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灌注桩桩底沉渣对桩体承载力影响的模型试验研究_杂志文章
灌注桩桩底沉渣对桩体承载力影响的模型试验研究
发布时间:2018-02-23浏览次数:211返回列表

马 露1,王钰轲2,陈 帅3

1. 安徽科技学院建筑学院,安徽滁州 233100

2. 郑州大学水利与环境学院,河南郑州 450000

3. 中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450000

摘 要 灌注桩在成桩过程中易产生桩底沉渣,桩底沉渣对桩体承载特性的影响一直是本领域的研究问题之一。

本文考虑到混凝土灌注桩及沉渣质量的不易控制,所以采用钢管代替钻孔灌注桩,简化制桩过程;沉渣采用质地软弱的泡沫板代替,试验采用均质砂土,研究分析沉渣对承载性状的影响。发现沉渣的存在确会降低桩体的极限承载力,承载力的降低值与沉渣的厚度有一定的规律性。

关键词 钻孔灌注桩;桩底沉渣;承载特性;模型试验

中图分类号 TU4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363(2016)12-0105-02

基金项目:安徽科技学院高层次人才科研启动项目(NO.ZRC2014464)。

作者简介:马露,助教,安徽科技学院建筑学院,研究方向为地基基础工程。

王钰轲,郑州大学水利与环境学院。

陈帅,中铁工程装备集团有限公司。

灌注桩基础具有较其他类型基础突出的优点,因此近年来在工程中的应用越来越多,成为现代建筑基础结构的主要形式之一。由于受到施工工艺、操作人员技术水平、施工现场环境和地质条件等方面因素的影响,在成桩过程中易产生桩底沉渣。肖宏彬等对单桩荷载—沉降关系的数值模拟方法进行研究[1] ;张明远等利用有限单元法软件对大直径钢管桩的承载特性进行研究[2] ;孙文怀等基于FLAC3D 对单桩负摩阻力特性进行了研究[3]。

考虑到沉渣和 灌注桩的制备难度较大以及桩体质量的不易控制,本次室内试验采用以泡沫板代替沉渣,钢管代替灌注桩的方法。所得结论能够在制定提高桩基承载力措施时,提供参考。

1 试验器材

1.1 试验槽及加压装置

试验中采用的试验槽尺寸为

800mm×400mm×400mm,两侧为钢板,另两侧为有机玻璃,上部有一32t 千斤顶。试验利用千斤顶作为加载设备,荷载值的大小通过安置在千斤[来自Www.lW5u.com]顶与桩顶之间的钢环确定,考虑到桩体的极限承载力,试验所采用的钢环量级为10t,变形参数为12.122 33kN/mm。

1.2 百分表及重锤

试验中采用百分表量测桩顶的沉降量,为保证量测准确,在桩顶放置一块刚性板,本试验采用钢板,并使桩顶、钢板中心、钢环轴线和千斤顶处在同一轴线,百分表固定在一侧,通过量测钢板的沉降量来确定桩顶的沉降量。

2 试验材料性质

2.1 砂土直剪试验

根据库仑定律,土体的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比[4]。试验前,用试验土体制备8 个土样,分成4 组,每组在不同的法向压力下进行剪切试验,记录试验数据,得出土体剪坏时剪应力,即抗剪强度τ 。根据土体的剪切定律确定土体参数φ=34.2°和c=4.5kPa。

2.2 砂土含水量试验

称取3 组试验砂土,重量控制在15g ~ 30g 之间,放入称量好的铝盒内,立即盖好盒盖,使用电子称称重并记录,精确至0.01g。由以上实验测得含水量平均为13.8%。

3 试验方案

3.1 试验准备

试验所用土体为均质砂土,考虑到试验中土体的稳定性和土体的压实难易程度,此次试验土体密度控制在1.4g/cm3 ~ 1.45g/cm3 为宜,即保证试验土体为中砂。

本次试验采用泡沫板代替沉渣。试验共模拟0mm、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm 六种厚度的沉渣,一种厚度进行两次单桩试验,结果取其平均值。

