新型帶肋預應力管樁承載特性試驗研究

 

前言
　　預應力管樁具有單樁承載力高、施工工期短、樁身耐打、穿透力強等優點，在國內外的基礎工程中已得到了廣泛的應用。但是，預應力管樁在處理深層軟土地基時，樁側摩阻力取值太低，對于以摩擦樁設計為主的預應力管樁極其不合理， 受設計規范和經濟成本方面影響，也不宜通過增加樁長來提高承載力。
針對以上存在的問題，國內外有許多研究者作了不同的改進，日本早在20紀30年代就開始把改進后的預應力管樁稱為節樁（如圖1所示，并對節樁的樁體材料性能、 施工工藝及樁周邊的土等方面作了比較深入地研究。國內，黃敏等從樁身和樁側土兩方面改進了預應力管樁的施工工藝， 并結合試驗進行了承載力性能的探討。

　　新型帶肋預應力管樁是由浙江天海管樁有限公司生產出的一種高強混凝土離心成型的產品， 如圖2 所示。 該樁是沿樁體的外壁每隔1～3m設置一節環狀凸肋。 并在樁周外側均勻加設多條縱狀凸肋連接環狀凸肋，該類型樁可以一次性在工廠預制，并改進了接樁施工工藝，采用機械快速接頭接樁。新型帶肋預應力管樁與相同直徑、相同樁長的預應力管樁相比，樁身結構抗彎抗剪性能好，節約混凝土材料15％以上，生產成本可降低10％左右，樁側摩阻力可大幅度提高，具有十分顯著的技術經濟效益。目前，新型帶肋管樁在浙江省部分地區已得到應用和推廣， 但整體上仍處于技術開發和研究應用階段。本文通過3根普通預應力管樁和3根新型帶肋預應力管樁的靜荷載試驗，對比分析了兩種不同類型樁的承載力性能， 并結合成樁前后樁周土的標準貫入試驗和靜力觸探試驗， 探討了新型帶肋預應力管樁的承載變形特性。

　　1 現場試驗
　　1.1 試驗概況
　　某擬建工程位于杭州市西湖區袁浦鎮。本工程為四層，主體采用框架結構。基礎設計采用普通預應力管樁和新型帶肋預應力管樁，樁長15m，樁身采用 C60混凝土，普通預應力管樁樁徑為旁500mm，壁厚為115mm；新型帶肋預應力管樁環狀肋處樁徑為覫500mm，其它樁體樁徑為覫430mm，壁厚也為115mm；樁持力層為2~4層砂質粉土層，入持力層深度為1.5m，單樁豎向承載力設計值為870kN。場地地層及物理力學性質指標見表 1。

　　

　　1.2 試樁特征
　　本次6根試驗樁的截面特征見表2。

　　1.3 試驗結果
　　1.3.1 靜載試驗
　　試驗利用靜壓樁架作荷重-反力架裝置，并用千斤頂反力加載-百分表測讀樁頂沉降的試驗方法。試驗按照《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2003）和《浙江省建筑地基基礎設計規范》（DB33/1001-2003） 有關規定的慢速維持荷載法加載。其有關參數如下：
　　（1）荷載分級為設計預估計最大試驗荷載的 1/8~1/12取值，第一級取其2倍；
　　（2）每級荷載按 1min，5min，15min，30min，45min，60min，90min……各觀測一次，直至每h沉降增量小于0.1mm為止，同時加下一級荷載；
　　（3）終止加載條件按建筑樁基檢測技術規范和設計要求綜合確定。
　　按上述要求進行了6根試樁的靜載荷試驗，試驗結果見表3和圖3。

　　1.3.2 打樁前后試樁場地標準貫入試驗
　　為了解新型預應力管樁樁基施工后地基土體的性質變化，委托勘探單位對該工程的樁基施工影響區域和無影響區域進行了檢測勘察。本次檢測勘察采用的技術手段為靜力觸探原位試驗和標準貫入試驗；本次檢測勘察的勘探孔共8個，機械鉆孔和靜力探孔各4個，設計孔深均為20m，即鉆探至設計樁端以下5.0m左右。整理結果見圖4、圖5和圖6。

　　2 試驗結果分析
　　2.1 荷載（Q）-沉降（S）曲線分析
　　（1） S1和S2的Q-S曲線線型相似，均呈陡降型，破壞特征點明顯，表現出摩擦樁的特征，但它們具有不同的破壞點，S1試樁比S2試樁在較小的荷載就出現了拐點，而兩試樁破壞時所產生的變形大致相同，由此可知，S2試樁為新型帶肋預應力管樁，跟S1普通預應力管樁相比，產生了更大的樁側摩阻力，具有的極限承載力也就大了；S1和S2的破壞變形大致相同說明了它們最后產生的樁端力基本相同。
　　（2）S3和S4的Q-S曲線形式都是介于陡降型和緩變型之間，當荷載超過陡降起始點，樁沉降的速率明顯增大，沉降穩定時間驟增。
　　（3）S5的Q-S曲線呈緩變型，當加載到 2500kN時，沒有出現明顯的向下折線段， 也沒有出現第二拐點，沒有達到極限狀態。S6的Q-S曲線呈緩變、陡降型，當加載到2625kN時，沒有出現明顯的向下折線段，最后由于樁身壓縮量小和樁端沉降量小，在樁側摩阻力尚未充分發揮的情況下，便由于樁身材料強度的先屈服破壞而導致樁體破壞。S5試樁和S6試樁都比前面的S3試樁和S4試樁的承載力要高，變形量也比較小，說明新型帶肋預應力管樁隨試驗間歇時間增大，樁周土體先前被管樁肋部往外側擠迫的土， 在成樁后會逐漸恢復到原位置，S5和S6試樁此時比傳統管樁S3和S4在樁側多肋部端阻力（見圖7 和圖8），所以新型帶肋預應力管樁比傳統管樁具有更大的承載力。

