弱挤土桩承载能力研究.pdf

2 0 1 1 年 第 1期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 1 Nol J a n u a r y 弱挤土桩承载能力研究 周 乾 吴发红 何 山 戴龙洋 仲 跃 1 盐城 工学 院土 木工程 系 2 2 4 0 5 1 2 盐城 市水 利局 2 2 4 0 0 3 摘 要 针 对 弱 挤 土 桩 的 断 面 特 点 设 计 了不 同箍 筋 型 式 的 试件 对 试 验 结 果 进 行 分 析 得 出 了影 响 弱 挤 土 桩 桩 身承 载 能 力 的 主要 因 素 关 键 词 弱挤 土桩 箍 筋 承 栽 能 力 研 究 Abs t r ac t Aiming a t t he r o s s c h a r a c t er is t ic o f we a k s o il c o mp a c t in g p ile s t he d if f e r e nt s t ir r u p s a mple s a r e de s ig ne d T h e t e s t in g r e s u lt s a r e a n a ly z e d a n d t h e ma in f a c t o r s o f p ile c a p a b ilit y a f f e c t in g t h e w e a k s o il c o mp a c t in g p ile s a r e o bt a in e d Ke y wor ds We a k s o il co mp a c t in g pile s St ir r u p Ca p a bilit y Re s e a r c h 中图 分 类 号 TU5 2 2 文 献标 识码 A 文 章 编 号 1 0 0 0 4 6 3 7 2 01 1 01 4 7 0 3 0前 言 在 饱 和 软粘 土 中进 行 钢 筋 混 凝 土 预 制 桩 施 工 时 为避 免 沉桩 时产 生较 大 的 超孔 隙 水压 力 使地 基 土 隆起 或水 平挤 动 而使 已施 工 的桩 产 生 偏位 和 浮 桩 等 现 象 的发 生 将 预 制 桩 设 计 成 四 面侧 边 有 竖 向沟槽 见 图 1 在沉 桩过 程 中 用 特殊 方法 使 含水 量较 小 的黄 砂充 满 桩侧 的竖 向沟槽 利 用 黄 砂 良好 的透 水性 使 竖 向 沟槽 和黄 砂形 成 像砂 井 或 塑料 排 水板一样 的竖向排水通道 借助于沉桩 时和沉桩后 的侧 向挤 压 力 加快 沉桩 过 程 中和 施工 后 土 中孔 隙 水压 力 的释 放 从 而 降低 挤 土效 应 即所谓 弱挤 土 桩 该 种桩 的排水 效应 已通过 试验 证 明完全 可 以 达到有 关要 求 由于桩 的断面形 状 及面积 都发 生 了 改变 桩的实际承载能力如何 必须要有足够 的理 论 和实 践 依 据 才 能保 证 该 种 桩 型 发 挥 应 有 的作 用 在 预 制桩 设计 过 程 中 既要 考 虑桩 的竖 向承载 能力 地 基 土对 桩 的支 承力 和 桩身 的 承 载能 力 也 黄 砂 q 图 1 弱挤 土桩 断 面 图 基金项 目 江苏省水利厅 2 0 0 8年科技重 点项 目 要 考 虑运 输 起 吊 和沉桩 过 程 中 的各 种强 度验 算 由于钢筋混凝土预制桩是挤土桩 加 了带充满黄砂 的侧槽 桩周 土排 水 条件 好 挤压 应 力 高 导致 桩 的 侧 阻力 提高 考虑桩 在 吊装过 程 中的强度 问题 由 于受 压 区 面积 仅 减 小 了 b h 2 见 图 1 因 b h尺 寸 较 小 根 据试 验 b h分别 为 5 0 m m 和 2 5 mm 四边 面 积 合计 优 于一 根 塑料排 水 板 即可 达到 要求 所 以 从 抗 弯受 压方 面 考虑 其 能力 减 小较 少 因此 如 果 弱挤 土桩 承 载能 力受 影 响 主要 应 是 桩身 强 度 问题 所 以 本 文 主 要 从 理论 和实 验 两 方 面 探讨 弱 挤 土桩 的桩身 承载 能力 1 桩 身承 载能 力的理 论计 算 按 文献 2 要 求 对 于普 通轴 心受 压 混凝 土 预 制 桩的 自身承载能力按轴心受压柱的方法计算 