变截面工字形钢筋混凝土桩受力特性试验研究

变截面工字形钢筋混凝土桩受力特性试验研究

0桩侧土体动力特性预制弯截面钢筋混凝土桩不仅具有较高的垂直过载，而且能够满足设计中水平超载的要求。郑刚等通过对水平荷载作用下的刚性桩复合地基进行模型试验研究,揭示了基础-褥垫层-桩在水平荷载作用下的相互作用机理。徐枫基于原型试验的单桩水平承载力分析得出,现场的单桩水平载荷试验能够比较好地解决桩侧土体的m值问题。刘汉龙等利用河海大学岩土所自行研制开发的大型试验模型槽对水平承载桩进行了静载足尺模型试验,研究表明,桩身的最大弯矩主要发生在桩身的上半部,结构设计中桩身上部采用加密布筋来增加其抗弯能力的方法是合理有效的;此外他还通过对分布荷载推力桩计算的抗力-水平位移(p-y)曲线法研究,提出了地基系数按非线性土p-y曲线抗力模式表达的水平梯形分布荷载作用下桩位移和内力计算的有限差分数值分析方法。王俊林等对大直径扩底桩进行了单桩水平静载试验与数值模拟。在异形桩方面,周航等对水平荷载作用下现浇X形桩的桩周土体响应进行理论分析。龚维明等通过现场试验对根式基础的水平承载性能进行了深入的研究,试验结果表明,根式基础的水平承载性能优于普通沉井基础。但目前对于变截面工字形桩水平承载的试验研究还比较少,本文对变截面工字形钢筋混凝土桩进行水平静载缩尺试验,分析变截面工字形钢筋混凝土桩承受水平荷载作用时的内力、变形、极限承载力。1试验设备和试验模型1.1桩身水平位移量测装置及应变片、截面的设置试验设备由加载设备、模型槽以及监测系统组成。加载设备由滑轮导向设备、砝码托盘及30个质量为5.1kg的砝码组成。试验全景见图1,模型槽尺寸为1.5m×1.5m×2.0m(长×宽×高)。监测系统包括监测元件和数据采集系统。桩的水平位移量测装置及其布置如图2所示,沿水平荷载作用方向上,在桩顶两侧对称固定设置4个百分表,上百分表固定于距桩顶10mm处、下百分表与上百分表之间的距离为85mm。桩身应变测量:从桩顶到桩底共有7个截面粘贴应变片,截面编号分别为1,2,3,4,5,6,7,其中截面1距离桩顶100mm,截面7距离桩底60mm,截面1~7中相邻两截面的间隔均为240mm,每个截面沿桩周粘结9个应变片,应变片粘结平面示意如图3所示。采用CM-2B型静态电阻应变仪进行应变的测量。1.2土体力学参数试验模型包括土体和桩体。模型槽内土体为稍密砂土,取自开封某基坑工程的土体,土体近似为均质材料,所需土样体积约为4.5m3;填土时分层整平压实,以保证装填土体密实度一致,填筑土体后进行了室内土工试验,获得的土体力学参数见表1。变截面工字形钢筋混凝土桩的桩长为1600mm,其中矩形截面段:截面尺寸为60mm×40mm,距离桩顶长度为150mm。工字形截面段:翼缘的宽度为40mm、厚度为10mm,腹板的高度为20mm、厚度为20mm,翼缘与腹板的连接面与腹板平面的夹角为45°,距离桩底长度为1440mm。矩形截面段与工字形截面段之间的连接部分为变截面段,长度为10mm,矩形截面与工字形截面的连接面与矩形截面成45°夹角;桩中心位置全长设置一根直径为6mm的HPB300钢筋。变截面工字形钢筋混凝土桩由人工支模、布筋、浇筑混凝土而成,混凝土强度由同期预留立方体试块的轴心抗压试验确定,混凝土强度等级为C30。1.3垂直腹板方向单向循环加载试验方案试验加载采用单向多循环法,桩头自由。试验荷载分14级施加,垂直翼缘方向第一级荷载为306N,初始荷载施加后每级荷载递增51N,待完成所有垂直翼缘方向加载及卸载后进行垂直腹板方向单向循环加载试验,垂直腹板方向第一级水平荷载为153N,之后每级荷载递增51N;通过固定于桩头的钢绞线、模型槽外侧固定的定滑轮以及加载砝码施加水平荷载。每级荷载施加后,保持恒载4min,测读水平位移,同时测取应变片的读数,然后卸载至零,停2min后,测读残余水平位移,完成一个加、卸载循环。如此循环5次便完成一次荷载的观测。当水平位移超过10mm时,终止加载。2结果分析2.1系曲线的绘制变截面工字形钢筋混凝土桩垂直于翼缘方向的水平位移-时间、垂直于腹板方向的水平位移-时间关系曲线分别如图4,5所示。由图可知,变截面工字形钢筋混凝土单桩在垂直于翼缘方向和垂直于腹板方向的最大试验荷载所对应的最大水平位移分别为17.15mm和11.81mm,均大于工程设计中桩的水平位移限值10mm(对于水平位移敏感的建筑物水平位移限值取6mm)。2.2桩身受力分析变截面工字形钢筋混凝土桩垂直于翼缘方向的水平荷载-位移梯度(前后两级荷载下的位移差与荷载差的比值)关系曲线、垂直于腹板方向的水平荷载-位移梯度关系曲线分别如图6,7所示。根据文献,确定其在第一直线终点所对应的荷载为单桩水平临界荷载Hcr,由图6,7可知,变截面工字形钢筋混凝土桩在垂直于翼缘方向和垂直于腹板方向的水平临界荷载Hcr分别为561N和204N,对应的水平位移分别为4.18mm和1.54mm;变截面工字形钢筋混凝土桩在垂直于翼缘方向和垂直于腹板方向的极限荷载Hu分别为867N和561N,对应的水平位移分别为13.11mm和8.72mm。变截面工字形钢筋混凝土桩承受水平荷载时其主受力方向为垂直于翼缘方向,桩基工程设计中宜合理设置桩身位置使得桩基主受力方向与水平荷载作用方向一致。此外还可以看出,水平荷载-位移梯度曲线分为三阶段:第一阶段从位移梯度为0点到Hcr点,此阶段桩身处于弹性阶段,桩身完好,承载特性良好;第二阶段从Hcr点到Hu点,此阶段桩身处于弹塑性状态,出现微小裂缝,塑性不断发展;第三阶段为Hu点以后的直线段,此阶段直线斜率急剧增大,桩身接近或达到极限状态,地面处桩身出现较大位移。2.3桩身弯矩影响范围由桩身各点应变片读数可以得到变截面工字形钢筋混凝土桩在各级荷载下的完整弯矩分布,见图8,9。由图8,9可知,桩顶弯矩为0,随桩埋深的增加桩身弯矩逐渐增大,距桩顶0.34m处桩身弯矩达到最大,随桩埋深的进一步增大桩身弯矩逐渐减小,距离桩顶约为0.96m处桩身弯矩约减小至0,本试验中桩身弯矩影响深度(桩身正弯矩减小到0的深度)约为0.96m,约占整个桩长的60%;试验后经开挖看到,桩身裂缝位置在距离桩顶0.29~0.36m处,与计算得到的最大弯矩位置基本吻合。根据水平承载桩的特性,在桩身设计中对桩身上部应采用加密布筋的方式来增加桩的抗弯能力。3桩身荷载和弯矩(1)本试验条件下桩长为1.6m的变截面工字形钢筋混凝土桩在垂直翼缘方向和垂直腹板方向的水平临界荷载分别达到561N和204N,其对应的水平