新型带肋预应力管桩承载特性试验研究

新型带肋预应力管桩承载特性试验研究

 

前言
　　预应力管桩具有单桩承载力高、施工工期短、桩身耐打、穿透力强等优点，在国内外的基础工程中已得到了广泛的应用。但是，预应力管桩在处理深层软土地基时，桩侧摩阻力取值太低，对于以摩擦桩设计为主的预应力管桩极其不合理， 受设计规范和经济成本方面影响，也不宜通过增加桩长来提高承载力。
针对以上存在的问题，国内外有许多研究者作了不同的改进，日本早在20纪30年代就开始把改进后的预应力管桩称为节桩（如图1所示，并对节桩的桩体材料性能、 施工工艺及桩周边的土等方面作了比较深入地研究。国内，黄敏等从桩身和桩侧土两方面改进了预应力管桩的施工工艺， 并结合试验进行了承载力性能的探讨。

　　新型带肋预应力管桩是由浙江天海管桩有限公司生产出的一种高强混凝土离心成型的产品， 如图2 所示。 该桩是沿桩体的外壁每隔1～3m设置一节环状凸肋。 并在桩周外侧均匀加设多条纵状凸肋连接环状凸肋，该类型桩可以一次性在工厂预制，并改进了接桩施工工艺，采用机械快速接头接桩。新型带肋预应力管桩与相同直径、相同桩长的预应力管桩相比，桩身结构抗弯抗剪性能好，节约混凝土材料15％以上，生产成本可降低10％左右，桩侧摩阻力可大幅度提高，具有十分显著的技术经济效益。目前，新型带肋管桩在浙江省部分地区已得到应用和推广， 但整体上仍处于技术开发和研究应用阶段。本文通过3根普通预应力管桩和3根新型带肋预应力管桩的静荷载试验，对比分析了两种不同类型桩的承载力性能， 并结合成桩前后桩周土的标准贯入试验和静力触探试验， 探讨了新型带肋预应力管桩的承载变形特性。

　　1 现场试验
　　1.1 试验概况
　　某拟建工程位于杭州市西湖区袁浦镇。本工程为四层，主体采用框架结构。基础设计采用普通预应力管桩和新型带肋预应力管桩，桩长15m，桩身采用 C60混凝土，普通预应力管桩桩径为旁500mm，壁厚为115mm；新型带肋预应力管桩环状肋处桩径为覫500mm，其它桩体桩径为覫430mm，壁厚也为115mm；桩持力层为2~4层砂质粉土层，入持力层深度为1.5m，单桩竖向承载力设计值为870kN。场地地层及物理力学性质指标见表 1。

　　

　　1.2 试桩特征
　　本次6根试验桩的截面特征见表2。

　　1.3 试验结果
　　1.3.1 静载试验
　　试验利用静压桩架作荷重-反力架装置，并用千斤顶反力加载-百分表测读桩顶沉降的试验方法。试验按照《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003）和《浙江省建筑地基基础设计规范》（DB33/1001-2003） 有关规定的慢速维持荷载法加载。其有关参数如下：
　　（1）荷载分级为设计预估计最大试验荷载的 1/8~1/12取值，第一级取其2倍；
　　（2）每级荷载按 1min，5min，15min，30min，45min，60min，90min……各观测一次，直至每h沉降增量小于0.1mm为止，同时加下一级荷载；
　　（3）终止加载条件按建筑桩基检测技术规范和设计要求综合确定。
　　按上述要求进行了6根试桩的静载荷试验，试验结果见表3和图3。

　　1.3.2 打桩前后试桩场地标准贯入试验
　　为了解新型预应力管桩桩基施工后地基土体的性质变化，委托勘探单位对该工程的桩基施工影响区域和无影响区域进行了检测勘察。本次检测勘察采用的技术手段为静力触探原位试验和标准贯入试验；本次检测勘察的勘探孔共8个，机械钻孔和静力探孔各4个，设计孔深均为20m，即钻探至设计桩端以下5.0m左右。整理结果见图4、图5和图6。

　　2 试验结果分析
　　2.1 荷载（Q）-沉降（S）曲线分析
　　（1） S1和S2的Q-S曲线线型相似，均呈陡降型，破坏特征点明显，表现出摩擦桩的特征，但它们具有不同的破坏点，S1试桩比S2试桩在较小的荷载就出现了拐点，而两试桩破坏时所产生的变形大致相同，由此可知，S2试桩为新型带肋预应力管桩，跟S1普通预应力管桩相比，产生了更大的桩侧摩阻力，具有的极限承载力也就大了；S1和S2的破坏变形大致相同说明了它们最后产生的桩端力基本相同。
　　（2）S3和S4的Q-S曲线形式都是介于陡降型和缓变型之间，当荷载超过陡降起始点，桩沉降的速率明显增大，沉降稳定时间骤增。
　　（3）S5的Q-S曲线呈缓变型，当加载到 2500kN时，没有出现明显的向下折线段， 也没有出现第二拐点，没有达到极限状态。S6的Q-S曲线呈缓变、陡降型，当加载到2625kN时，没有出现明显的向下折线段，最后由于桩身压缩量小和桩端沉降量小，在桩侧摩阻力尚未充分发挥的情况下，便由于桩身材料强度的先屈服破坏而导致桩体破坏。S5试桩和S6试桩都比前面的S3试桩和S4试桩的承载力要高，变形量也比较小，说明新型带肋预应力管桩随试验间歇时间增大，桩周土体先前被管桩肋部往外侧挤迫的土， 在成桩后会逐渐恢复到原位置，S5和S6试桩此时比传统管桩S3和S4在桩侧多肋部端阻力（见图7 和图8），所以新型带肋预应力管桩比传统管桩具有更大的承载力。

