微型桩在软土地基上的应用

微型桩在软土地基上的应用

1单桩+群桩ccs随着我国经济的快速发展，国家对能源基础设施的投资日益增加。目前,软土地基中杆塔基础的主要形式是扩展式基础。扩展式基础设计计算方法简单,但基础方量和开挖工程量大、占地面积大,施工机具笨重,搬运困难。微型桩(Micropile)一般指桩径小于350mm,长细比较大(一般大于30),采用钻孔、压力注浆工艺施工的小直径桩。这种桩型具有施工场地小、钻孔适用各种类型的土、布置形式灵活、与同体积灌注桩相比承载力较高等特点,主要用于基础工程。通过二次注浆,大大提高了单桩承载力。微型桩的上述特点,在软土地基杆塔基础中将得到充分的发挥。为了研究单桩和群桩的荷载-沉降特性,指导工程设计和施工,已经做了一些现场试验、模拟试验和数据分析,但这些研究都是针对普通桩型的,不适宜指导微型桩的设计和施工。为了了解微型桩单桩和群桩的传力机理、荷载-沉降特性,对现场施工的单桩和群桩,进行了抗压、抗拔和水平试验,揭示了微型桩的工作特性,以期为其在杆塔基础工程中的设计和应用提供依据。2试验总结2.1主要物理性能试验场地位于某变电所东北侧。场地埋深在17m范围内的地基土层可划分为三个工程地质层:(1)塘泥,深度范围为0～1.0m,饱和、流塑、新近回填、性状极差;(2)淤泥质黏土,深度范围为1.0～10.0m,软塑状态、饱和、高压缩性;(3)粉土,深度范围为9.0m以下,稍密,饱和,中等压缩性,并夹有粉质黏土薄层。各土层的主要物理力学性质指标见表1。地质剖面图如图1所示。2.2群桩抗压强度设计本次试验包括单桩和群桩的抗压、抗拔和水平荷载试验以及成孔质量检测等。限于篇幅本文介绍了单桩和群桩的抗压试验和抗拔试验成果。单桩试验布置了6根,群桩试验布置了两个(分别是3×3和4×4群桩)。桩长15m,直径250mm,通长配筋,3～10m部分桩身配筋率为2.5%,10～15m配筋减半,斜桩的倾角都为10°。G1群桩承台下布置了土压力计。群桩G1、G2的平面图和剖面图如图2所示,群桩承台埋深0.3m。单桩抗压试验采用堆重平台反力法,单桩抗拔试验反力由地基提供,在地基上放置两根7m长、450kg重的钢梁作为反力支撑。群桩抗压试验以采用可以承受1000t、直径14m的伞形架装置作为反力架,一台高压油泵供压,一台600t液压千斤顶加载。群桩抗拔试验同样由地基提供反力,由于地基土体相对较弱,事先打了4m长的木桩。测量系统事先均进行了标定,试验设备的安装按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)的规定进行。3骨料的清孔、注浆和钻孔微型桩施工时,首先用地质钻机成孔,成孔完毕后,插入初次注浆管(作初次注浆使用),吊放绑扎有二次注浆管的钢筋笼,同时利用初次注浆管进行清孔,清孔完毕后倒入粗骨料,继续用清水清孔,直至孔口出来的水中不含泥砂为止。然后用初次注浆管注浆,注浆压力为0.3～0.5MPa,浆液的水灰比为0.5,至孔口溢出浓浆为止。间隔4～6h用二次注浆管注浆,注浆压力为0.8～1.0MPa。为了检测成孔情况,采用JJY-2井径仪测试了钻孔直径,实测孔径均大于250mm,满足设计要求。试验完成后,对桩顶混凝土取芯进行室内抗压试验,结果表明桩身混凝土的平均立方体强度为11MPa。4单链试验的结果分析4.1桩身抗压强度单桩抗压试验,直桩和斜桩的荷载-沉降曲线如图3所示。