　　（4）盡管6根試樁是在相同試驗條件下進行試驗，但當樁表面粗糙程度發生變化之后， 樁的承載力便出現了比較大的差異，從圖3可以看出，在試驗初始階段，6根試樁的Q-S曲線線型基本相似，樁頂施加的荷載不斷增加，6根試樁的承載力便出現了差別，相同試驗間歇時間（8d）的S1試樁和S2試樁在較小的荷載下就出現了比較大的位移，S1試樁的極限承載力、位移沉降都比S2試樁小，S2試樁的極限承載力比S1試樁的極限承載力提高了30%；而同樣也是在相同試驗間歇時間（20d）的S3試樁、S4試樁、S5試樁和S6，S5試樁和S6試樁的Q-S曲線則在較大的荷載下才開始出現轉折，承載力有了較大的提高，最大值的S6試樁的極限承載力比S3試樁和S4試樁，分別提高了17%和20%。
　　上述試驗結果說明，新型帶肋預應力管樁的荷載變形曲線相對平緩，表現得更有后勁，極限承載力比等直徑光滑圓管樁提高15%以上。
　　2.2 樁周土變化特性分析
　　由圖 4 可知， 各層地基土樁基施工后較施工前密實性有明顯提高，擊數增長量達到 39.1%～154.4%。 由圖 5、圖 6 可知：②-1層土體性質變化較小，②-2和②-3層地基土的錘頭阻力和側壁摩阻力增長較大，②-4層變化較小；新型管樁施工時對淺部土層（一般在6m以內）影響較小，錘頭阻力增大了8.05%，側壁摩阻力增大了5.56%；下部樁身土層范圍內影響較大，擠密效果明顯，錘頭阻力最大增大了 59.07%，側壁摩阻力最大增大了47.78%，對樁端以下土層擠密小。 可見，新型預制預應力管樁作為預制樁，施工時為擠土樁，工前工后的擠壓效應是十分明顯的。
　　研究分析認為新型帶肋管樁擠土明顯正如圖7 所示，圖中陰影部分為樁對周邊土體的影響區域，由于新型帶肋管樁壓樁時，會在樁側產生縱環肋部摩阻力、環狀肋部摩阻力、環狀肋部端阻力、樁端阻力以及非肋部摩阻力，造成樁周邊土體影響范圍為圖 7(a)所示，在環肋處影響范圍會變大；而光滑圓管樁在壓樁入土時，只有樁側摩阻力和樁端阻力，造成樁周土范圍自然就小。見圖7（b）。
　　3 承載力特性分析
　　新型帶肋預應力管樁與傳統的圓筒管樁相比，樁側摩阻力的提高有內部原因，也有外部原因，主要原因如下：
　　（1） 由于樁周側面具有了更為粗糙的側表面積，顯然就比光滑的圓筒樁的摩擦力大,見圖8。從圖中對比明顯可以看出新型帶肋管樁比傳統管樁的承載力大。
　　（2）新型帶肋管樁由于環狀凸肋存在，在打入地基過程中樁周的土或砂石受到擠壓作用變得非常密實，當樁頂承受荷載產生沉降時， 環狀凸肋之間的土或砂石隨樁一起向下運動， 最終形成跟環狀凸肋大小相當的圓筒剪切面。
　　（3）肋部的承壓作用導致樁側土擠密和產生附加應力，使得土體抗剪強度提高。 由文獻[1~2]中的試驗表明，肋部承受著一定的壓力。 由于這個壓力的存在，使得緊靠肋部下面的土或砂石有向外擠出的趨勢， 從而使樁側土擠密；另一方面，肋部的承壓作用所產生的壓力本身又作為附加壓力作用于樁側土或砂石。 正因為上述兩者的作用， 新型帶肋管樁樁側土的抗剪強度比一般圓管樁大。

　　4 結論
　　（1）新型帶肋管樁的承載力可提高15%以上，可節約混凝土材料15％以上，生產成本可降低10％左右，可以一次性在工廠預制，并改進了接樁施工工藝，采用機械快速接頭接樁， 縮短了施工周期，故經濟效益明顯。
　　（2）與等直徑光滑圓管樁相比，新型帶肋管樁的Q-S 曲線相對平緩，表現得更有后勁。
　　（3）新型預制預應力管樁作為預制樁，施工時為擠土樁，工前工后的擠壓效應是十分明顯的。
　　（4）新型帶肋預應力管樁外表面比相同直徑光滑圓管樁更粗糙，產生的摩阻力也就更大，會形成跟環狀凸肋直徑大小相當的圓筒剪切面。由于條件的限制， 本次現場靜載試驗沒有對樁身軸力進行量測，因此無法對樁側摩阻力分布規律、樁周土破壞機理進行深入分析。 數值模擬方法為進一步的研究提供了手段，相關工作將另外撰文闡述。