大直径环型桩承载特性模型实验研究.pdf

文章编号:()收稿日期:网络首发日期:基金项目:中铁建设集团有限公司科技研发计划项目()作者简介:王晨阳()男北京人高级工程师主要从事技术质量管理工作:.引文格式:王晨阳.大直径环型桩承载特性模型实验研究.铁道建筑技术():.大直径环型桩承载特性模型实验研究王晨阳(中铁建设集团有限公司 北京)摘 要:大直径环型桩因其中部空心的特征具有节省混凝土用料、控制成本和工程质量等优点 但其承载特性和安全性能仍处于尚不完全明确的状态通过缩尺静载模型试验并引入参数厚径比 在外部条件相同的情况下将实心桩与不同内径的环型桩做了对比研究结果表明:在厚径比 .的范围内环型桩与实心桩的桩身极限承载力最大相差但承载力特征值和安全性足够 在极限承载力下环型桩与实心桩的应力应变分布及发展规律近似且轴应力均小于自身材料强度 证明环型桩在 .的范围内既能保证足够的承载力又能节省以上的混凝土用量关键词:模型实验 厚径比 环型桩 承载特性中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言随着高层和超高层建筑成为城市建设的新潮流上部荷载的提高对下部基础的承载力水平提出了更高的要求 桩基础具有抗震性能好、承载力高、施工噪声小的优点被普遍使用在高层建筑的施工中 而大直径环形桩是桩基础中的一种特殊桩型与传统大直径实心桩相比大直径环型桩的桩身结构与实心桩无异但中部为空心结构该特殊结构使得环型桩能够节省大量混凝土降低工程造价在建造过程中空心结构可以提供施工平台能够更好地保证桩身质量 同时混凝土用量的减少可以大幅降低建筑物的整体自重降低地基附加应力从而对基础承载力产生正反馈 针对上述问题本文采用缩尺模型实验引入新建参数厚径比 对 根相同桩身直径、不同空心范围的大直径环型桩做了量化区分并进行了竖向静载试验研究从桩身沉降、桩身应力和桩身应变等角度揭示了大直径环型桩的整体力学性能 最后结论给出的厚径比 的取值范围为今后大直径环型桩的设计应用提供了新的参考理论 实验设计中国北京清华实验基地欲建造直径、长度 的大直径环型桩本文以此工程背景为依托设计实施室内模型试验 首先是确定模型桩的尺寸工程中的大直径桩一般会存在尺寸效应若模型尺寸过小可能会铁道建筑技术 ()王晨阳:大直径环型桩承载特性模型实验研究减小甚至消除这种效应为避免研究结果出现偏差方便实验顺利进行本次实验将模型的尺寸相似系数确定为 同时引入新的参数厚径比 作为环型桩的划分依据厚径比 的含义为大直径环型桩的壁厚与桩身半径的比值 具体如公式()该参数能够直观准确地表示环型桩空心部分的占比实心桩的 值越小壁厚越薄空心部分占比越大 /()式中:为厚径比 为大直径环型桩壁厚()为大直径环型桩桩身半径()为较全面地涵盖不同空心占比对环型桩承载能力的影响以厚径比 为核心共设置 组模型试验具体方案见表模型的制作材料选择与原工程同样规格的混凝土弹性模量 .并配置相应规格的钢筋笼底部存在 的封底 浇筑完成养护 后测得桩身强度为 为避免其他潜在因素影响实验结果的准确性模型桩的唯一差别是空心部分的不同即厚径比 的不同 钢筋笼的尺寸安放位置均相同表 模型实验方案名称外径/内径/壁厚/桩身长/厚径比 混凝土节省量/号实心桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩(土上)(土下).按照相似系数可得出原型桩对应的模型桩桩长为 为方便加载装置以及测量仪器的安装特在桩的上部加长 模型桩总长为 其中实际埋入土中的部分为 原工程场地经过地质勘探其地层可以简化为 层均为 粒径的碎石层勘探深度为 据此模型实验的桩周土选择为粗砂 小碎石混合土并掺入少量水有助于增加土在夯实过程中的密实度 实验主要采集桩身应变、桩顶和桩底沉降、桩底应变 应变采集位置从桩底到土面的位置每隔 布置一个采集点选择桩身相互对称的四个侧边每根模型桩共计 个监测点 实验共施加 级每级荷载 并稳定保持 数据稳定不变后即可继续施加 模型实验结果分析.