等芯长柔刚复合桩承载力试验及模拟研究

曹战峰, 王 强, 张培聪, 杨辰孛

(中国建筑第七工程局有限公司，郑州 450003)

0 引言

在建筑工程中,靠近黄河沿岸地区,地质条件呈现复杂性和多样性,出现粉土、粉质黏土、淤泥、砂层、砂夹石等综合性地质条件,在进行建筑施工时,预应力高强混凝土(PHC)静压管桩施工易出现断桩、桩身倾斜、承载力降低等情况,为解决上述问题,在静压管桩的基础上,研究了一种等芯长柔刚复合桩。等芯长柔刚复合桩是在高强度砂浆终凝前向其中心插入PHC管桩而形成复合桩。等芯长柔刚复合桩技术既解决了复杂地质条件压桩困难问题,又大大提高了单桩承载力[1-3]。

目前对等芯长柔刚复合桩研究应用少,对其在竖向荷载作用下受力机理还缺乏系统理论研究,本文以郑州某项目为例,应用ABAQUS对该类型桩进行数值模拟,并将分析结果与现场等芯长柔刚复合桩原位试验数据对比分析,对构建模型进行了可靠性验证。

1 工程概况

拟建工程场地位于郑州市惠济区。该工程拟建建筑物为6栋34层、1栋33层、3栋6层、3栋2层、开闭所、地下车库2层(局部1层)及配套建筑。根据钻探、静力触探,结合室内土工试验分析结果,场地65m勘探深度内地层组成为第四系全新统(Q4)、上更新统(Q3),按其成因类型、岩性及工程地质特性将其划分为12个工程地质单元层,桩身范围内各土层参数见表1。

表1 各土层力学参数

该工程采用等芯长柔刚复合桩,总桩数435根,设计有效桩长为12m,桩顶标高-10.650m,桩端进入⑩层细砂。复合桩外径600mm,内芯刚性桩为PHC-AB400(95),外径400mm。外部柔性桩为M25高强度砂浆桩,桩身厚度为100mm。

2 等芯长柔刚复合桩施工工艺

等芯长柔刚复合桩施工技术在建筑业十项新技术中的水泥土复合桩技术(MC劲性复合桩)的基础上进行改进,既解决了压桩困难问题,又大大提高了单桩承载力。该技术具有施工技术先进、操作快捷、安全可靠、环境影响小等优势。

等芯长柔刚复合桩采用长螺旋钻孔管内压送混合料的方法施工,柔性桩壁厚100mm,柔性桩桩孔直径比刚性桩直径大200mm,长螺旋钻孔后采用管内压送混合料的方法将制备好的高强度砂浆注入桩孔内,注满砂浆至孔顶标高,静置约6h,在砂浆终凝前压入PHC管桩,将柔性桩砂浆挤入土内,进一步挤密固化周边土体,砂浆凝固后柔性桩与PHC管桩完美复合,达到柔性桩与刚性桩复合受力的目的。桩身详图如图1所示。

图1 桩身详图

该等芯长柔刚复合桩适用于上层为软弱土层,中层为砂层、砂夹石等硬质土层,下层为承载力一般土层,静压管桩施工困难的桩基工程,也可用于对单桩承载力要求较高的高层建筑桩基工程施工[2]。

3 等芯长柔刚复合桩抗压承载力试验及分析

以170号试验桩为例,介绍等芯长柔刚复合桩抗压静载试验的加载过程及结果,该桩的荷载-位移(Q-S)曲线见图2。由图2可以看出,170号试验桩在荷载加载过程中,在荷载从0到2 900kN时,位移可以保持稳定增加;在荷载加到3 190kN时,位移突然急剧增加。根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[4],对于陡变型Q-S曲线,取其发生明显陡变的起始点对应的荷载值作为其单桩竖向抗压承载力极限值。则判定170号试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为2 900kN。5个试验桩的单桩竖向抗压静载试验结果见表2。

图2 170号试验桩Q-S曲线

表2 单桩竖向抗压静载试验结果

根据《劲性复合桩技术规程》(JGJ/T 327—2014)[5],劲性复合桩单桩竖向抗压承载力计算方法如下:

(1)等芯长柔刚复合桩桩侧破坏面位于内、外芯界面时,其竖向抗压承载力特征值可按下列公式估算:

(1)

(2)等芯长柔刚复合桩桩侧破坏面位于外芯和桩周土的界面时,其竖向抗压承载力特征值可按下列公式估算:

Ra=u∑ξsiqsialj+αξpqpaAp

(2)

式中:u为复合段桩身周长,m;lj为复合段第j土层厚度,m;Ap为桩身截面面积,m;qsia为复合段外芯第i土层侧阻力特征值,kPa,宜按地区经验取值;ξsi、ξp分别为复合段外芯第i土层侧阻力调整系数、端阻力调整系数,宜按地区经验取值,无经验时,可按表3取值;α为桩端天然地基土承载力折减系数,对柔刚复合桩可取0.70～0.90;qpa为桩端阻力特征值,kPa,宜按地区经验取值,也可取桩端地基土未经修正的承载力特征值。

表3 外芯侧阻力调整系数ξsi及端阻力调整系数ξp

假定等芯长柔刚复合桩桩侧破坏面位于内、外芯界面时,其竖向抗压承载力特征值按(1)式估算:

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

假定等芯长柔刚复合桩桩侧破坏面位于外芯和桩周土的界面时,其竖向抗压承载力特征值按(2)式估算,式中具体数值见表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,则Ra=387～678kN。

对比以上计算数值发现,该等芯长柔刚复合桩在内外芯之间破坏所需的荷载要大于其在外芯与桩周土间破坏所需的荷载,因此可认为等芯长柔刚复合桩的破坏发生在外芯与桩周土之间。

另外,当等芯长柔刚复合桩桩侧破坏面位于外芯和桩周土的界面时,桩端阻力在118～177kN之间,占桩竖向承载力的25%,桩侧阻力占75%,则该等芯长柔刚复合桩属于摩擦型桩[6]。

4 等芯长柔刚复合桩有限元数值模拟

为进一步验证柔性桩砂浆挤入土内,柔性桩与PHC管桩完美复合,及其对PHC管桩抗压承载力的提高作用,运用有限元软件ABAQUS,建立等芯长柔刚复合桩桩土及PHC管桩桩土相互作用的有限元模型进行模拟分析。

4.1 模型参数选取

土体选用Mohr-Coulomb弹塑性模型,各土层力学参数见表4。桩体和高强砂浆选用线弹性模型,桩体和高强砂浆的材料参数见表5。

表4 土层力学参数

表5 桩体和高强砂浆材料参数

4.2 模型建立

分别建立等芯长柔刚复合桩桩土模型及PHC管桩桩土模型。运用位移控制法分别对等芯长柔刚复合桩及PHC管桩施加抗压荷载,控制桩顶最大位移为10mm,以此模拟桩身抗压的过程。

4.3 模拟结果及分析

等芯长柔刚复合桩桩土模型、PHC管桩桩土模型的位移和应力云图见图3、4。

图4 PHC管桩桩土模型位移及应力云图

在后处理过程中,将模拟结果的桩顶荷载及位移数据导出,并绘制等芯长柔刚复合桩及PHC管桩的荷载-位移曲线,见图5。

图5 等芯长柔刚复合桩及PHC管桩的Q-S曲线

由图3～5可知,等芯长柔刚复合桩的抗压极限承载力为2 300kN,PHC管桩的抗压极限承载力为1 800kN,等芯长柔刚复合桩比PHC管桩的极限承载力提高30%左右,说明等芯长柔刚复合管桩的承载力提高效果明显[7-10]。

5 结论

首先对等芯长柔刚复合桩进行抗压承载力试验并进行了分析,之后利用有限元分析软件ABAQUS建立了有限元模型,并将模拟结果与现场试验数据进行对比,发现数值模拟能较好地与试验结果相吻合,以此模型为基础,分析破坏机理及等芯长柔刚复合桩承载力变化等,结果表明:

(1)等芯长柔刚复合桩在内外芯之间破坏所需的荷载要大于其在外芯与桩周土间破坏所需的荷载,因此可认为等芯长柔刚复合桩的破坏发生在外芯与桩周土之间。

(2)等芯长柔刚复合桩桩侧阻力为桩承载力的75%,在桩承载力中占主要部分,则该复合桩为摩擦型桩,可考虑在压送高强度砂浆过程中增大注浆压力,使砂浆在土体中进一步扩散,挤密固化周边土体,增加桩侧摩阻力,从而增大复合桩承载力。

(3)通过模拟计算结果可知,等芯长柔刚复合桩相比PHC管桩的极限承载力提高30%左右,说明柔性桩的砂浆对管桩的承载力提高效果明显。