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靜鉆根植樁擴(kuò)底部承載力性能研究

2015-11-18 960 0

吳磊磊1,朱瑤宏2,葉俊能2,張日紅1
（1、中淳高科樁業(yè)股份有限公司，浙江 寧波 315000； 2、寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315000 ）

　　摘 要 ：靜鉆根植樁樁端通過擴(kuò)底注漿可大幅度提高樁端承載力，從而發(fā)揮預(yù)制樁樁身高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。通過簡化模型對靜鉆根植樁擴(kuò)底固化體與預(yù)制樁的共同工作狀態(tài)進(jìn)行了分析，提出了擴(kuò)底固化體的基本性能要求，并通過鉆芯取樣確認(rèn)了擴(kuò)底固化體的強(qiáng)度。在某工程試驗(yàn)項(xiàng)目中通過在樁端上部設(shè)置荷載加載箱，對樁端擴(kuò)底部分的抗壓承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了靜鉆根植樁樁端極限端阻力的取值方法。
　　關(guān) 鍵 詞：靜鉆根植樁；擴(kuò)底；固化體；加載箱；極限端阻力
　　[中圖分類號] [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A
　　1 概述
　　靜鉆根植樁采用預(yù)鉆孔后在樁端及樁周注漿，利用樁身自重將預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土預(yù)制樁植入孔內(nèi)，通過樁端水泥漿及樁周水泥土的固化發(fā)揮承載性能。與傳統(tǒng)預(yù)制樁的打入或靜壓施工方法相比，由于施工過程對預(yù)制樁樁身沒有任何不良影響，樁身承載能力可以得到充分利用。靜鉆根植樁樁端部通過按設(shè)計要求的擴(kuò)大尺寸進(jìn)行擴(kuò)底并注漿，可大幅度提高樁端承載力，從而發(fā)揮預(yù)制樁樁身高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。靜鉆根植樁所使用的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土預(yù)制樁包括先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土竹節(jié)樁（PHDC竹節(jié)樁）、復(fù)合配筋先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PRHC樁）及預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC 管樁）。通過配置不同樁型，可以發(fā)揮各樁型的性能特性，滿足工程對抗壓、抗拔、抗水平荷載的要求。
　　同樣作為非擠土樁型，靜鉆根植樁采用C80或更高強(qiáng)度的混凝土和高強(qiáng)PC鋼棒工廠化制造的預(yù)制樁，在同等承載力條件下，混凝土等材料用量比鉆孔灌注樁可以節(jié)約50%以上，大幅度降低了各種資源的消耗和樁基的碳排放量。該技術(shù)具有綠色施工和工業(yè)化特點(diǎn)。
靜鉆根植樁的擴(kuò)底直徑可以達(dá)到鉆孔直徑的1.6倍，擴(kuò)底高度是鉆孔直徑的3倍以上，且不應(yīng)小于2m。為確保樁基端阻力能夠得到充分發(fā)揮，需根據(jù)持力層土體的強(qiáng)度選擇注入一定強(qiáng)度的水泥漿。注入水泥漿的水灰比一般為0.6~0.9，注入量為整個擴(kuò)底部分體積，這樣在樁端擴(kuò)底部形成具有較高強(qiáng)度的固化體構(gòu)造。如采用水灰比為0.6的水泥漿按擴(kuò)底部分體積注入時，樁端單位體積注入水泥量為1090kg/m3。根據(jù)所在土層的特性，所形成的樁端部擴(kuò)底固化體的單軸抗壓強(qiáng)度為7~30MPa。為使樁身與擴(kuò)底固化體成為一體共同承受由上部傳遞的荷載，擴(kuò)底部分的預(yù)制樁使用竹節(jié)樁，通過其凸起部分的承壓效果來增強(qiáng)樁身與擴(kuò)底固化體的粘結(jié)強(qiáng)度，使得預(yù)制樁與擴(kuò)底固化體共同工作。
　　為確保靜鉆根植樁擴(kuò)底尺寸符合要求并能夠得到有效確認(rèn)，在靜鉆根植樁施工用單軸鉆機(jī)的鉆桿中埋入液壓回路，由該液壓擴(kuò)大系統(tǒng)進(jìn)行樁端部擴(kuò)底作業(yè)。施工時可在地上操作打開擴(kuò)大機(jī)構(gòu)，并可確認(rèn)擴(kuò)大部位的直徑。進(jìn)行擴(kuò)底作業(yè)時，根據(jù)所在土層的強(qiáng)度指標(biāo)分?jǐn)?shù)次逐步加大擴(kuò)底直徑直至達(dá)到設(shè)計要求尺寸（見圖1）。

