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擴底抗拔樁在軟黏土地區承載特性的試驗研究

作者:來源:日期:2020-1-9 9:41:01人氣:1159
      0引言

      等截面抗拔樁是當今社會應用較為廣泛的樁基類型,但對于擴底抗拔樁的應用與研究相對較少,其承載特性主要通過改變樁端截面來提高樁基承載力。自20世紀以來,國內外研究人員便開始對砂土中抗拔樁模型進行研究,取得不錯成果。B.M.Das等(1982)提出在不同密實度的砂土層中,長寬比不同的矩形基礎臨界埋深規律和極限承載力規律[3]。E. A. Dicking等( 1990)利用離心機試驗提出擴底抗拔樁在不同條件的砂土介質中抗拔承載力性質“。K. Ilamparuthi等采用65°擴大頭研究利用土工織物加固擴大頭周邊土體對擴底抗拔樁承載力特性影響'。袁文忠等(2003 )利用模型試驗研究得出巖基強度對于抗拔樁承載力的影響規律)。劉文白等(2003 )提出黃土區擴底抗拔樁承載力計算公式[0]。王衛東等(2007)提出上海軟土區擴底抗拔樁樁頭角度8° ~ 12011]。而目前,有關擴底抗拔樁在軟黏土地基中承載力特性的研究較少。本文基于深圳前海灣填海區某地下工程,對軟黏土地基中擴底抗拔樁的承載力性能進行試驗研究.總結針對深圳前海灣填海區軟黏土區擴底抗拔樁的相應規律。


      1現場試驗

      1.1 工程概況

      本工程位于深圳前海灣人工填海區域,為無序雜填土,附近無地表水流,南側有幾處拋石擠淤形成的積水洼地,范圍約100m2 ,水深0.50~ 1.10m,西側約600m處為前海灣海水。場地內土層分布情況如表1所示。工程場地標高為+0.000,足尺試驗采用3根擴底抗拔樁和3根等截面抗拔樁,試驗樁參數如表2所示。6根抗拔樁分成2組,第1組由于樁長較小,樁端持力層進人粉質黏土層1. 5m;第2組樁長較長,樁端持力層進人粉砂質黏土層2. 05m,樁土示意如圖1所示。


      1.2 試驗方法

      按照試驗設計要求[1215],主要采用慢速維荷法,試驗樁加載到樁基破壞無法再繼續加載,測得樁基抗拔極限承載力、樁頂位移,并通過事先設置在樁身的沉降桿進行樁端位移測量。


      2試驗樁結果

      2.1第1組試驗結果(見圖2)

      SZl為等截面抗拔樁,樁頂位移和樁端位移隨荷載值的增大緩慢增大,當荷載達到第9級荷載5170kN時,樁頂與樁端位移發生陡增,位移量達到最大位移80.98mm和68.21mm,此時樁周土體達到破壞,停止繼續加載。最終樁基抗拔極限承載力為第8級荷載值4 653kN。將荷載緩慢卸載至0,樁頂與樁端位移殘余變形分別達到57. 32 ,48.32mm。

      SZ2為擴底抗拔樁,當荷載達到第9級荷載7860kN時,樁頂與樁端位移發生陡增,達到92.54,77. 95mm,此時樁周土體達到破壞,停止繼續加載。樁基抗拔極限承載力為第8級荷載值7 074kN。荷載緩慢卸載至零,樁頂與樁端殘余變形分別達到82.06 ,70.45mm。

      SZ3為擴底抗拔樁,荷載值同樣達到第9級7860kN時,樁頂和樁端位移發生陡增,位移量達到最大值94.87,80.76mm,此時樁周土體達到破壞,停止繼續加載。樁基抗拔極限承載力為第8級荷載7 074kN。荷載緩慢卸載至零,樁頂與樁端殘余變形分別達到84. 61 ,73.22mm。

      由于灌注混凝土操作的誤差,使得3根抗拔樁的充盈系數存在差異,樁基試驗結果出現不準確。為了統一進行對照試驗結果,將各根試驗樁的充盈系數轉換成1.0,并假設孔徑均勻。圓柱體體積與直徑呈二次方關系,所以充盈系數開平方即可得到轉換系數,再將測得的極限承載力除以轉換系數即可得到轉換后的承載力。試驗結果(見表3)顯示SZ2,SZ3的極限承載力分別為SZI的1.48倍和1.51倍, 取平均值為1.495倍,充分說明擴底樁基相対于等截面粧基在承載カ方面具有較大幅度的提升,提升值約50%。





      2.2第2組實驗結果(見圖3)

      SZ4刃等截面抗拔粧,當荷載加載到第10級荷載5687kN,柱頂和粧端位移出現徒増,曲銭出現明足拐點,最大位移分別込到79.99,67.4Smm,説明柱周土體岌生破壞,停止継奬加載。柱基抗拔板限承載力取第9級荷載値5 170kN。 將荷載緩慢卸載至零,柱頂和粧端最大殘余変形分別込到52. 77, .49. 66mm。

      SZ5カ折底抗拔粧,當荷載値加載到第10級荷載8 646kN吋,柱頂與柱端位移岌生徒増,込到89. 64 ,72.90mm,此吋柱周土體込到破壞,停止継綾加載。柱基抗拔板限承載力取第9級荷載値7 860kN,荷載緩慢卸載至零,粧頂與柱端殘余変形分別込到77. 58 ,65.36mm。

      SZ6カ折底抗拔粧,當荷載値加載到9432kN時,樁頂和樁端位移雖然發生陡增,但增長幅度為前一級荷載的1.6倍,并未達到停止加載要求,樁周土體也為破壞狀態,所以樁基承載力大于當前最大加載值, SZ6承載力比SZ4和SZ5提高很多,是因為SZ6擴底長度比SZ5長1m。

