锥形帽单桩竖向承载力模型试验研究

邓友生,宋 虔,张克钦,李文杰,马二立,吴阿龙

1. 西安科技大学建筑与土木工程学院, 陕西 西安,710054;2. 西安科技大学桩承结构研究中心, 陕西 西安,710054)

通过改变传统圆桩的横截面形状获得横截面异形桩,能实现在不增加混凝土用量的条件下加强桩的承载力[1]。X形[2-3]、Y形[4]、扩底形[5]、锥形[6-7]及塑料波纹套管桩[8]等异形桩可将更多的上部荷载转化成水平推力作用于桩周土上,因此已得到广泛应用。本课题组[1]基于梅花型桩和圆形桩相关理论,研究了梅花型混凝土桩截面的几何特性。张蕾等[9]利用试验数据,深入分析了大直径扩底桩的尺寸效应。锥形帽桩是一种具有锥形桩头的变截面桩,能在一次操作中实现锥形桩帽与刚性圆柱桩身的关联,从而保证桩的连续性。在相同混凝土用量条件下,采用锥形帽桩可增加桩-土接触面积,充分发挥地基土和桩身的承载潜能,故而该类桩常用于既有软基路堤改扩建工程,又因其能解决新旧路段之间的差异沉降问题,所以也适用于道路扩宽工程。

锥形帽桩桩帽部分的受力特征类似于锥形桩。Norlund等[10]通过试验研究了锥形桩的承载性能,结果表明,该桩的承载能力超过等截面桩;刘杰等[11]的研究表明,在单位承载力相同的条件下,使用锥形桩可以节省约80%的材料成本;赵明华等[12]基于荷载传递法,推导出路堤荷载作用下带锥形桩帽复合地基中的桩土应力比计算公式;Daniel等[13]借助数值模拟,研究了锥形帽桩在工程中的应用。不过,相关研究大多针对锥形桩的受力特性与材料利用率,将锥形结构作为桩帽应用时的锥形帽桩受力特征却鲜有报道。有鉴于此,本文开展了等截面桩、方形帽桩及锥形帽桩室内模型对比试验,在分析桩顶沉降曲线、桩身轴力分布、桩侧摩阻力曲线以及荷载分担比等试验结果的基础上,重点探究锥形帽桩的竖向承载机理,以期为锥形帽桩的合理推广和工程应用提供参考。

1 试验

1.1 模型及材料

试验在西安科技大学临潼校区结构大厅进行。因为利用相似理论可以最大程度地减少研究经济成本和试验周期,并且不受场地条件的限制,所以设定几何尺寸相似比为第一基本量,重度相似比为第二基本量,以这两个基本量为基础可得出其它变量的相似比[14],表1所列为本研究设定的具体模型试验参数相似比。

以等截面桩、方形帽桩和锥形帽桩的模型为研究对象。模型桩为木桩,采用预埋方式成桩。3种桩体积近似相等,约为939.67 cm3,模型尺寸及实物见图1。试验所用模型箱是由型钢和钢化玻璃组成的无盖长方箱体(见图(2))。该箱体长、宽、高分别为4.0、2.0 、1.7 m。其中箱体长边所在的两个侧面为透明钢化玻璃材质,另两个侧面为型钢所制,底面为加肋钢板,钢板厚度为20 mm。土体用土取自临潼某工地,采用人工分层夯实至压实系数λc不低于0.9,压实后通过环刀取土,试验土性参数见表2。

(a) 模型尺寸

(b) 模型实物

图2 模型箱

表2 土样参数

1.2 加载装置及数据采集

在模型桩表面粘贴全桥应变片,测得桩身应变后通过计算得到桩身轴力分布及侧摩阻力曲线。试验加载装置为2 t的油压千斤顶。采用慢速维持荷载法逐级加载,荷载直接加至桩顶平面,每级荷载为0.5 kN。各级荷载沉降稳定标准以及终止加载条件依照GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中关于单桩竖向静载荷试验的规定。数据采集系统为东华测试DH3821型静态数据采集仪。在加载过程中,自动实时采集应变片和位移计的数据,每秒采集30次。图3所示为数据采集时的测点布置、测点实物、应变采集仪以及实际现场。

