鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力的試驗(yàn)研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
呂文龍，劉 戀，鄧 婷
（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州510500）
[摘要]通過12個(gè)鉆孔注漿鋼管樁試件的樁身軸壓承載力試驗(yàn)，得出了各試件的荷載一變形曲線，對比分析了各種計(jì)算方法預(yù)測的試件軸壓承載力的有效性。研究表明：①實(shí)測鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按鋼管軸壓承載力計(jì)算的設(shè)計(jì)值大約2.2~3.1倍；②實(shí)測鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按鋼管軸壓承載力+鋼管內(nèi)注漿體軸壓承載力計(jì)算的設(shè)計(jì)值大約1.5~1.8倍；③實(shí)測鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按我國標(biāo)準(zhǔn)CECS28：2012中鋼管混凝土柱軸壓承載力計(jì)算的設(shè)計(jì)值大約1.3~1.6倍，吻合較好。
[關(guān)鍵詞]鉆孔注漿鋼管樁；樁身抗壓承載力；靜力試驗(yàn)[中圖分類號] TU443
鉆孔注漿鋼管樁是利用地質(zhì)鉆機(jī)，鉆出直徑150mm~ 300mm的鉆孔，然后在鉆孔中設(shè)置鋼管，再澆筑水泥漿或水泥砂漿的一種小型樁基。鉆孔注漿鋼管樁具有施工設(shè)備小、施工速度快、施工質(zhì)量可靠的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于邊坡和基坑支護(hù)、既有房屋的地基基礎(chǔ)加固及樁基事故加固處理中。指出高承臺鋼管樁受壓極限承載力無法按現(xiàn)行規(guī)范求出，因此用1：2模型試驗(yàn)和非線性屈曲數(shù)值分析的方法得到了鋼管樁頂部受壓的應(yīng)力分布和極限承載力，并進(jìn)一步確定出其計(jì)算長度系數(shù)和受壓穩(wěn)定性系數(shù)。
鉆孔注漿鋼管樁的單樁豎向極限承載力可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，但對于樁身軸壓承載力的計(jì)算，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》和《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》并無提出對應(yīng)的計(jì)算方法或可參考計(jì)算的方法。因此，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力時(shí)，一般是按下列方法進(jìn)行計(jì)算：①只考慮鋼管的軸壓承載力，忽略注漿體的軸壓承載力；②將計(jì)算的鋼管軸壓承載力憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)乘以一個(gè)1. 1 N 1.5的放大系數(shù)近似考慮注漿體的軸壓承載力；③將鋼管的軸壓承載力與鋼管中注漿體的軸壓承載力相加作為鋼管樁樁身的軸壓承載力。第一種計(jì)算方法的觀點(diǎn)是擔(dān)心注漿體的抗壓強(qiáng)度太小，難以與鋼管共同承載；第二種計(jì)算方法的觀點(diǎn)認(rèn)為注漿體和鋼管能在一定的豎向壓力作用下共同承載，但不確定是否能最終共同破壞；第三種計(jì)算方法的觀點(diǎn)認(rèn)為注漿體和鋼管能在軸向壓力作用下共同承載，并最終共同破壞。
因此，有必要對鉆注漿鋼管樁的樁身軸壓承載力進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對其樁身承載力計(jì)算方法進(jìn)行研究。
1 試驗(yàn)研究
1.1 試件設(shè)計(jì)
本次試驗(yàn)共制作12根試件，按鋼管直徑不同分為A、B、C三組，每組試件4根，各組試件的基本參數(shù)見表1。其中9根試件用于樁身軸壓承載力試驗(yàn)，另外3根用于抽取芯樣量測鋼管內(nèi)注漿體的抗壓強(qiáng)度。
