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同芯长异芯径刚性芯复合桩承载特性研究

2011-04-03谢红民赵增辉

中国新技术新产品 2011年13期
关键词:刚性灌注桩泥土

谢红民 赵增辉

(河南省宏大建设工程有限公司,河南 长垣453400)

1 问题的提出

水泥土桩具有高于混凝土桩的侧阻力,水泥土桩因截面承载力不足而限制了侧阻力的发挥,从而影响了桩体承载力的提供。解决问题的办法是:利用夯实水泥土桩为母体桩,充分发挥其侧阻力高的优点,在其中心放入刚性体,利用刚性体强度高的特性,最大限度地消除水泥土桩因截面承载力不足的缺点,将夯实水泥土桩与混凝土桩进行组合,利用水泥土桩与土的结合强度,再利用混凝土桩体强度,形成组合桩,既能提高承载力,又能降低成本是研究的内容。

2 刚性芯复合桩试验设计

2.1 试验方案

为便于钻取不同芯径的刚性桩芯,考虑到螺旋钻最小钻孔直径,夯实水泥土桩采用620mm直径,使夯实水泥土桩与刚性芯复合桩更公平的进行比较。将夯实水泥土桩桩长确定为6m,刚性芯长确定为5m,为探求刚性芯最优芯径,芯径确定为350mm、300mm、200mm。为保证成孔时水泥土桩的质量,充分发挥水泥土侧阻力,采用C35混凝土浇筑刚性芯桩。为便于和水泥土桩比较,做2棵直径620mm,桩长6m的水泥土桩。

本次竖向静荷载试验拟做8棵试验桩,其中2棵为水泥土桩,6棵刚性芯复合桩。在刚性芯复合桩芯桩顶埋置10MPa压力盒、水泥土桩顶埋置6MPa压力盒。在1、6号桩的刚性芯桩底埋置6MPa压力盒。桩径及压力盒布置见表1。

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2.2 试验模型的制作要求

2.2.1 桩的施工要求

采用螺旋钻机成孔,要严格控制孔位、孔径、孔深,并采用环形测孔器进行检测。孔底虚土用质量15kg的铁锤夯实,每孔夯实击数应一致(3击)。成孔后用铁盖板覆盖孔口,防止灌水和落下渣土。刚性芯桩采用C35混凝土,塌落度控制在20cm左右;孔口放置漏斗,采用振动棒分层捣实,每次灌注高度为1m左右;桩身混凝土灌注至水泥土桩顶,并抹平。成桩后用塑料布覆盖。

2.2.2 土压力盒埋设要求

将芯底用铁锤击实击平,然后埋置压力盒灌注混凝土。在刚性芯桩桩顶中心和水泥土桩顶各凿一个与压力盒大小一致的槽,水泥土桩顶的两槽对称放置,槽底部铺一薄层粉细砂,用压力盒将砂抹平整,让压力盒稍高于桩顶,桩顶铺设5cm厚的砂石垫层;桩顶凿3条细长槽将线引出。

3 试验场地地质条件

场地地层主要由第四纪冲洪积相堆积物组成,沉积韵律明显,层位较稳定。根据钻探揭露及室内土工试验结果可划分为6个工程地质层。

①层杂填土,黄褐色,由粉土、碎砖、炉灰组成,含植物根,松散,层厚1.00~2.00m;②层黄土状粉质黏土,褐黄色,土质均匀,可塑,含姜石,层厚2.70~3.80m。天然含水量22.6%;天然孔隙比0.695;压缩系数0.287MPa-1;压缩模量6.65MPa;标贯击数6.4击,属中压缩性土;③层黄土状粉土,淡黄色,土质均匀,稍湿,密实,层厚0.00~1.60m。天然含水量16.4%;天然孔隙比0.541;压缩系数0.196MP-1;压缩模量7.89MPa;标贯击数10.0击,属中压缩性土;④层粉细砂,黄-灰黄色,颗粒均匀,成分以石英、长石及暗色矿物为主,粉粒含量大于25%,稍湿,稍密,层厚0.90~2.50m。天然含水量10.7%;天然孔隙比0.581;压缩系数0.144MP-1;压缩模量10.8MPa;标贯击数14.8击,呈稍密状态;⑤层砾砂,灰黄色,颗粒不均,亚圆形,成分为石英、长石,稍湿,中密,层厚3.50m。标贯击数23.7击,呈中密状态;⑥层粉质黏土,黄褐色,土质较均,含姜石,可塑;稍有光泽,无摇振反应,干强度中等,韧性中等。该层未揭穿。

4 试验及分析

4.1 试验

本次试验反力装置为钢筋混凝土锚桩和钢梁组成,手动千斤顶施加荷载,采用慢速维持荷载法。

4.2 在竖向荷载作用下的受力特征

刚性芯复合桩的芯长均为5m、芯径分别为200mm(3、4号桩)、300mm(2、5号桩)、350mm(1、6号桩)。(注:由于3号刚性芯复合桩测得结果偏差太大,没有被采用)

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图1将水泥土桩视为含芯率为零的刚性芯复合桩,将灌注桩视为含芯率100%的刚性芯复合桩。从图中可看出,刚性芯复合桩极限承载力随着芯长增大而增大,芯径在300~350mm增长幅度大,然后随着芯长增大而降低。

由试验分析可知,本桩型的最优芯径为350mm,即含芯率为0.32。它的极限承载力是同尺寸的水泥土桩的2.13倍,是同尺寸灌注桩的1.6倍。

图1 刚性芯复合桩极限承载力随芯径变化曲线

4.3 刚性芯复合桩的荷载传递过程

在每棵刚性芯复合桩静载试验结束以后,移除垫层均发现夯实水泥土桩桩顶稍有挤土,但未被破坏,刚性芯桩桩顶也完好无损,仪器监测数据也能证明这一点。刚性芯复合桩整体下沉,而不是在桩顶附近“鼓出”形式破坏,这说明荷载已经通过刚性芯桩传至桩的深部,使水泥土桩长充分发挥作用。刚性芯桩桩顶略高出水泥土桩桩顶1cm左右,据复合地基理论可知:由于水泥土桩的变形模量小于刚性芯桩的变形模量,刚性芯桩向上刺入垫层,荷载在桩顶由水泥土桩与刚性芯桩分担,在桩体上部水泥土桩将荷载传给桩周土,同时通过负摩擦传给刚性芯桩,随荷载向下传递刚性芯桩将其上荷载传给水泥土桩,水泥土桩将其传给桩周土、桩端土。

5 结论

刚性芯复合桩作为一种崭新的桩型,以夯实水泥土桩为母体,以灌注桩为芯桩形成刚性芯复合桩,利用了灌注桩的桩体高强度与水泥土桩高侧摩阻力的优点,摒弃彼此不足之处,从而实现了这两种桩型的优化。通过现场静载竖向抗压试验,测得不同荷载级别下,刚性芯复合桩芯桩与水泥土桩应力比与荷载的关系、荷载分担比与荷载的关系,芯底应力与荷载的关系。在同一级荷载下,分析不同芯径的刚性芯复合桩的芯桩桩顶及桩底应力,水泥土桩顶的应力、芯桩顶与水泥土桩顶的应力比及其荷载分担比与芯径的关系。将水泥土桩视为含芯率为零的刚性芯复合桩,将灌注桩视含芯100%的刚性芯复合桩,对不同芯径组合的刚性芯复合桩极限承载力进行比较。

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