      試驗結果仍按照第1組的方法將充盈系數統- -轉換,最終數據如表3所示。由表3可知,SZ5,SZ6抗拔極限承載力分別為SZ4的1.43倍和1.64倍,取均值為I.54倍。


      3試驗結果分析

      根據足尺試驗樁結果(見表3,4),對2種抗拔樁的試驗樁數據進行對比分析,初步總結出擴底抗拔樁的性質。

      3.1抗拔承載力

      根據試驗樁結果可知,每組試驗樁結果均顯示擴底樁極限抗拔承載力相對于等截面樁均提高1.5倍左右。在樁身材料用量上,擴底樁相比同樁徑、同長度的等截面樁多用5%左右,但抗拔承載力可提高50%左右,所以擴底抗拔樁有著極高的推廣與使用價值。

      3.2試驗樁 Q-S曲線特征

      根據圖2,3可知,相比于等截面抗拔樁的Q-S曲線,擴底抗拔樁趨勢更為平緩,其極限承載力明顯高于等截面樁,且樁頂與樁端位移也遠大于等截面樁。當達到相同樁頂位移時,擴底抗拔樁極限承載力遠高于等截面樁。等截面樁Q-S曲線有明顯拐點,說明等截面樁的破壞是瞬間發生的,帶有突發性質。

      對于第1組試驗樁,3根抗拔樁最終都達到抗拔極限承載力。通過試驗樁結果可得,擴底抗拔樁承載力有較大幅度的提升,主要原因是2種樁上拔機理的不同。等截面樁的抗拔主要通過樁身與土體之間產生的摩阻力產生抗拔力,樁基達到極限承載力的標志是樁土產生一定的相對位移。與樁土間摩阻力極限值大小相關的因素為樁周土體類型,樁徑與其大小沒有關系。而擴底樁抗拔機理為2方面:上部樁身與周圍土體產生的側摩阻力;樁端擴大頭和土體之間產生相互擠壓,即為較大抗拔力。但這種抗拔力可能使土體產生不可逆轉的剪切破壞,從而產生更大的樁身位移。

      根據樁基位移統計(見表5)可知,擴底樁在達到極限承載力時,樁頂與樁端位移較等截面樁大,但這并不能說明在正常使用時擴底樁的抵抗變形能力比等截面樁差。因為通過表5的數據可知,在相同荷載作用下第1組SZ2 ,SZ3的樁頂位移分別為SZI的42. 5%和45.1% ,取均值為43.8%。在相同荷載作用下,第2組SZ5,Sz6樁頂位移為SZ4的47.5%和41.0% ,取均值為44.25%。所以擴底樁可應用于承載力要求較高且對上浮位移有嚴格控制的建筑物基礎。


      3.3樁身變形特征

      1)位移發展規律

      樁頂位移和樁端位移變形規律主要反映了樁身變形情況。根據試驗數據可知樁端位移量小于樁頂位移量,說明抗拔樁處于伸長狀態,樁基荷載從樁頂向下傳遞,樁周土體發生破壞的表現為樁頂與樁端變形增加相同,說明樁基達到承載能力極限狀態。擴底樁樁端擴大頭可以更好地與土體產生嵌固作用,使得擴底樁極限承載力遠大于等截面樁。

      2)伸長率

      由樁身伸長率測試結果(見表6)可知,雖然伸長率數值大小差距并不明顯,但數據顯示樁身伸長率均是擴底樁大于等截面樁,這一點說明擴底樁具有等截面樁所不具有的韌性。產生這種伸長率差異的原因是樁周土體對樁端擴大頭的嵌固作用,在上拔荷載作用下,樁身不斷被拉長,樁基伸長率增大。


      3)回彈率

      樁端回彈率試驗樁結果如表4所示。由表4所示數據可知,第2組的SZ6并未達到破壞,所以回彈率參考價值不高.對于第1組的3根抗拔樁結果,擴底抗拔樁的回彈率明顯低于等截面抗拔樁的回彈率。根據王衛東等的研究結果可知,等截面抗拔樁破壞是樁身與土體之間的摩擦剪切產生的,而擴底抗拔樁的破壞是樁土的摩擦剪切和壓縮沖剪共同影響產生的"。對于2種破壞形式發生的順序是摩擦剪切發生在壓縮沖剪之前,前期主要是樁、土間發生相對滑動,而后期是樁端擴大頭與土體的剪切破壞,在此過程中擴底樁發生更大幅度形變,以致這種變形無法恢復,所以在破壞狀態時,擴底抗拔樁的位移量遠大于等截面抗拔樁,但其回彈率又相對較小。根據表5所示樁頂剛度數據比較可知,樁頂剛度較大的擴底樁在正常工作狀態下回彈率更大。


      4結語

      1)試驗樁試驗結果表明:擴底抗拔樁在深圳前海灣軟黏土區適用.和等截面樁相比,擴底抗拔樁極限承載力提高50%左右,材料用量增加僅為5%左右,在成本增加較小的同時獲得承載力較大幅度的提高,所以擴底抗拔樁有極高的推廣與應用價值,今后對于深圳前海灣軟黏土區工程成樁設計可充分考慮擴底抗拔樁。

      2)對于荷載~位移曲線,擴底抗拔樁表現的更平穩,在樁基試驗后期,擴底抗拔樁明顯承載力更強,承載性能表現更穩定。對于擴底抗拔樁的破壞是樁、土的摩擦剪切和壓縮沖剪共同影響產生的。

      3)相較于等截面抗拔樁,擴底抗拔樁極限承載力更大,樁頂位移更大,但樁基的回彈率較小;而在正常工作狀態下,樁頂剛度較大的擴底抗拔樁的回彈率更大。

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