圖1 液壓擴(kuò)大翼打開狀態(tài)
　　本文首先通過簡化模型對擴(kuò)底固化體與預(yù)制樁的共同工作狀態(tài)進(jìn)行分析，提出了擴(kuò)底固化體的基本性能要求，并鉆芯取樣確認(rèn)其強(qiáng)度。在某軌道交通試驗(yàn)項(xiàng)目中，在樁端上部設(shè)置荷載加載箱，對樁端擴(kuò)底部分的抗壓承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了樁端極限端阻力的取值方法。
　　2 擴(kuò)底部承載力性能分析
　　靜鉆根植樁使用的三種預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土預(yù)制樁的常用樁型組合見表1。樁型組合1主要適用于對抗水平荷載或抗拔荷載有較高要求的樁基礎(chǔ)。二種組合中，下節(jié)樁均采用PHDC竹節(jié)樁。下節(jié)PHDC竹節(jié)樁與上節(jié)PHC管樁或PRHC樁相接時，可根據(jù)工程需要，使用帶有樁身頂部擴(kuò)徑的PHDC竹節(jié)樁。
表1 靜鉆根植樁常用預(yù)制樁樁型組合
部位
組合1
組合2
上節(jié)樁型
PRHC
PHC
中段樁型
PRHC+PHC 或
PHC+PHC 或
PHC+PHDC
PHC+PHC或
PHC+PHDC或PHDC+PHDC
下節(jié)樁型
PHDC
PHDC
　　為確認(rèn)靜鉆根植樁進(jìn)入樁端擴(kuò)底部的PHDC竹節(jié)樁與擴(kuò)底固化部共同工作的條件，將PHDC竹節(jié)樁凸起部分的承壓效應(yīng)簡化為沿竹節(jié)外徑的抗剪作用。對靜鉆根植樁樁端擴(kuò)底部承載性能通過圖2的簡化模型進(jìn)行分析。

圖2 樁端擴(kuò)底部承載力簡化模型
　　F為位于擴(kuò)底部上端PHDC竹節(jié)樁在豎向抗壓荷載作用下的樁身軸力。在PHDC竹節(jié)樁與擴(kuò)底固化體共同工作條件下，F(xiàn)為樁端擴(kuò)底部分的側(cè)阻力與按樁端擴(kuò)底面積考慮的端阻力之和。考慮到擴(kuò)底部分高度有限及擴(kuò)底部分的受力特征，側(cè)阻力的影響可以不予考慮。擴(kuò)底直徑為Dk(m)，擴(kuò)底高度為H(m)，按普通工法考慮的預(yù)制樁樁端土極限端阻力為qpk(kPa)，ψ為考慮靜鉆根植樁施工方法對極限端阻力影響的折減系數(shù)，則有靜鉆根植樁的極限端阻力 ， 擴(kuò)底部上端PHDC竹節(jié)樁的樁身軸力 。PHDC竹節(jié)樁的竹節(jié)外徑為Dj(m)，樁身直徑為D(m)，進(jìn)入擴(kuò)底部的PHDC樁的高度為H(m)。在PHDC竹節(jié)樁與擴(kuò)底固化部共同工作的條件下，按竹節(jié)樁竹節(jié)外徑部分考慮的PHDC竹節(jié)樁與擴(kuò)底固化部間的剪應(yīng)力qs′為

　　 以下節(jié)樁采用PHDC 650-500竹節(jié)樁為例：Dj為0.65m，D為0.5m，擴(kuò)底直徑Dk為1.125m，擴(kuò)底高度為2.5m，進(jìn)入擴(kuò)底部的PHDC樁的高度為2.0m。取qpk為6000kPa，ψ按0.5、0.67考慮時，按上式計算的qs ′分別為781kPa、1046kPa。從計算結(jié)果來看，如果下節(jié)樁采用等截面PHC管樁，由于缺少PHDC竹節(jié)樁凸起部分的承壓效果，等截面樁身與擴(kuò)底固化體之間的粘結(jié)強(qiáng)度難以滿足上述剪應(yīng)力計算結(jié)果qs′的要求。
　　根據(jù)既往的研究結(jié)果，水泥土的抗剪強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的比例關(guān)系為1:3~1:5，按1:5推算對應(yīng)于上述剪應(yīng)力計算結(jié)果qs′的水泥土抗壓強(qiáng)度分別為3.9MPa、5.2MPa。靜鉆根植樁按水灰比0.6的配合比注入擴(kuò)底部位水泥漿試件的單軸抗壓強(qiáng)度在20MPa以上。某工業(yè)項(xiàng)目采用靜鉆根植樁，樁端擴(kuò)底部位于含角礫的粉質(zhì)粘土層中，qpk為4800kPa，按上述方法推算擴(kuò)底固化體的最低強(qiáng)度要求為3.8MPa。沉樁后28日樁端部取芯試塊的平均單軸抗壓強(qiáng)度為14.3MPa，能夠滿足擴(kuò)底固化體與PHDC竹節(jié)樁共同工作條件下的強(qiáng)度要求。
　　3 擴(kuò)底部承載力試驗(yàn)研究
　　結(jié)合靜鉆根植樁在某軌道交通工程高架項(xiàng)目的應(yīng)用研究，在該項(xiàng)目主線A45號墩和A46號墩之間的非原位試樁中進(jìn)行了樁端擴(kuò)底部豎向抗壓承載性能的試驗(yàn)。試驗(yàn)場地的土層地質(zhì)條件見表2.
 