即 A A 1 式中 尺一 单桩竖 向承载力设计值 一 混凝 土构 件稳 定系数 一 混凝土轴心抗压强度设计值 A 一 桩身横 截 面面积 一 纵向钢筋抗压强度设计值 A 一 纵 向钢筋截 面 面积 单 考虑 桩 的轴 心 受压 1 式 也 适 用 于弱 挤 土 桩 但 此 时 的混 凝土 桩横 截面 面积 A 应 为 A 一 4 x b h 2 2 b h 2 式 中 b一 侧槽 宽度 mm h一 侧 槽深 度 mm 其余 符号 同 1 式 一 47 2 0 1 1 年第 1 期 混凝 土与水 泥制 品 总第 1 7 7期 在 设计过 程 中 按 1 式或 2 式 很 容易计 算 弱 挤土桩桩 身的竖 向承载能力 但 由于桩 断面型式 的 改变 无 法象 方形 断面桩 那 样配 置箍 筋 否 则 主筋 的保护 层可 能不 够 甚 至局 部地 方没 有保 护层 不 能 满足 要求 因此 要使 桩 既满足 承 载力 及 吊装要 求 又必 须 满 足规 范 的规 定 也 能 适 应桩 的结 构特 点 可将桩断 面设计成 图 2的 b c 型式 但 这 两 种 型式 桩 的竖 向承 载能力 从 理论上 是 可 以计 算 的 实 际情 况如何 必须 通过 对桩 身 的竖 向承载 能力 进 行试 验 为该种 桩 型设计 提供 正确 的设 计方 法 和数 据 2桩身承载 力试验 2 1 试件制作 考 虑试验 的偶 然性 和其 他 因素 的影 响 本试 验 共 设计 三种 试件 即按 正 常设计 方法 设计 断 面 主 箍 筋 和 附加箍 筋 均 为方箍 见 图 2 a 混 凝 土 预制 桩 的最小 保护 层从桩 的最 外侧 算起 3 0 m m 其 目的 是将 其试验数 据与 b 和 c 断面形式 的试验 数据进 行对 比 按侧槽 处最小保 护层 3 0 ra m配 置箍筋 主箍 筋 和附 加箍 筋 的形 状亦 均 为 方箍 见 图 2 b 既使 四角点处保护层达到 3 0 ra m 也使侧槽处最小保护 层达到 3 0 m m 将主箍筋设计成折线形状 八边形 附加箍筋 仍为方箍 如 图 2 c 景 l 一 由文献 3 4 可知 当箍 筋 的 间距 较 大 时 箍 筋 约束混凝土的作用不明显 但考虑弱挤土桩作为在 特殊地基 中才使用的特殊桩型 在特殊地质的工程 中使 用 时 可 采取 特殊 方法 使箍 筋 间距适 当减 小 所 以本 试 验 试 件边 长 为 3 0 0 ra m 而 箍筋 间距采 用 2 0 0 m m 其 目的主要 是考虑 开了竖 向侧 槽 以后 混凝 土 面积 减 少 增 加一 定 的核 心 混凝 土 强度 亦 即增 加桩 的竖 向承 载能力 图 2中三种 试件 的长度均为 1 5 0 0 ra m 混凝土 均为 C 2 5 2 2试验 2 2 1 试 验方式 本试验 采用逐 级加载方 式 2 0 k N一级 每级 加 载时 间 为 3 min 试验 在 Y A W J 5 0 0 0 F试 验机 上 进 行 2 2 2试件破 坏形态 试 件 a 破坏 时 首先 出现细 的竖 向裂 缝 最终 出现 斜 向裂 缝 斜 向裂缝大 致 与水平 面呈 6 5 夹角 试件 b 在 临 近破 坏 时 竖 向裂 缝 较 大 主 要在 保 护 层外 最 终破坏 也 出现斜 向裂 缝 但 不 太 明显 且 出 现竖 向裂 缝 与斜 向裂缝 之 间 的时 间较 试件 a 短得 多 斜向裂缝与水平面夹角约 8 0 试件 c 出现 的 竖向裂缝和斜向裂缝都比较明显 其斜 向裂缝与水 平面夹角约 7 5 试验均压至出现斜向裂缝为止 所 b 图 2 试 桩 断 面 图 a 正常试桩断面 b 以侧槽控制保护层 的弱挤土桩 断面 C 以侧槽和角点控制保护层的弱挤土桩断面 有试件纵筋 都被压 弯 箍筋 都没拉断 3试验结果 分析 3 1 承载力 比较 根 据试 验结 果 对 于 b c 试件 如 果将 它 们 的截 面恢 复 到方桩 断 面形式 把侧 槽 所减 少 的混凝 土横断面 的面积分别 乘 以 b c 试 件 的平 均应力 加 到试 验 的破坏 荷载 上 得到 b C 试 件 的破 坏荷 载 见表 1 第 四栏 由表 1 第 三栏 可知 弱挤 土 桩 由 于 断面 面积减小 和 断面形 状 的改变 桩 身 承载 能力 一 48 一 有 