模型实验桩顶、桩底沉降规律分析实验数据取变化稳定后的平均值绘制桩顶的 曲线和桩底的 曲线(见图)根据建筑地基基础设计规范()中描述的两种判定单桩极限承载力的方法:()当荷载沉降曲线由开始的缓降突然变成陡降曲线陡降的起始点对应的荷载即可视为桩身的极限承载力()若荷载沉降曲线没有明显的变化总体呈现缓慢下降的形态可将沉降量在 时对应的荷载视为桩身的极限承载力图 荷载沉降曲线从图 可看出 根模型桩的 曲线均出现了较明显的拐点拐点发生的位置集中在 的荷载区间内在此范围内桩身沉降量由平缓增加变成陡坡型增加 可以判断该范围为模型桩的桩身极限承载力承载力和沉降量见表 表 种桩型沉降量对比模型桩桩身直径/壁厚/厚径比 极限承载力/极限承载力下的桩底沉降量桩顶/桩底/号实心桩.号环型桩.号环型桩.号环型桩.号环型桩.综合图表数据分析从加载开始到 时桩身沉降量较小无明显变化均在.左右随后沉降量开始逐步增加在 到 时出现拐点认为铁道建筑技术 ()王晨阳:大直径环型桩承载特性模型实验研究此时模型桩的正常工作状态已经破坏 继续增加上部荷载拐点之后的沉降量开始大幅增加 实验表现出明显的变化规律即环型桩的承载力随着厚径比 的减小而降低 号环型桩与实心桩的承载力最大相差 将测得模型桩极限承载力还原到实际工程承载力约为 在建筑地基基础设计规范()中对桩身安全性做了明确的规定将单桩竖向极限承载力除以安全系数 作为单桩竖向承载力特征值 该特征值将作为实际工程设计时的标准 承载力及特征值见表 表 承载力及特征值名称模型桩还原到实际工程极限承载力 极限承载力特征值 本次实验中 号环型桩为所有桩型中理论上为最容易破坏的桩其厚径比仅为 .桩身混凝土用量仅为实心桩用量的 在此种情况下的桩身极限承载力和承载力特征值仍然能达到实心桩的 且在实验中没有发生桩身开裂等破坏此外根据建筑桩基技术规范()中第 章第 节第 条规定了大直径桩的单桩极限承载力标准值的经验参数法如公式()所示 ()式中:为总极限桩侧阻力标准值()为总极限桩端阻力标准值()为大直径桩侧阻尺寸效应系数为大直径桩端阻尺寸效应系数为桩侧第 层土极限侧阻力标准值()为桩端极限侧阻力标准值()为第 层桩周土厚度()为桩身周长()为桩端面积()根据公式()能够计算出工程原型实心桩的承载力为 对比模型实验返回后的数据 号环型桩的桩身极限承载力仍能够达到.综上所述在本次实验设定的厚径比 .的范围内仅从桩身极限承载力角度做分析环型桩的桩身承载力能够达到与实心桩近似的水平且桩身的安全储备和承载性能满足规范要求 但在同荷载下环型桩的沉降量会稍大于实心桩.模型实验桩身压缩量规律分析一般情况下单桩的总沉降量由桩底土的压缩量和桩身压缩量共同组成传统实心桩因为自身构造和材料的强度一般很难发生大的桩身自压缩但是环型桩内壁处于临空面若应用到实际工程中桩身外侧还要受到来自桩周土的侧向挤压因此在分析环型桩力学性能时桩身的压缩量也是需要考虑的因素之一将荷载变化前 内的数据去除奇点并取平均数即可得到桩身压缩 荷载曲线(见图)呈现的规律总体为 越小(壁厚越薄)压缩量越大 在达到桩身极限荷载之前压缩量小幅增长当达到极限荷载之后压缩量会迅速升高图 桩身压缩曲线根据前述的数据采集方式将得到的桩身压缩量对应当时阶段处于的荷载绘制表格并根据压缩量的大小排序见表 表 种桩型压缩量对比桩型 号实心桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩 下的压缩量/.下的压缩量/.厚径比.结合图表对比相同荷载下的压缩量随着厚径比 的减小桩身压缩量明显变大除 号环型桩外其他桩型的压缩量均小于 这也很好地解释了为何相同荷载下环型桩承载力会小于实心桩桩顶沉降量会大于实心桩继续施加荷载由于桩底的承压土和桩周土对桩身的共同支撑达到极限越过桩的极限承载力后桩端处会发生刺入破坏桩端土发生急速压缩并向周围挤压释放部分应力 桩身轴力在此阶段得到一定的释放压缩量小幅下降.