表2 試驗(yàn)場地的土層地質(zhì)條件
土 層
頂面高/m
層厚
/m
實(shí)測標(biāo)貫/N
預(yù)制樁/kPa
qsik
qpk
①1a雜填土
-1.04
5.00
      
①2黏土
-2.19
1.15
10.5
50
  
②2淤泥質(zhì)粘土
-9.04
6.85
  
20
  
②2b粉土夾粉砂
-13.04
4.00
7.7
36
  
②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土
-15.04
2.00
4.0
22
  
④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土
-19.04
4.00
3.5
22
  
④2粘土
-27.04
8.00
6.7
44
  
⑤1粉質(zhì)粘土
-30.34
3.30
41.0
72
2200
⑤5圓礫
-32.44
2.10
58.0
110
7500
⑥1粉質(zhì)粘土
-36.04
3.60
20.7
65
  
⑥2粉質(zhì)粘土
-39.24
3.20
13.0
50
  
⑥5圓礫
-42.54
3.30
45.4
110
  
⑧3礫砂
-46.84
4.30
55.9
110
  
⑨1粉質(zhì)粘土
-48.94
2.10
31.3
75
3600
⑨1a碎石
-52.94
4.00
54.5
150
9000
⑨1粉質(zhì)粘土
-57.19
4.25
31.3
75
3600
⑨2圓礫
-68.80
11.61
55.5
110
7500
　　本次試驗(yàn)共對2根靜鉆根植樁進(jìn)行了樁端擴(kuò)底豎向抗壓承載性能的試驗(yàn)。樁型組合至上而下由PRHC800（130）Ⅱ-15 + PHC800（130）AB-15 + PHC800（130）AB-15 + PHC800（130）AB-12 + PHDC800-600（130）AB-7組成，配樁由15m+15m+15m +12m+7m共計樁長64m組成。持力層為⑨2圓礫層。由于需要考慮抗水平荷載的要求，上節(jié)樁采用了復(fù)合配筋的PRHC樁Ⅱ型，該樁樁身除配置了與同直徑PHC管樁AB樁相同數(shù)量的PC鋼棒16Ф12.6外，沿樁身全長配置了16C16的非預(yù)應(yīng)力鋼筋。
　　試驗(yàn)樁施工鉆孔直徑為0.9m，擴(kuò)底直徑為1.35m，擴(kuò)底高度為3m，樁端擴(kuò)底部分的體積為4.29m3。樁端注入水泥漿的體積為4.3m3，水灰比0.6，樁周注入水泥漿的水灰比1.0。

