斤顶施加水平力,采用双(单)向多循环加卸载法,按照位移控制的加载方式以5 mm的级差进行荷载的递增。每级荷载施加后,恒载2 m in测读水平力,然后卸载至零,至此完成一个加卸载循环,如此循环2次便完成一级荷载的试验观测。

当钢管底部开裂或水平位移超过200 mm终止试验。

图5 试验系统示意图

表3 构件特性

2.2 构件破坏形式

图6 构件破坏形态

2.3 钢护筒和桩共同作用的受力分析

从8根构件中选择4根类型不同的构件进行比较分析,如图7所示,7(a)和7(b)是无泥皮的构件, 7(c)和7(d)是护筒内有泥皮的构件。

其中,CH1-CH 4为钢护筒表面应变值,钢护筒内部混凝土配置了4根竖向钢筋,CH 7、CH9为竖向钢筋应变值。

图7 构件共同作用情况

图7(a)、(b)相当于钢管混凝土构件,钢护筒和混凝土的接触良好,两者可以很好地共同作用。钢护筒和钢筋的应变在加载初期和最终阶段重合,表明在加载初期和最终阶段,钢护筒和内部的钢筋混凝土共同工作。

图7(c)、(d)构件的钢护筒和混凝土之间并不完全接触,或是有泥皮、花纹或是两者皆有。泥皮的存在使钢护筒和钢筋的应变分离的趋势较为明显,随着荷载的增加,在相同荷载水平下,钢护筒的纵向应变值要明显大于桩内部钢筋纵向应变值,差值在50%左右,钢护筒和混凝土之间共同作用程度减弱,钢护筒承受了绝大部分的弯矩。

这里仅给出构件正常破坏的荷载-位移曲线,如图8所示。

图8 荷载位移曲线

图8(a)相当于钢管混凝土构件,从0 kN加载到40 kN时,水平位移随荷载的增加近似成线性增加,说明构件处于弹性工作阶段。当位移达到60 mm时,构件进入弹塑性阶段,曲线非常平缓,延性很好。

图8(b)无花纹有泥皮两根构件的差别比较大, GN1的延性要高于GN2,2根构件的最大水平承载力比较接近,均为27 kN左右,但均小于无花纹无泥皮的构件承载力。

可见,泥皮的存在影响了单桩的水平极限承载力,施工中减小泥皮厚度有助于提高构件水平承载力。

3 结 论

通过以上的理论分析和模型试验表明：

1)不可回收的钢护筒与原钻孔灌注桩实际上形成了上大下小的变截面混合桩,基于NL法的算例说明考虑钢护筒效应可以减少桩顶位移约50%,在准确计算水平荷载下的变形时不能忽略。

2)模型试验表明在水平反复荷载作用下,钢护筒与内部的钢筋混凝土的应变值在针对水平荷载响应上存在差异。

3)室内模型试验表明,控制施工泥皮厚度将显著影响水平荷载下的钢护筒和内部桩体的共同作用能力。

该文所开展的研究只是针对采用钻孔灌注桩的深水桥梁基础钢护筒效应的初步理论计算和试验模拟,鉴于其对基桩水平变形的显著影响,有待进一步揭示其共同作用的内在机理。

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(编辑 王秀玲)

Lateral Load Capacity Analysis of Variab le Section Hybrid Pileswith Wteel Casing

MUBao-gang1,BANXiao2,GONGWei-ming1
(1.Civil Engineering Co llege,Southeast University,Nanjing 210096,P.R.China; 2.Department of Civil and Environmental Engineering,Imperial College London,London SW7 2AZ,UK)

With the construction of deep-water bridge foundation,steel casing is left after the construction of cast-in place piles due to the dismantle difficulty.Then the pile actually forms a variable section pile which has bigger section area at upper part.Using the non linear NL method,the disp lacement and the internal force are analyzed for piles with and w ithout casing in Sutong Bridge.It is found that the disp lacement of pilew ith casing can be reduced by 50%,and it can notbe ignored foraccurate calculation of disp lacement.8model pile tests are carried out,which suggests that the slurry thickness can significantly affect the capability of co-w orking betw een the pile and the casing.

steel casing;hybrid piles;NL method;slurry

TU47

A

1674-4764(2011)03-0068-06

2010-12-14

国家科技支撑计划课题(2011BAG07B01)

穆保岗(1974-),男,博士,副教授,硕士生导师,主要从事岩土及地下结构等方面研究,(E-mail)mubaogang@ seu.edu.cn。