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超長灌注樁受力性狀淺析

來源:考試大發(fā)布時間:2012-01-09

  1.引言
  超高層建筑和大跨度橋梁的建設(shè),使得基底荷載越來越大,超長樁的應(yīng)用越來越廣泛(有的樁長達100米以上),對基樁承載力和變形都提出了更高的要求。結(jié)合相關(guān)文獻的理論與實測研究,可普遍認為樁長L≥50m且長徑比L/D≥50的樁為超長樁[1].理論研究和工程實踐均表明,超長樁的受力性狀與中長樁(包括短樁)有所區(qū)別。充分分析和認識超長樁的工作性狀,包括荷載-沉降曲線特性,軸力測試分析,樁側(cè)摩阻力發(fā)揮性狀分析,樁側(cè)摩阻力與樁土相對位移的關(guān)系,樁端阻力發(fā)揮性狀分析,有充分的現(xiàn)實意義,研究超長樁不僅是樁基理論自身發(fā)展的需要,更是工程界的迫切要求。
  2.工程背景
  本次試驗結(jié)合山東凱寶皇都國際商會中心樁基工程進行。擬建建筑物結(jié)構(gòu)形式為框剪結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)層數(shù)為37層,基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)。試驗樁共3棵,設(shè)計樁徑為1000mm,設(shè)計樁長為71m,試驗要求最大加載值超過20000kN,確定單樁豎向極限承載力值及相應(yīng)荷載下樁端阻力,為設(shè)計提供依據(jù)。
  3.工程地質(zhì)概況
  本試驗場區(qū)勘察深度范圍內(nèi),表層為素填土,其下為第四紀晚更新世(Q3、Q2)土層,地基土自上而下分為如下幾層:(1)素填土(2)粉質(zhì)粘土(2)-1粉土(3)粉質(zhì)粘土(4)粉土(4)-1粉砂(4)-2粉質(zhì)粘土(5)粉質(zhì)粘土(5)-1粗砂(5)-2膠結(jié)砂(6)粗砂(7)粉質(zhì)粘土(7)-1姜石(7)-2粗砂(8)粉土(9)粉質(zhì)粘土(9)-1粗砂(9)-2姜石(10)粉質(zhì)粘土(10)-1膠結(jié)砂(11)粉質(zhì)粘土(12)粉質(zhì)粘土(13)粉質(zhì)粘土
  4、樁身應(yīng)力測試
  為給設(shè)計單位提供樁端阻力值,因甲方要求施工工期緊,我們并沒有按每層土分別在土層界面處布置鋼筋應(yīng)力計以便測得每層土的側(cè)摩阻力。試樁SZ1在樁頂和樁端1倍樁徑處沿周長分別均勻布置了三只鋼筋應(yīng)力計;試樁SZ2、SZ3除在樁頂和樁端與試樁SZ1一樣布置了應(yīng)力計外,在樁長50m處又增加布置了一組(三只)鋼筋應(yīng)力計。
  試樁施工前,將鋼筋應(yīng)力計與主筋對焊連接,焊接時采取濕毛巾連續(xù)澆水降溫措施,保證鋼筋計在允許的溫度范圍內(nèi)不致產(chǎn)生附加應(yīng)力。試驗前在試驗室內(nèi)將鋼筋計逐個標定,得出每只應(yīng)力計實際的率定系數(shù),在試樁進行靜載試驗時,鋼筋應(yīng)力計中鋼弦的振動頻率就會發(fā)生變化,用頻率儀測出鋼弦的頻率變化即可得出鋼弦的受力大小,通過下述公式,計算出每級荷載下樁身軸力[2].
  式中N(i,j)-第i級荷載下第j截面樁身軸力(kN);
  -分別為樁身砼和鋼筋的彈性模量(MPa),本次試驗中,試樁混凝土強度等級為C40,取=3.25×104MPa,鋼筋采用25,HRB335,取=2.0×105MPa
  -分別為樁身截面積和單根主筋的截面積(㎡);
  -加載前第j截面鋼筋應(yīng)力計的頻率(Hz);