首先按照預(yù)定尺寸加工鋼管，并保證兩端截面平整，鋼管沿其縱向每隔300mm切割出一個(gè)直徑為50mm的圓孔（共計(jì)3個(gè)，錯(cuò)開布置），以便于鋼管內(nèi)水泥砂漿從鋼管內(nèi)流出填滿樁孔，如圖1所示。水泥砂漿所用材料包括42.5普通硅酸鹽水泥和中砂。
由于本文試驗(yàn)所需鋼管樁長度小，采用人工方式在填土地層內(nèi)開挖出12個(gè)鋼管樁試件的樁孔，如圖1(a)所示。樁孔大小見表1。水泥砂漿澆注前每個(gè)樁孔采用相同外徑的PVC管作為臨時(shí)護(hù)壁，以防止在澆筑水泥砂漿前鉆孔塌孔，澆筑時(shí)PVC管緩慢抽離鉆孔。試件在鉆孔內(nèi)澆筑，為了更好地模擬實(shí)際施工狀態(tài)，考慮鉆孔中的泥土及地下水對水泥砂漿體強(qiáng)度及其與鋼管壁之間粘結(jié)強(qiáng)度的影響。
鋼管樁試件澆注過程如下：先將鋼管分別放人對應(yīng)的樁孔內(nèi)，并盡量保證鋼管的中心位置與樁孔的中心重合。制備水灰比約為1.0的水泥砂漿，將注漿管伸人樁孔底部，水泥砂漿通過砂漿泵注入樁孔，邊注漿邊將PVC管緩慢提升至樁孔外，樁孔注滿并返漿后停止注漿，如圖1(b)所示。定期澆水養(yǎng)護(hù)28d后將試件開挖出來，去除其表面粘附的砂土，采用打磨機(jī)將兩側(cè)樁端磨平，如圖2所示。
1.2試件量測
試驗(yàn)在廣州大學(xué)工程抗震研究中心實(shí)驗(yàn)室的1000t壓力設(shè)備上進(jìn)行。試件側(cè)面對稱設(shè)置2個(gè)量程為10cm的位移計(jì)。施加豎向荷載時(shí)，首先采用力控制策略（注：每級荷載100kN），接近預(yù)估的抗壓承載力時(shí)改用位移控制策略。每級荷載的持續(xù)時(shí)間約1min~2min。圖3為加載與測量裝置的示意圖。
1.3材性試驗(yàn)
試件養(yǎng)護(hù)28d后，采用混凝土抽芯機(jī)對A-4、B-4、C-4三根試件的鋼管兩端內(nèi)水泥砂漿抽取芯樣6個(gè)，測得其立方體抗壓強(qiáng)度為28. 2MPa。利用多余鋼管，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得A、C組鋼管屈服強(qiáng)度為318MPa，B組鋼管屈服強(qiáng)度為314MPa。
1.4 試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)過程中各試件的宏觀破壞現(xiàn)象較為相似，主要表現(xiàn)為：加載初期試件處于彈性階段；隨著荷載增加，在各自軸壓承載力的60%左右，三組樁的水泥砂漿保護(hù)層開始開裂、脫落；在各自軸壓承載力的95%左右，可用肉眼觀察到三組試件的鋼管輕微起鼓，此時(shí)鋼管屈服；隨后柱頂附近鋼管因加載設(shè)備鋼板的約束效應(yīng)出現(xiàn)局部屈曲并持續(xù)發(fā)展；極限荷載之后，隨著試件軸向變形的增加，多數(shù)試件的荷載基本保持穩(wěn)定。試件最終破壞形態(tài)見圖4。
軸壓試驗(yàn)對應(yīng)的荷載·豎向變形曲線如圖5所示。圖5顯示，進(jìn)入強(qiáng)化段之前每條荷載·豎向變形曲線在橫坐標(biāo)4mm~5.5mm范圍內(nèi)均存在一個(gè)局部最大值，本文取該局部最大值為相應(yīng)鋼管樁樁身的抗壓承載力。由圖5可知：
1)鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓的荷載一變形曲線呈雙折線形，由上升段和平緩上升段組成，平緩上升段總體呈現(xiàn)出荷載隨位移增加緩慢增長并漸趨平緩的趨勢。這是因?yàn)楸驹囼?yàn)采取的鋼管壁厚較大，鋼管屈服后，鋼管內(nèi)的水泥砂漿由于鋼管的約束效應(yīng)，抗壓強(qiáng)度有所提高。
2)隨著鋼管直徑的增大，荷載．變形曲線上升段的斜率隨之增大，即初始軸向受壓剛度隨之增大。
2計(jì)算比較
方法一，鉆孔注漿鋼管樁軸壓承載力設(shè)計(jì)值N。按鋼管軸壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算的公式如下：
式中：f c為鋼管的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為鋼管面積。
方法二，Nu按鋼管軸壓承載力設(shè)計(jì)值+鋼管內(nèi)注漿體軸壓承載力設(shè)計(jì)值（不考慮鋼管對注漿體的約束）計(jì)算的公式如下：