3.2 单桩载荷

为准确方便量测桩顶沉降,在桩顶置一刚性板,该试验采用钢板作为端头板,钢环置于刚性板之上,千斤顶之下,并使以上装置的轴线在同一条竖直线上。为保证钢环稳定,千斤顶可适当加[来自www.lW5u.coM]载,使钢环夹紧。百分表固定在试验槽支架上,通过量测刚性板的沉降来确定桩顶的沉降。

4 试验数据分析

4.1 沉渣厚度t 对极限承载力Q 的影响曲线

针对不同厚度的沉渣,绘制t ~ Q 曲线,以分析沉渣厚度和极限承载力的关系,如图1 所示。

从上图可以看出,桩底存在沉渣时桩体的极限承载力明显小于无沉渣时的极限承载力,这种影响下的承载力损失幅度值随着沉渣厚度的增加而逐渐减小。

1)当沉渣厚度t ≤ 40mm 时,桩体的极限承载力变化较大,下降幅度大。分析出现这种现象的原因,主要是上部荷载传至桩底时,桩体会通过压缩持力层来获得端阻,性质软弱的沉渣会使获得相同端阻时的压缩量增大,又会加剧沉渣所承受的荷载,导致其压缩量再一次增大,直至出现突然破坏。2)当荷载厚度t ≥ 60mm 时,桩体的极限承载力持续减小,但变化幅度小,曲线趋于平缓。分析出现这种现象的原因是,此时较厚的沉渣如要达到能够提供相当的端阻就需要较大的压缩量,但桩体的侧摩阻力有限,在沉渣能够提供端阻之前,侧摩阻力就已达到极限,桩体破坏,所以,此时桩体的极限承载力主要由侧摩阻力提供,变化值不大,趋于平稳。

4.2 沉渣厚度t 与极限承载力降低率c 的关系沉渣厚度t=20mm、40mm、60mm、80mm、100mm 时,桩体极限承载力降低率分别为8.5%、11.9%、13.6%、14.5%、15%。如图2 所示。

由图2 分析得:1)桩底沉渣厚度t=0mm ~ 40mm 时,桩体极限承载力降低率较小,但变化幅度很大。分析原因为,桩端原土层性质坚硬,承载力较高,而沉渣的性质软弱,当桩底被沉渣填充时,桩端受荷初期沉渣还能提供一定支持力,随着荷载增大,沉渣压缩增大直至屈服破坏;2)桩底沉渣厚度t=60mm ~ 1 000mm 时,桩体极限承载力降低率较大,但变化幅度较小。分析原因为,桩底沉渣过厚时,其受荷初期还能提供弹性支持力,荷载增大后,压缩量迅速增大,相比沉渣较薄时桩端荷载向下传递所需的位移增大,这就进一步促使桩侧摩阻力的发挥,使桩体在较小荷载时即达到极限承载力沉渣厚度较大时,桩体极限承载率变化的幅度较小。由图2 数据经MATLAB 拟合,曲线指数函数如下,沉渣厚度大于100mm 的极限承载率变化不大,可近似取t=100mm 时对应值。

5 结论

通过试验数据研究了沉渣厚度对单桩承载特性的影响,得到:1)沉渣厚度t ≤ 40mm 时,曲线的变化形式近似一种渐变形,桩体的破坏形式没有大的变化,桩体的极限承载力降低较大;2)沉渣厚度t ≥ 60mm 时,曲线的变化形式为突变形,桩体的破坏具有突发性,属于刺入破坏,即在桩体达到极限承载力时,桩顶的沉降具有明显的陡增,但桩体的极限承载力此时变化相对不大。

参考文献

[1]肖宏彬,钟辉虹,张亦静,等.单桩荷载—沉降关系的数值模拟方法[J],岩土力学,2002,10(5):592-596.

[2]张明远,黎生南,彭文韬,等.基于FLAC3D的超长大直径钢管桩竖向承载特性模拟[J].岩土力学,2011,9(32):2856-2860.

[3]孙文怀,王志强,宋少华,等.基于FLAC3D的单桩负摩阻力特性研究[J],华北水利水电学院学报,2011,32(6):93-96.

[4]卢廷浩.土力学[M].南京:河海大学出版社,2010.

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