  -第i級荷載下第j截面鋼筋應(yīng)力計的頻率(Hz);
  K-鋼筋應(yīng)力計的率定系數(shù)(kN/Hz)。
  根據(jù)式(1)算出各級荷載下樁身各截面處軸力,如圖1所示[3](僅以SZ3為例)
  5.靜載試驗結(jié)果綜述
  SZ1試樁分級為12級,前11級分級加載增量為2000kN,第一次加兩級,以及逐級等量加載,第12級單級加載增量為1000kN,加載至23000kN,已達到設(shè)計要求最大加載量大于20000kN的要求,本級沉降穩(wěn)定,終止加載而卸載,未到極限荷載。最終樁頂累計沉降量30.25mm,卸載后殘余沉降13.30mm,回彈率56%;SZ2試樁分級為12級,前10級分級加載增量為2000kN,第一次加兩級,以后逐級等量加載,第11、12級單級加載增量為1000kN,加載至22000kN,樁頂沉降急劇增大,單級沉降已超過前級沉降的5倍,且樁頂累計沉降量超過60mm,終止加載而卸載,取前一級荷載為極限荷載;SZ3試樁分級為13級,前10級分級加載增量為2000kN,第一次加兩級,以后逐級等量加載,第11、12、13級單級加載增量為1000kN,加載至23000kN,已達到設(shè)計要求最大加載量大于20000kN的要求,本級沉降穩(wěn)定,終止加載而卸載,未到極限荷載。最終樁頂累計沉降量32.1mm,卸載后殘余沉降量14.48mm,回彈率55%,
  6.荷載-沉降曲線特征分析
  本次試驗三棵樁在成樁后分別進行了樁端樁側(cè)后注漿處理工藝,解決了樁端沉渣及泥皮過厚問題,SZ1、SZ3試樁Q-S曲線呈緩變形,沒有明顯的拐點,SZ2試樁加載至22000kN,沉降突然加大荷載迅速掉至14000kN,繼續(xù)補載也加不上兩級,沉降繼續(xù)發(fā)展,從預(yù)埋鋼筋應(yīng)力計反映到頻率儀上,在50m處同一端面出現(xiàn)兩側(cè)頻率值向相反方向變化,說明此時樁身出現(xiàn)彎折或已發(fā)生嚴重偏斜,觀察樁頂,已明顯出現(xiàn)向側(cè)邊偏移。可以判斷若不出現(xiàn)上述情形,SZ2試樁Q-S曲線仍會和SZ1、SZ3一樣呈緩變形,不會出現(xiàn)明顯的拐點。
  7.結(jié)論
 。1)樁端樁側(cè)采用后注漿工藝的超長灌注樁,Q-S曲線在試驗荷載作用下,呈緩變型,無明顯拐點,其極限承載力往往由樁頂變形值或控制樁身強度來確定。
 。2)由于樁身長,淺部側(cè)摩阻力小,在極限荷載下,樁頂沉降主要表現(xiàn)為樁身壓縮,壓縮量由彈性壓縮和塑性變形兩部分組成,在高應(yīng)力水平下,樁身塑性壓縮量大,不能把超長樁作為彈性桿件進行計算。超長樁的沉降計算,除要計算樁端力及樁側(cè)摩阻力傳遞到樁端引起的樁端沉降外,還要充分考慮樁身壓縮變形。
 。3)上部土層的側(cè)摩阻力先于下部發(fā)揮作用,荷載達到一定水平后,下部土層的側(cè)摩阻力才逐漸發(fā)揮出來。樁身下部位移小,下部側(cè)摩阻力存在不能充分發(fā)揮現(xiàn)象,即超長樁側(cè)摩阻力本身的發(fā)揮是一個異步過程。超長樁的端阻力發(fā)揮有明顯的滯后性,端阻力在整個承載力中所占的比例遠小于側(cè)摩阻力,超長樁為摩擦樁或端承摩擦樁。
  (4)超長樁樁身長徑比大,剛度較小,樁頂荷載不易向下傳遞,承載效率較低,極限承載力往往由樁頂變形和樁身強度來控制,由于樁身壓縮量大,在樁頂沉降達到控制值時,樁端沉降量還不大,還遠未達到樁端阻力完全發(fā)揮所需要的樁端沉降量,這就嚴重影響了超長樁端承力的發(fā)揮。所以設(shè)計時要選擇合適的樁長及長徑比。

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