(a) 测点布置

(b) 测点实物

(c) 应变采集仪

(d) 试验现场

2 结果及分析

2.1 荷载-沉降曲线

等截面桩、方形帽桩和锥形帽桩的荷载-沉降曲线如图4所示。由图4可见,在荷载较小的初始阶段,3种桩型的沉降量几乎相同;当桩顶荷载达到1.0 kN时,等截面桩、方形帽桩、锥形帽桩的沉降值依次为4.57、 3.91、3.91 mm,等截面桩与方形帽桩、锥形帽桩的沉降量已略有差异;随着荷载继续增加,3种桩型的沉降形式差异明显,等截面桩沉降速度明显加快,表现出指数增长模式,而方形帽桩和锥形帽桩沉降变形平缓,形变增速不明显;当荷载为2.5 kN时,等截面桩沉降速度进一步加快,此时已达到其极限承载力,当荷载为3.0 kN时,方形帽桩的荷载-沉降曲线也出现明显破坏特征,而锥形帽桩的极限承载力达到了3.5 kN,相比等截面桩与方形帽桩相应值分别提高了40.0 %和16.7 %。这是因为锥形桩帽通过倾斜的桩身将部分垂直荷载转化成水平推力,紧密联系桩周土体产生协同作用,更好地发挥桩土整体承载能力,从而减小了沉降量。

图4 荷载-沉降曲线

2.2 桩身轴力分布

图5所示为锥形桩帽区受力状态。由图5可知,锥形桩帽区桩身轴力ρz与桩身法向轴力ρ的关系为:

ρz=ρcosα

(1)

等截面桩、方形帽桩和锥形帽桩在竖向荷载作用下的桩身轴力分布以及三者在工况为1.0 kN时的桩身轴力对比如图6所示。由图6(a)可见,随着顶部荷载的增加,等截面桩桩身轴力相应增大。在同一荷载下,尽管等截面桩从桩顶到桩底处的轴力逐渐减小,呈近似线性下降趋势,但桩底轴力仍然较大,表明桩侧承载能力有限,仍需桩底承担较多荷载。这可能是因为模型桩的长度仅60 cm,且长径比为13,摩擦力的作用受限,桩底阻力得到了充分发挥。由图6(b)可见,随着顶部荷载的增加,方形帽桩桩身轴力相应增大。在同一荷载下,桩身从桩顶至桩底的轴力先增大后减小,拐点出现在桩身距桩顶10 cm处。由图6(c)可见,随着顶部荷载的增加,锥形帽桩桩身轴力相应增大。在同一荷载下,桩身从桩顶至桩底的轴力先迅速减小,然后在锥形桩帽和桩身关联处放慢减速直至桩底。由图6(d)可见,在工况均为1.0 kN的条件下,锥形帽桩与等截面桩轴力分布最主要的差异在于,随着深度增加,锥形帽桩的桩帽部分轴力明显减小。从材料利用角度来看,桩体截面尺寸设计需要考虑桩身轴力最大处。当桩顶承担轴力随桩长增加而变大时,将导致一定深度范围内的轴力较小,从而造成材料浪费。而锥形桩帽桩在桩帽部位的轴力较大,在桩帽和桩身关联处往下的轴力分布较为均匀,能更好地满足轴力越大,相应部位材料用量越多的设计原则,通过优化桩身结构能提高桩体的经济效益。因试验用土较厚且沉降时间有限,存在部分欠固结问题,导致了负摩阻力的产生。从图6(d)中还可看出,锥形帽桩桩身最大轴力值出现在桩顶,从桩顶到距桩顶10 cm处的轴力由0.88 kN减至0.72 kN,而方形帽桩桩身相应位置的轴力则在负摩阻力作用下由0.65 kN增至0.72 kN,且该值就是方帽桩桩身轴力最大值。土对方形帽桩产生的竖向应力分量值等于桩土之间的摩阻力。至于锥形帽桩,其锥帽处受到桩土之间的法向应力,仅在锥帽以下桩身部分的应力值等于桩土之间的摩阻力,该部分负摩阻力与方形帽桩相比减小了很多,这表明锥角能有效减小负摩阻力对桩体的影响,使桩体的承载能力得到更充分的发挥。