从图3看出,直桩S3、S5和斜桩S1的荷载-沉降曲线基本相同,都属于缓变型。荷载加到约429kN时桩顶沉降约33mm,完全卸载后回弹变形约13mm,桩顶回弹率近40%,桩顶残余变形达到20mm,采用注浆工艺成桩的混凝土强度较低,这一点通过钻芯取样试验也得到了验证,试样的平均抗压强度仅11MPa。因此,微型桩设计时需要充分考虑桩身抗压强度较低的特点。现行桩基规范规定,采用静载荷试验确定单桩竖向承载力,对于荷载-沉降曲线属于缓变型的,可取桩顶沉降为40～60mm对应的荷载作为试桩的极限承载力。而图3表明,桩顶沉降为20～30mm时,桩顶荷载-沉降曲线有加速下降的趋势,可以以20～30mm对应的荷载作为桩的极限承载力。按此标准确定的单桩S1、S3和S5的极限承载力分别为363kN、363kN和330kN,所对应的沉降分别为18.04mm、22.13mm和20.24mm。具体见表2所示。4.2单桩抗拔承载力单桩上拔荷载试验曲线汇总于图4。从图4可以看出,三根直桩的上拔曲线具有非常好的一致性,最大试验荷载分别加载到185kN和202kN,所对应的上拔量约为27mm和33mm,回弹率约为35%。斜桩S2的上拔量小于直桩S3、S4、S6的上拔量,说明斜桩可以更好地承担上拔荷载。这主要是由于斜桩在上拔荷载的作用下,桩身周围的土体可以提供竖向压力,而直桩仅提供摩擦力,因而斜桩比直桩可以承受更大的上拔荷载。单桩抗拔承载力见表2。根据上拔荷载试验曲线的形状,可以采用两种方法确定上拔极限承载力。对陡降型的上拔荷载试验曲线,取上拔量明显增大的前一级荷载作为极限承载力,对缓变型的试验曲线,取上拔量达到20～30mm对应的上拔荷载作为极限承载力,小直径桩取小值。斜桩S2的试验曲线为陡降型,取220kN作为上拔极限承载力,对应的上拔量为16.0mm。直桩S3、S4、S6的试验曲线具有缓变型特征,结合曲线形状,以20～30mm上拔量对应的荷载作为极限承载力,分别为185kN、185kN、202kN。5公共桩试验分析5.1承地面下土压力图5为群桩G1和G2的抗压试验曲线。群桩的荷载-沉降曲线表现出陡降型的特征。群桩G1桩顶荷载达到4642kN以后,位移随荷载增加而增加得更快。因此,群桩G1的抗压极限承载力为4642kN。采用类似的分析方法,群桩G2的抗压极限承载力为2923kN。群桩G1的承台下埋设了土压力盒,测试承台下土压力。图6为地基反力-沉降曲线。从图6看出,随着承台的下沉,地基反力在不断增大,但是,当承台的沉降达到20mm以后,地基反力的增加幅度很小,地基基本达到塑性状态,承载力不再随外荷载的增加而明显增加。由于承台下地基土体主要是塘泥,地基承载力很低,因此最大反力仅为5kPa左右。分析承台下地基土压力曲线(图7),图中土压力曲线,是群桩G1承台I-I剖面下(图2)地基土压力随外荷载变化曲线。当荷载较小时,地基反力表现为刚性基础反力的性质,中间小、边缘大,呈马鞍形;随着荷载增加,承台边缘土体逐渐塑性破坏,承台中间位置土反力增加,地基反力趋于均匀,呈线性分布;当荷载继续增加时,中间土反力增加得较快,地基反力表现出锅底形分布。5.2群桩3g的抗拔承载力群桩G1和G2的抗拔试验曲线如图8所示。分析群桩G2的荷载-位移曲线,可以看出,在桩顶上拔荷载达到1523kN以后,荷载-位移曲线的变化速度更快,曲线在这里形成了一个拐点。