　　（4）尽管6根试桩是在相同试验条件下进行试验，但当桩表面粗糙程度发生变化之后， 桩的承载力便出现了比较大的差异，从图3可以看出，在试验初始阶段，6根试桩的Q-S曲线线型基本相似，桩顶施加的荷载不断增加，6根试桩的承载力便出现了差别，相同试验间歇时间（8d）的S1试桩和S2试桩在较小的荷载下就出现了比较大的位移，S1试桩的极限承载力、位移沉降都比S2试桩小，S2试桩的极限承载力比S1试桩的极限承载力提高了30%；而同样也是在相同试验间歇时间（20d）的S3试桩、S4试桩、S5试桩和S6，S5试桩和S6试桩的Q-S曲线则在较大的荷载下才开始出现转折，承载力有了较大的提高，最大值的S6试桩的极限承载力比S3试桩和S4试桩，分别提高了17%和20%。
　　上述试验结果说明，新型带肋预应力管桩的荷载变形曲线相对平缓，表现得更有后劲，极限承载力比等直径光滑圆管桩提高15%以上。
　　2.2 桩周土变化特性分析
　　由图 4 可知， 各层地基土桩基施工后较施工前密实性有明显提高，击数增长量达到 39.1%～154.4%。 由图 5、图 6 可知：②-1层土体性质变化较小，②-2和②-3层地基土的锤头阻力和侧壁摩阻力增长较大，②-4层变化较小；新型管桩施工时对浅部土层（一般在6m以内）影响较小，锤头阻力增大了8.05%，侧壁摩阻力增大了5.56%；下部桩身土层范围内影响较大，挤密效果明显，锤头阻力最大增大了 59.07%，侧壁摩阻力最大增大了47.78%，对桩端以下土层挤密小。 可见，新型预制预应力管桩作为预制桩，施工时为挤土桩，工前工后的挤压效应是十分明显的。
　　研究分析认为新型带肋管桩挤土明显正如图7 所示，图中阴影部分为桩对周边土体的影响区域，由于新型带肋管桩压桩时，会在桩侧产生纵环肋部摩阻力、环状肋部摩阻力、环状肋部端阻力、桩端阻力以及非肋部摩阻力，造成桩周边土体影响范围为图 7(a)所示，在环肋处影响范围会变大；而光滑圆管桩在压桩入土时，只有桩侧摩阻力和桩端阻力，造成桩周土范围自然就小。见图7（b）。
　　3 承载力特性分析
　　新型带肋预应力管桩与传统的圆筒管桩相比，桩侧摩阻力的提高有内部原因，也有外部原因，主要原因如下：
　　（1） 由于桩周侧面具有了更为粗糙的侧表面积，显然就比光滑的圆筒桩的摩擦力大,见图8。从图中对比明显可以看出新型带肋管桩比传统管桩的承载力大。
　　（2）新型带肋管桩由于环状凸肋存在，在打入地基过程中桩周的土或砂石受到挤压作用变得非常密实，当桩顶承受荷载产生沉降时， 环状凸肋之间的土或砂石随桩一起向下运动， 最终形成跟环状凸肋大小相当的圆筒剪切面。
　　（3）肋部的承压作用导致桩侧土挤密和产生附加应力，使得土体抗剪强度提高。 由文献[1~2]中的试验表明，肋部承受着一定的压力。 由于这个压力的存在，使得紧靠肋部下面的土或砂石有向外挤出的趋势， 从而使桩侧土挤密；另一方面，肋部的承压作用所产生的压力本身又作为附加压力作用于桩侧土或砂石。 正因为上述两者的作用， 新型带肋管桩桩侧土的抗剪强度比一般圆管桩大。

　　4 结论
　　（1）新型带肋管桩的承载力可提高15%以上，可节约混凝土材料15％以上，生产成本可降低10％左右，可以一次性在工厂预制，并改进了接桩施工工艺，采用机械快速接头接桩， 缩短了施工周期，故经济效益明显。
　　（2）与等直径光滑圆管桩相比，新型带肋管桩的Q-S 曲线相对平缓，表现得更有后劲。
　　（3）新型预制预应力管桩作为预制桩，施工时为挤土桩，工前工后的挤压效应是十分明显的。
　　（4）新型带肋预应力管桩外表面比相同直径光滑圆管桩更粗糙，产生的摩阻力也就更大，会形成跟环状凸肋直径大小相当的圆筒剪切面。由于条件的限制， 本次现场静载试验没有对桩身轴力进行量测，因此无法对桩侧摩阻力分布规律、桩周土破坏机理进行深入分析。 数值模拟方法为进一步的研究提供了手段，相关工作将另外撰文阐述。