模型实验桩身应变规律分析桩身应变也是本次实验最关注的实验因素不同体量的受力结构在相同荷载下必然会有不同程度的应变产生关注该应变的大小及规律对利用厚径比 评判桩身质量有重要影响本次实验中所有测量到的应变均为微应变()图 图 分别为 根模型桩各自的桩身应变相较于环型桩实心桩整体的应变水平要小于环型桩在受到铁道建筑技术 ()王晨阳:大直径环型桩承载特性模型实验研究上部荷载传来的压力后桩头部分的应变稍有增大随着深度的增加呈现出减小的趋势当到达桩身中部上下的位置应变达到最小值 之后应变逐渐增加越靠近桩身底部应变越大但在桩底应变又有小幅回缩图 号实心桩桩身应变图 号环型桩桩身应变图 号环型桩桩身应变图 号环型桩桩身应变图 号环型桩桩身应变应变片粘贴在桩身表面桩底的应变片接近边缘桩底的承压土又是相对强度较低砂土可以看作是软弱垫层且存在封底这就造成边缘的应力集中现象偏弱因此应变会发生减小的现象 但土层中夹杂的碎石导致的应力集中也会使得应力升高每根桩在 荷载下能够较明显地观察到随着厚径比 的减小桩身应变的数值存在升高的趋势 号环型桩的 .空心部分占比较小桩身应变与实心桩相差不大 号、号、号环型桩的应变则较大 号环型桩的厚径比较大 .桩身整体应变水平与实心桩的差异不明显应变发展规律和应变值大小几乎相同 桩顶位置应变稍大到桩身中间部位应变稍有减小随后升高然后在桩底位置应变升高达到最大 号环型桩厚径比 .此时桩身整体的应变数值稍有提升应变发展规律呈现出站立的“”型桩顶、中部和桩底应变较小其他位置较大桩身最不利位置出现在桩顶偏下位置和中部偏下位置 号和 号环型桩的厚径比最小分别为 .和 .混凝土用量仅为实心桩的 和 在此情况下桩身应变的整体数值整体偏高 号环型桩的桩身应变在.之前随着深度增加应变缓慢增大当达到.处应变突增此处为桩身应变最大位置随后应变又迅速缩小 但 号环型桩的应变发展规律正好与之相反桩身 .的位置应变突增到最大随后迅速减小在中部靠下的位置应变有小幅回升之后应变在桩底位置减小到最小综合分析桩身应变数值的大小与厚径比 存在直接关系 越小壁厚越薄承担荷载的有效面积越小应变的整体数值越大 桩身底部有 封底受力面积增加因此在底部应变变小排除 号环型桩桩底应变增大可能是因为碎石应力集中导致的随着厚径比 的减小桩身应变最大位铁道建筑技术 ()王晨阳:大直径环型桩承载特性模型实验研究置呈现出上移的趋势 荷载下的最大应变和位置见表 表 桩身应变峰值位置及大小桩型 号实心桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩厚径比.应变最大位置/.应变大小/对桩身安全性的评价除了沉降指标外还要对桩身材料强度进行评估分析本次实验使用的混凝土的相关参数见表 表 混凝土强度参数名称弹性模量/泊松比抗压强度标准值/抗压强度设计值/混凝土.根据公式()和()将实验所得应力数据转换为强度 提取桩身极限荷载 下的桩身最大应变见表 ()()式中:为应力()为弹性模量()为应变 为微应变表 桩身峰值应变对应的应力桩型 号实心桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩 号环型桩混凝土强度.峰值应变峰值应力.厚径比.通过计算 种桩型的最不利位置处的峰值应力均远小于桩自身材料的强度桩身不会发生受压破坏的情况根据相似理论和应力应变相似系数还原到实际工程中桩身同样不会发生因桩身材料强度不够而发生的极压破坏 因此可以判定同桩身直径、同桩身长度、厚径比不同的环型桩和实心桩在同样的地层环境和桩身极限承载力范围内 .范围内的环型桩能够达到传统实心桩的安全性水平.