因此,群桩G2的抗拔承载力确定为1523kN。对群桩G1采用类似的分析,得到抗拔承载力为3020kN。由于地基反力不够,群桩抗拔试验上拔量比较小。6单元绩效分析6.1抗压及拔正率分析群桩抗压效率ηd=PunQuk(1)ηd=ΡunQuk(1)式中,ηd为群桩抗压效率系数,Pu为群桩抗压极限承载力,n为桩数,Quk为单桩抗压极限承载力。根据试验结果,单桩抗压承载力取为330kN,计算得到16桩的群桩抗压效率系数为0.88,9桩群桩的抗压效率系数为0.98。为了分析群桩效应,这里把群桩各级荷载按总桩数平均,以单桩或者群桩中平均单桩的荷载为横坐标,变形为纵坐标,分析比较单桩和群桩的荷载-变形规律,分别研究群桩抗压、抗拔承载力试验中群桩与单桩的区别(图9、图10)。从图9可以看出,群桩中单桩的平均竖向荷载-沉降曲线和单桩相比较,在竖向荷载比较小时(低于200kN时),两种曲线基本是重合的,在竖向荷载继续增加时,群桩中的单桩平均沉降量增加得更快。分析原因,是由于群桩在下压荷载作用下,地基中附加应力产生叠加效应,随着外荷载的增加,地基逐渐达到塑性破坏,使得地基压缩更大,因而群桩基础的沉降更大。在设计计算群桩的承载力时,都是以单桩极限承载力和相应状态下的群桩效率系数进行计算的,而工作荷载下群桩的效率系数比极限状态下大,这样计算得到的群桩设计承载力偏低,因而从承载力方面看设计偏于保守。6.2抗压、抗拔承载力群桩荷载-拔拔量计算群桩抗拔效率系数计算ηu=VunUk(2)ηu=VunUk(2)式中,ηu为群桩抗拔效率系数,Vu为群桩抗拔极限承载力,Uk为单桩抗拔极限承载力。根据试验结果,单桩抗拔试验承载力取为202kN,计算得到16桩群桩抗拔效率系数为0.93,9桩群桩抗拔效率系数为0.84。本次试验所在地基是软弱地基,实测表明承载力很低,在计算群桩效率系数时忽略了承台下地基反力。把群桩抗压、抗拔承载力群桩效率系数计算结果列于表3。从表3可以看出,群桩的抗压、抗拔效率,基本上在0.85以上,还是比较大的。从图10可以看出,群桩中的单桩平均上拔荷载-变形曲线,同单桩相比较,基本上是接近的,没有抗压试验中所表现出来的群桩中的单桩更早出现塑性。这同群桩抗拔试验中,群桩的最后上拔量比较小有关(群桩试验中,最大上拔量G1为16mm,G2为24mm)。从图10还可以看出,群桩的平均上拔荷载-变形曲线同单桩中的直桩更接近,而单桩中的斜桩S2,在同样的上拔荷载作用下,桩顶的上拔量比较小,其荷载-变形曲线表现出更大的抵抗上拔荷载的能力。所以,在上拔荷载的作用下,群桩和单桩中的直桩表现出相似的荷载-变形关系,而斜桩表现出比较大的抵抗上拔荷载的能力。7桩身强度特性本次现场试验,对微型桩基础的单桩和群桩进行了竖向荷载、水平荷载、上拔荷载以及倾斜荷载试验,得到了许多宝贵的数据,本文对单桩和群桩抗压试验、抗拔试验的桩顶位移以及土压力结果进行了分析。根据对这部分试验数据的分析,主要得出以下结论:(1)单桩荷载-沉降曲线是缓变型,属摩擦桩,可以以20mm沉降量对应的荷载作为桩的极限承载力。采用注浆工艺成桩的混凝土强度较低,微型桩设计时需要考虑桩身混凝土强度较低的特点。单桩抗拔试验表明斜桩可以更好地承担上拔荷载。(2)在竖向荷载继续增加时,群桩中的单桩平均沉降量增加得更快,表现出更大的塑性。根据极限状态群桩效率系数设计计算群桩承载力偏于