所下降 分别 为正常 桩试件 承载 能力 的 8 9 1 8 和 9 2 2 4 由表 l 第五栏 可知 即使 将 b c 试 件的 断 面恢 复到方 桩形 状 仍然 达不 到 原断 面 的承载 能 力 但从表 1中可看出 试 件 C 配筋 主箍筋为八边 形 的承载能 力要稍好 于试件 b 的承 载能力 3 2 原 因分析 根据试 件受 力情 况 可将 桩截 面 分为 三个 承载 区域 即箍 筋 以外 保 护层 混 凝 土 箍筋 内混 凝土 核心 混凝 土 和主 筋 也 就是 说试 件 的总荷 载分 别 周乾 吴 发红 何山 等 弱挤 土桩 承载 能力研 究 由保 护层混 凝土 核心 混凝 土和 主筋 承担 即 A A 3 式 中 一 总承 载能力 一 核心混凝 土 承载能 力 A x f A 一 核心混凝 土 面积 厂 一 核心 混凝 土轴 心抗压 强度 一 保 护层混 凝 土强度 混 凝 土轴 心抗 压强 度 A A 分 别为构 件截 面总 面积 核 芯混凝 土 面积和 受压纵 筋 面积 核 芯混 凝土 面积 A 取 箍筋 里 皮所 围 的面 积减 去纵筋 面积 一 受压纵 筋强 度 由于制 作试 件 的混 凝 土 为 同一 泵 车 的混 凝 土 且浇筑工艺也相 同 所以 此处可 以认 为三种试件 箍 筋 以外混 凝 土 的承 载能 力 是相 同的 主 筋 为 同一 批 钢 筋 所 以 也 可 以认 为 主筋 的 承载 能 力 也 是 相 同的 试件 承 载能 力 不 同的原 因主要 是 核 心受 压 混 凝土的承载能力不 同 从试验结果可以看 出 试件 b 承 载 能 力 最 小 且 相 对 来 说 箍 筋 外 的 混 凝 土 即保 护层 面 积最 大 核 心 混 凝 土 面 积最 小 箍筋 对 混 凝 土 的 约 束影 响最 小 所 以 可 以近 似 地认 为 试 件 b 的平 均混 凝 土强 度 即为 该批 混 凝 土 的轴心 抗 压 强度 由此按 3 式计 算 得 该批 混 凝 土 的轴 心 抗 压 强 度 为 1 7 1 2 MP a 按 图 2 计 算 得 试 件 a 和 c 混 凝 土 核 心 部 分 的 混 凝 土 面 积 分 别 为 5 7 6 0 0 m m2 3 9 0 2 4 m m 可计 算得 试 件 a 和 c 核 心混 凝土 的承 载能 力 分别 为 1 1 7 7 0 8 k N 和 7 3 0 5 8 k N 计 算得 核 心 混 凝 土 轴 心 抗 压 强 度 分 别 为 1 9 4 4 MP a 1 8 7 2 MP a 从 计 算 结果 来 看 虽 然三 种 试件 箍 筋 间 距 相 同 但 由 于制 作 尺 寸 不 同 导 致 所 包 围的核 心 混 凝 土 面 积不 同 其 核 心 混 凝 土轴 心抗 压 强 度 不 同 在 箍 筋 间距 相 同的 情 况下 箍 筋 所 包 围 的混 凝 土断面尺寸越大 面积越大 核心混凝土强度提高 越 多 因此 可 以认 为 这就是 将 弱挤土桩 断 面 回复 到方 桩断 面时 b e 试 件 的破坏荷 载仍 达不 到试 件 a 见表 1 第 四 第五 栏 的破坏 荷载 的主要 原因 所在 表 1 试验结果及分析 4结 语 1 弱 挤 土 桩 由 于 改 变 了形 状 和 尺 寸 导致 了 面积 减 小 受力 不均 匀 应 力 突变 等 桩 身 承载 能力 有一定 程度 降低 2 即使试件断面 主筋 和混凝 土强度 等级相 同 箍筋直径及间距相同 但形状大小不 同 其核心 混凝土 轴心抗 压 承载能 力是 不 同的 3 尽 管 弱挤 土 桩 的承 载 能力 与 原设 计 断 面相 比 其 承载 能力有 一定 降低 但降 低数值 较少 对遇 到饱 和 软粘 土 且 预制 桩桩 距 又较 小 的情况 时 可 以使用弱挤土桩 4 b e 试 件虽 然 承 载能 力 相 差不 大 但 考 虑桩在 吊装 时 的安全性 由于试件 c 断 面型式 桩较 试件 b 断面型式桩的有效高度大 所以试件 c 比 试 件 b 断 面形式 桩 的抗 弯 能力 要 强 因此 选 择 断 面 c 型式 桩 比较适 宜 参 考 文献 1 桩基工程手册编写委员会 桩基工程手册 中国建筑工业 出版 1 9 9 7 2 3 2 4 2 赵明华主编 土力学 与基 础工程 武汉工业大 学出