模型实验桩底压力规律分析均匀布置在桩底正中心的 个土压力计测量上部传来的压力可以用来判断环型桩与实心桩轴向对于上部荷载的传递情况桩底土压力计在加载开始前均做了平衡调零的操作因此测得的结果即为桩身实际传导下来的力 如图 所示图 桩底压力曲线 种桩型的底部压力随顶部荷载的施加呈线性增加且数值与上部荷载的实际施加值基本持平说明在实验过程中桩侧摩阻力提供的向上的支撑力并不明显 根桩在同一荷载下测得的桩底土压力差异并不大同时考虑到每个实验组唯一的差别只有中部空心的不同外侧直径以及与桩周土实际接触的面积是相同的因此可以认为环型桩与实心桩在实际工作中桩身对于荷载的传导是相同的且对于大直径环型桩和大直径实心桩其主要发挥作用的是桩端承载力 结论本次大直径人工挖孔环型桩力学性能模型实验通过严格控制变量利用相似理论对比了同桩身直径、桩身长度同荷载和同地层环境在改变厚径比 的情况下研究了不同桩型在正常工作下实际状态揭示了大直径环型桩的力学性能和承载特性()在承载力的对比中在厚径比 .的范围内大直径环型桩桩身承载力表现出随着厚径比 的减小而减小的规律但当 .时仅用实心桩混凝土用量的 环型桩承载力仍然能达到传统实心桩承载力的.且按照现行建筑地基基础设计规范()中关于安全储备的规定厚径比 .范围内的大直径环型桩均满足要求达到与实心桩相同的承载力特征值要求()在桩身压缩方面随着壁厚 和厚径比 的减小大直径环型桩桩身压缩量会逐渐升高这是造成环型桩承载力下降、沉降量升高的主要因素()在桩身应变方面厚径比 .范围内的大直径环型桩桩身应变随着厚径比 的减小而增大并且随着 的减小桩身应变最大值出现的位置呈上升的趋势 在桩身极限承载力对应的荷载下桩身最大应变远小于自身材料强度不会发生超过材料强度导致的桩身破坏()在轴应力方面大直径环型桩呈现的结果与实心桩几乎相同可以判定大直径环型桩与大直径实心桩(下转第 页)铁道建筑技术 ()林伟:预制装配式高架铁路站台施工技术完成后待温度降至常温使用小锤将瓷环敲碎并及时清理垃圾 检查栓钉焊接质量栓钉焊脚焊缝应均匀、饱满用榔头击成 焊缝不产生裂纹为合格.板缝混凝土浇筑栓钉焊接完成验收合格后根据图纸要求在预制混凝土板缝位置绑扎钢筋钢筋验收合格后浇筑比预制板高一强度无收缩混凝土 板缝处钢筋布置见图 图 板缝处钢筋布置(单位:).配筋垫层混凝土浇筑板缝混凝土浇筑完成后在预制板上层铺设 单层双向钢筋网浇筑钢筋混凝土配筋垫层浇筑前先将标高线引至预留标高控制点浇筑过程中从站台中间向外侧按 的坡度找坡浇筑完成后每日进行洒水养护 次 结束语通过怀柔南站、密云站预制装配式高架铁路站台的成功实施案例可以看出装配式钢结构框架 预制板这种革新性的高架站台结构形式是一种具有优势和前景的方案它不仅能够满足城市轨道交通建设的功能和美观要求而且能够提高施工效率和质量降低施工成本和风险对于城市基础设施建设的高质量发展具有重要的意义参考文献 郑小军 王丽丽 胡若邻.轨道交通高架车站站台选型研究.现代隧道技术():.郭新贺 张雷.高铁站台工业化建造综合技术研究.施工技术():.翟勇.站台板预制结构力学性能研究.铁道建筑技术():.喻波 王呼佳 高鲲等.预制装配式 站台板结构技术研究.隧道建设(中英文)():.杨海文 王丽筠 郭双朝 等.装配式结构安装施工技术.建筑技术():.陈俊天 尤秋菊 邱蓉 等.装配式地铁站建筑布局研究与方案设计.中国安全生产科学技术():.裴彦军 彭波 孙朝 等.桥式车站装配式钢结构雨棚设计与施工要点简析.建筑施工():.张涛 张凯 刘传平 等.铁路客站站房雨棚装配式建造策略探讨.铁道经济研究():.陈月平 温恺 周大兴.铁路客站装配式钢筋混凝土雨棚发展与适用性分析.施工技术():.白旭军.基于 云平台的预制装配式建筑施工管理研究.铁道建筑技术():.张中勇 王永吉.预制装配式技术在地铁工程中的应用.建筑技术():.黎伟.浅谈装配式站台的推广应用.铁路采购与物流():.(上接第 页)对荷载的传递规律是相同的并且表现出端承桩的特征()在满足以上对于安全性和承载能力情况下厚径比 .范围内的大直径环型桩还能够节省 的混凝土用量可以降低工程成本 此外环型桩中部空心可以直接观察到混凝土内部凝固情况对工程质量可以有更好的把握参考文献 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