方法三，Nu按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS 28：2012)中鋼管混凝土柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算的公式如下：
為與混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)的套箍指標(biāo)界限值；a為與混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)的系數(shù)。以上4個(gè)參數(shù)的取值詳見相關(guān)表格。采用該方法時(shí)，鋼管的徑厚比宜為(20~135) 235/f，且θ宜為0.5~
2.5 。
按上述方法分別計(jì)算各試件的28d軸壓承載力并與試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行比較，具體見表2和表3。
由表3可知：
1)實(shí)測的鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按鋼管軸壓承載力計(jì)算的結(jié)果大約2.2~3.1倍，過于保守。
2)實(shí)測的鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比 按鋼管軸壓承載力+鋼管內(nèi)注漿體軸壓承載力（不考慮鋼管對注漿體的約束）計(jì)算的結(jié)果大約1.5~
1.8倍。
3)實(shí)測的鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中鋼管混凝土柱的軸壓承載力計(jì)算的結(jié)果大約1.3~1.6倍，較為合理。雖然鉆孔注漿鋼管樁中鋼管內(nèi)填充為水泥砂漿體，而非該規(guī)程中所要求的混凝土，但計(jì)算結(jié)果仍較為吻合，說明用該方法計(jì)算該樁型的樁身軸壓承載力是合理的。
4)由試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果的對比來看，鉆孔注漿鋼管樁軸力達(dá)到軸壓承載力時(shí)，鋼管的壓應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度，鋼管內(nèi)注漿體的壓應(yīng)力由于鋼管的約束效應(yīng)，高于其軸心抗壓強(qiáng)度。
3 設(shè)計(jì)建議
在實(shí)際工程中，當(dāng)鉆孔注漿鋼管樁周圍為淤泥或其他較差的土層，由于地層對樁的約束作用較弱，在承載過程中砂漿保護(hù)層會發(fā)生剝離，與本文試驗(yàn)條件相近。而在較好的地層中，地層對鉆孔注漿鋼管樁有較強(qiáng)的約束作用，在承載過程中砂漿保護(hù)層可能不會剝離，但仍按剝離情況進(jìn)行考慮是略微偏保守的（畢竟保護(hù)層厚度有限且受泥皮影響承載力貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不及鋼管及鋼管內(nèi)的約束砂漿體），可作為適當(dāng)?shù)陌踩珒洹?
采用CECS 28：2012方法可較好地預(yù)測鉆孔注漿鋼管樁的樁身軸壓承載力。
4 小 結(jié)
1)在軸壓承載力的60%左右，鉆孔注漿鋼管樁外的注漿體保護(hù)層開始開裂、脫落；在軸壓承載力的95%左右，鋼管出現(xiàn)起鼓，開始屈服。
2)鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓的荷載．變形曲線呈雙折線形，由上升段和平緩上升段組成，平緩上升段總體呈現(xiàn)出荷載隨位移增加緩慢增長并漸趨平緩的趨勢。
3)實(shí)測鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按鋼管軸壓承載力計(jì)算的設(shè)計(jì)值大約2.2~3.1倍。
4)實(shí)測鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按鋼管軸壓承載力+鋼管內(nèi)注漿體軸壓承載力計(jì)算的設(shè)計(jì)值大約1.5~1.8倍。
5)實(shí)測鉆孔注漿鋼管樁樁身軸壓承載力比按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中鋼管混凝土柱軸壓承載力計(jì)算的設(shè)計(jì)值大約1.3~1.6倍，該方法可較好地預(yù)測鉆孔注漿鋼管樁的樁身軸壓承載力。
下一篇:返回列表