 
　　為確認(rèn)樁端擴(kuò)底部分的豎向抗壓承載性能，在樁身接近擴(kuò)底部位設(shè)置荷載加載箱，通過由高壓油泵在地面向加載箱充油加載，加載箱將力傳遞到樁身，通過上部樁身的摩擦力與下部樁的樁身摩擦力及端阻力作為相互反力來維持加載。根據(jù)表2中給出的土層參數(shù)對假定的加載箱位置上段樁的側(cè)摩阻力和下段樁的側(cè)摩阻力和端阻力進(jìn)行了估算，結(jié)合靜鉆根植樁樁端為圓礫層的工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合考慮，認(rèn)為加載箱布置在樁端以上7m位置可以保證上下段樁的承載力基本平衡。下節(jié)樁采用7m長度PHDC800-600的竹節(jié)樁。該節(jié)樁上部樁身直徑由600mm擴(kuò)大至800mm，以便于安裝加載箱。試驗(yàn)時每根試驗(yàn)樁采用4只電子位移計量測樁位移量，2只用于量測樁頂向上位移，2只用于量測加載箱底板的向下位移。
　　考慮到所使用的預(yù)制樁樁身承載力極限值為11600kN，加載按2×600kN分級進(jìn)行。加載至2×6000kN時，向上、向下位移很小，繼續(xù)加載至2×7800kN，因此時荷載已超過加載箱最大加載能力，故終止了加載。
　　從表3的試驗(yàn)結(jié)果來看，在加載至2×7800kN時，加載箱向下位移分別為7.23mm、6.94mm，樁端變形量很小，說明靜鉆根植樁擴(kuò)底部位PHDC竹節(jié)樁與擴(kuò)底固化體處于共同工作狀態(tài)，加載至最后一級時，靜鉆根植樁尚遠(yuǎn)未達(dá)到豎向抗壓承載力極限狀態(tài)。通過計算等效加載Q-s曲線得知，按樁頂沉降量40mm來考慮的極限承載力為16773kN。在此條件下的等效樁頂沉降量和等效樁頂荷載近似線性關(guān)系，變形量主要為樁身彈性壓縮量。
表3 加載試驗(yàn)結(jié)果
加載值
/kN
試驗(yàn)樁1
試驗(yàn)樁2
SS
/mm
SX
/mm
SS
/mm
SX
/mm
2×1200
0.05
-0.09
0.04
-0.16
2×1800
0.08
-0.16
0.06
-0.31
2×2400
0.16
-0.29
0.11
-0.58
2×3000
0.25
-0.47
0.18
-0.97
2×3600
0.36
-0.68
0.27
-1.48
2×4200
0.49
-1.02
0.37
-2.16
2×4800
0.65
-1.54
0.48
-2.86
2×5400
0.82
-2.36
0.60
-3.62
2×6000
1.03
-3.32
0.73
-4.40
2×6600
1.25
-4.35
0.87
-5.21
2×7200
1.48
-5.67
1.02
-6.05
2×7800
1.72
-7.23
1.19
-6.94
2×6600
1.64
-6.86
1.14
-6.60
2×5400
1.50
-6.37
1.06
-6.12
2×4200
1.29
-5.62
0.94
-5.49
2×3000
1.01
-4.69
0.79
-4.74
0
0.27
-3.20
0.32
-3.65
　　注：SS為樁頂向上位移; SX為加載箱底板向下位移。
　　本試驗(yàn)中，加載箱位置距樁端為7m，加載箱至擴(kuò)底高度以上部分樁長為4m。根據(jù)表2的參數(shù)，計算得到此部分樁身側(cè)阻力為1105kN?？鄢瞬糠謽渡韨?cè)阻力，最大試驗(yàn)荷載下的擴(kuò)底部上端樁身軸向荷載為6695kN。根據(jù)可以計算得到折減系數(shù)ψ為0.63。因在最大試驗(yàn)荷載下變形較小，未達(dá)到豎向抗壓承載力極限狀態(tài)，如按等效加載P-s曲線在樁頂最大沉降量40mm時的極限承載力推算加載箱位置的荷載為16773/2=8386kN，可以計算得到折減系數(shù)ψ為0.68。在本試驗(yàn)場地持力層為圓礫層時，靜鉆根植樁的樁端極限端阻力可按預(yù)制樁樁端極限端阻力的2/3取值。
　　表4對比了靜鉆根植樁試驗(yàn)樁和該試驗(yàn)場地附近的鉆孔灌注樁的加載箱以下部位樁的加載試驗(yàn)結(jié)果。圖4為二種樁型加載箱以下部位樁的Q-s曲線。從表4及圖4可以看到，在同場地條件下，盡管靜鉆根植樁使用的預(yù)制樁外徑僅為800mm，通過樁端擴(kuò)底至1350mm和使用PHDC竹節(jié)樁，樁端部分能夠發(fā)揮較好的豎向抗壓承載性能。
 
表4 靜鉆根植樁與鉆孔灌注樁試驗(yàn)結(jié)果對比
樁型
規(guī)格
加載箱距樁
端位置 /m
最大加載
 /kN
對應(yīng)SX
/mm
靜鉆根植樁
1#樁800mm
7
2×7800
-7.23
2#樁800mm
7
2×7800
-6.94
鉆孔灌注樁
1200mm
10
2×6600
-15.60
1500mm
11
2×8300
-18.67
 
圖4 加載箱以下部位樁的Q-S曲線
　　4 結(jié)語
　?。?）靜鉆根植樁使用PHDC竹節(jié)樁能夠滿足樁端擴(kuò)底固化體與樁身共同工作的要求。
　?。?）樁端持力層為圓礫層時，靜鉆根植樁的樁端極限端阻力可按預(yù)制樁樁端極限端阻力2/3取值。
　?。?）通過擴(kuò)底，靜鉆根植樁能夠發(fā)揮較高的樁端豎向抗壓承載性能。
　　參 考 文 獻(xiàn)
　　[1] KON. H. Confirmation of Quality by Excavation investigation of root solidify bored precast piles, [第45回地盤工學(xué)研究発表會]，2010, (In Japanese)
　　[2] 張日紅，吳磊磊，孔清華. 靜鉆根植樁基礎(chǔ)研究與實(shí)踐[J]. 巖土工程學(xué)報，2013，35（zk2）：1200-1203.

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