静压预应力混凝土管桩承载特性试验研究及分析★

徐 凯

(广州市市政工程试验检测有限公司,广东 广州 510520)

0 引言

桩的现场静载试验是目前公认的获得桩基承载机理和变形性状的最直观和最有效的方法。静载试验不但能够获取桩基设计参数和施工质量控制参数[1-2],同时还可对桩基型式和桩底持力层进行最优设计,使得桩-土协调工作,最大化地发挥地基承载能力与桩基自身强度的作用,从而达到最佳技术经济效果[3-4]。对于灌注桩的荷载传递规律[5],国内外均有较全面和系统的研究,并有较为成熟的理论成果。但对静压预应力管桩,由于在其桩身上埋设测试元件技术难度较高,导致目前国内外关于静压预应力管桩荷载传递规律的试验较少,因此静压预应力管桩的承载特性[6]难以得到较为系统的研究。本文通过预应力管桩的试桩静载荷试验结果,研究静压预应力混凝土管桩在轴向荷载作用下的承载特性,并分析桩侧摩阻力与桩端阻力在竖向荷载作用下两者的工作机制及变化规律。

1 试验方案

本次研究主要在管桩的土层交接处的桩身和桩底埋应变计,在桩每一检测部位对称埋置应变计2个,4号、5号桩每桩8个部位共埋置16个应变计。2号、9号桩每桩7个部位共埋置14个应变计。表1为试桩桩长及超前钻土层情况。

表1 试桩情况一览表

压桩施工时,记录每米压力值。压至离设计桩底标高0.5 m～1.0 m处复压3次,记录压力与沉降量[7]。压至距桩底标高0.05 m～0.1 m处再复压3次。

慢速静载试验选用1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号和9号桩共9根管桩进行对比研究。其中,在试验过程中,对2号、4号、5号和9号桩进行桩身应力应变的实时监测。

2 试验数据的理论分析

2.1 截面弹性应变值

对同一应变计,加载越大,相对应的残余应变也越大[8]。分析时假定残余应变与加载是线性关系,则最终测得的残余应变是对应最大加载的,其他各级加载对应的残余应变按式(1)调整:

(1)

2.2 土层承载力

计算出桩身各断面的轴力值后,各层土的摩阻力和端阻力[9]分别按式(2),式(3)计算:

(2)

(3)

其中,qsi为桩身第i断面与第i+1断面间的轴向侧摩阻力;qsn为桩端应变计下0.5 m的侧摩阻力;qp为桩的端阻力;u为桩身周长;li为桩第i断面与第i+1断面间的桩长;Qn为桩端轴力。

3 静压预应力管桩承载特性分析

3.1 荷载-沉降曲线分析

图1为2号、4号、5号、9号桩在间歇期为一个月时的静载荷试验。图2为1号、3号、6号、8号预应力管桩在间歇期约为2年的载荷试验结果。

由图1和图2可知,4号桩的Q-s曲线呈缓变型,而1号、3号桩的Q-s曲线呈陡降型,且承载力较4号桩的承载力小很多。5号桩和6号桩Q-s曲线呈陡降型,5号桩的极限承载力要比6号桩的极限承载力要小一些。8号桩和9号桩Q-s曲线均为陡降型,两者的极限承载力较为接近。造成这些现象的原因为两年地下水的变化造成桩端土层风化现象进一步发展,从而降低桩端土承载力。持力层为砾质黏性土时,虽然地下水的变化软化桩端土,但影响程度较小。

3.2 压桩力与压入深度曲线分析

图3为压桩力与深度的变化曲线,由图3可知,当管桩入土深度小于10 m时,压桩力并不随入土深度的增加而线性增加,且该范围内的压桩力较小,仅为160 kN～440 kN;当管桩入土深度大于10 m且小于14 m时,随着入土深度的增加,压桩力大部分在600 kN～1 640 kN之间变化,这是因为管桩进入砾砂层,土质情况较好,因此需要较大的压桩力才能穿过。当预应力管桩进入砾质黏性土时,压桩力又减小一些,再到全风化粗粒花岗岩,随着入土深度的增加,压桩力又逐渐增大,大部分压桩力在950 kN～2 100 kN之间变化,最大达到4 000 kN。进入到强风化粗粒花岗岩后,压桩力显著增大,压桩力在1 610 kN～3 600 kN之间。

3.3 桩侧摩阻力性状分析

2号、4号、5号、9号桩的桩侧摩阻力与入土深度曲线见图4。由图4可知,当荷载较小时,桩上部土层侧摩阻力增加相较于下部土层快。侧摩阻力分布图中桩身入土深度大概6 m以上的土层,在第三级荷载以后侧摩阻力接近或达到极限侧摩阻力,土体侧阻力随着荷载增加几乎不变或小幅增长。当竖向荷载较大时,桩上部土层已达到极限荷载,当荷载增加时,桩下部土层侧摩阻力也随之增长。当荷载接近或达到最大加载荷载时,预应力管桩的桩侧摩阻力大部分都达到极限摩阻力,桩端阻力将发挥重要作用。

由图4还可以看到,各管桩的侧阻力较JGJ 94—2008建筑桩基技术规范推荐的经验值要大,尤其是桩端附近的侧阻力相对于桩基规范有明显的增大[10]。强风化层侧摩阻力的实测值为219 kPa,而桩基规范中的推荐值140 kPa～160 kPa,该现象与桩侧土的挤密及桩端土压实有关。

3.4 桩侧阻力和桩端阻力之间的关系

2号、4号、5号、9号桩的桩侧阻力、桩端阻力分担荷载的比例关系见图5。由图5可知,2号、5号和9号桩表现为摩擦桩特征,在荷载作用下,桩侧阻力发挥主要作用,承担大部分荷载,而桩端承担的荷载较小。当达到破坏荷载时,桩侧阻力所占比例略有下降,而桩端阻力所占比例略有上升。4号桩表现为摩擦端承桩的特征,在荷载不大时,桩侧阻力占主要地位,承担大部分荷载,而桩端承担的荷载较小。随着荷载的不断增加,桩侧阻力所占比例逐渐下降,而桩端阻力所占比例显著上升,这是因为4号桩的持力层为强风化粗粒花岗岩层,桩端土质情况较好,端承力较大,而2号、5号和9号桩持力层为全风化粗粒花岗岩层或砾质黏性土,桩端土质情况较为软弱,端承力相对较小。

4 结论

本项目通过试桩的静载荷试验结果,研究静压预应力混凝土管桩在轴向荷载作用下的承载特性,并分析桩侧摩阻力与桩端阻力在竖向荷载作用下两者的工作机制及变化规律,得出以下结论:

1)影响静压预应力管桩承载和沉降特性的主要因素有:桩身入土深度、成桩挤土效应、桩端持力层类型、静压沉桩施工方法、终压力值和时间效应等。

2)当持力层为强风化或全风化层时,静压预应力管桩的极限承载力会产生一定程度上的降低,静压预应力管桩的设计要考虑长期地下水变化对管桩桩端持力层造成的影响。

3)桩侧土的挤密和端阻的增强效应,使得桩端附近的侧阻力相对于桩基规范中的经验值更大。