图5 锥形桩帽受力状态

(a) 等截面桩 (b) 方形帽桩

(c) 锥形帽桩 (d) 桩身轴力对比

2.3 桩侧摩阻力

根据试验中采集到的桩身应变片数据计算出相邻应变片的应变差值,在此基础上可求得桩侧摩阻力,摩阻力计算公式为:

q=EAp(εi-εi+1)/As

(2)

式中:q为桩侧平均摩阻力,E为桩身弹性模量,Ap为桩横截面面积,εi为桩身第i个应变片的应变值,εi+1为桩身第i+1个应变片的应变值,As为桩身第i个应变片到第i+1个应变片之间的桩侧表面积。

对锥形桩帽区的侧摩阻力受力分析可参照图5,即先按式(2)计算得到桩身法向侧摩阻力q,再换算成桩帽区侧摩阻力qz,换算公式为:

qz=qcosα

(3)

图7所示为等截面桩、方形帽桩和锥形帽桩在分级荷载作用下的桩侧摩阻力曲线。由图7可见,等截面桩和圆柱帽桩的侧摩阻力均随埋深的增加而不断增大,而锥形帽桩的侧摩阻力在锥帽位置沿锥面向下逐渐减小,在桩身处随埋深的增加而逐渐增大。这是因为桩头的倾斜造成桩土间竖向相对运动减弱,桩帽处摩擦力减小,负摩阻力发挥受限,更多荷载转移至桩顶,使桩顶处的侧摩阻力得到更好的发挥,短期内即可达到最大值。

(a) 等截面桩桩身侧摩阻力曲线

(b) 方形帽桩桩身侧摩阻力曲线

(c) 锥形帽桩桩身侧摩阻力曲线

2.4 荷载分担比

桩基的承载力由桩侧阻力和桩底阻力两部分组成。了解桩体承载能力的占比有助于分析在竖向荷载作用下桩体的受力情况,并确定单桩的极限侧阻力和端阻力。定义桩顶荷载为Q,桩侧阻力为Qs,对等直径桩和锥形桩帽桩的侧阻力占比Qs/Q进行分析。图8所示为等截面桩、方形帽桩和锥形帽桩的桩侧阻力占比随着桩顶荷载的变化情况。由图8可见,随桩顶荷载的增大,等截面桩和方形帽桩的桩侧阻力占比均呈明显下降趋势。相比之下,锥形帽桩的桩侧阻力占比变化不大。当桩顶荷载由0.5 kN增至3.0 kN时,锥形帽桩的桩侧阻力占比由67.4%降至63.8%,期间平均值约65.0%。而等截面桩和方形帽桩在桩顶荷载为3.0kN时的桩侧阻力占比分别为27.9%、40.0%,二者侧摩阻力明显低于锥形帽桩相应值。当桩顶荷载小于锥形帽桩极限承载力时,其桩土界面的摩擦阻力可以分担一部分桩顶荷载,从而传递到桩底的荷载相比等截面桩明显减少,这表明桩侧摩阻力对锥形帽桩承载能力的提升发挥了重要作用,并证实锥形帽桩是一种摩擦桩。

图8 侧阻力占比

3 结论

(1)相较于等截面桩和方形帽桩,锥形帽桩的极限承载力分别提高了40.0%和16.7%。

(2)无帽等截面桩的轴力随深度的增加呈近似线性减小;方形帽桩在桩顶局部出现负摩阻力,随后轴力随深度增加呈近似线性减小;锥形帽桩锥角的存在可以有效减少负摩阻力对桩的影响,使桩身截面积大的部位轴力大,截面积小的部位轴力小,从而轴力分布更加均衡。

(3)锥形帽桩的侧摩阻力在锥帽位置沿锥面逐渐减小,在桩身处逐渐增大。这是因为锥形桩头倾斜造成桩土间竖向相对运动减弱,桩帽处摩擦力减小,更多荷载转移至桩顶,使桩顶处的侧摩阻力得到更好的发挥,更早达到最大值。

(4)当桩顶荷载为3.0 kN时,锥形帽桩的桩侧阻力占比约为63.8%,较等截面桩与方形帽桩相应值分别提高了128.3%和59.4%,表明锥形帽桩侧摩阻力更大,整体表现为摩擦桩。