加筋劲性水泥土桩的应力应变与极限承载力研究

金正超，吴海花，方光秀

(延边大学工学院 土木工程系，吉林 延吉 133002)

0 引言

加筋劲性水泥土组合桩是在劲性水泥土桩中加入抗拉强度高的围箍材料，从而提高其承载力的组合桩，在现代建筑中被广泛使用.加筋劲性水泥土组合桩的受力特点是芯材与水泥土桩共同承受竖向荷载，围箍材料既能提高芯桩与水泥土之间的粘结力，又能够约束水泥土在水平方向的变形[1].吴迈等[2]对劲性芯材与水泥土共同工作的抗拔性能的研究表明，劲性芯材与水泥土之间的粘结强度随水泥土强度的增加而增大，近似为线性关系.赵晓东[3]采用HDPE管材作为水泥土桩的围箍材料，研究了其组合桩的受力和变形特征.唐承铁等[4]根据加筋碎石桩的受力特点，分析了加筋碎石桩复合地基的两种主要破坏模式，并通过工程案例计算得出了土工格栅抗拉强度的最优设计值，同时给出加筋碎石桩能显著提高其承载力的结论.本文根据土工格栅具有变形模量大、抗拉强度高、重量轻、且与土有良好的咬合作用等特点[5-6]，采用土工格栅作为围箍材料对加筋劲性水泥土桩的应力应变和极限承载力进行了研究.

1 加筋劲性水泥土组合桩实验

1.1 加筋劲性水泥土组合桩试件的制作

加筋劲性水泥土组合桩的结构如图1所示，加筋劲性作法是用土工格栅围箍4根的钢材芯桩.

图1 加筋劲性水泥土组合桩结构示意图

1.2 试验装置和加载方式

试验装置包括:钢筋混凝土模型箱(净空尺寸为长×高×宽=700 mm×1 200 mm×700 mm)；圆形加载钢板(直径为145 mm，厚度为50 mm)；液压千斤顶(量程为200 kN)；CM-2B数据采集仪.

使用液压千斤顶对加载板按10级进行加载，第1次加载的大小为分级荷载的2倍，第2次开始加载的大小为预测极限荷载的10%，直至最后，如图2所示.

图2 加载示意图

1.3 测试内容和极限承载力试验值

通过静载试验，采用位移计、液压千斤顶和CM-2B数据采集仪分别测出试件的桩顶沉降位移、桩的极限承载力值(表1)和桩身的应变值.

表1 极限承载力试验值

1.4 模型桩参数

水泥土模型桩采用普通硅酸盐水泥，其水灰比为1∶1；采用的钢筋为HRB335，直径为12 mm，屈服强度为305 MPa.在浇筑水泥土模型桩的同时，浇筑一组边长为70.7 mm的水泥土立方体试块，养护28 d后测得其强度的平均值为2.81 MPa.

1.5 试验土料

试验用黏土的基本物理性质指标如表2所示，土工格栅技术指标如表3所示(采用山东同发玻璃纤维有限公司提供的企业标准).

表2 试验用黏土的基本物理性质指标

表3 土工格栅技术指标

1.6 模型试验方案的设计

试验测点的布置立面和平面以及模型桩截面形式如图3、图4和图5所示，图中的模型桩桩长为800 mm，模型箱高度为1 200 mm，模型桩与钢筋混凝土箱的内壁距离为175 mm，桩与桩的间距为350 mm.

共设计5个模型桩，其主要变化参数是土工格栅的掺入以及围箍面积，按截面形式不同分为A、B、C、D、E等5类.模型桩的试验方案如表4所示.

图3 试验测点的布置立面图

图4 试验测点的布置平面图

图5 模型桩截面形式的平面示意图

表4 模型桩的试验方案

2 实验结果及分析

2.1 模型桩的Q -S曲线

模型桩21-2和21-3、21-4和21-5的Q-S对比曲线如图6(a)、(b)所示.当加筋劲性水泥土组合桩的4根芯桩(本文用钢筋来取代芯桩)离桩心距离分别为20 mm和40 mm时：由图6(a)可知，土工格栅的作用不显著，其极限承载力仅提高了2.5%；由图6(b)可知，土工格栅作用显著，其极限承载力提高了12.5%.

模型桩21-3和21-5的Q-S对比曲线如图6(c)所示.由图6(c)可以看出，钢芯离劲性水泥土组合模型桩的桩心越远，降低沉降效果越显著.

(a) 模型桩21-2和21-3的Q -S对比曲线

(b) 模型桩21-4和21-5的Q -S对比曲线

(c) 模型桩21-3和21-5的Q -S对比曲线

2.2 应力-应变曲线分析

模型桩21-2和21-3的截面各测点的应力-应变曲线如图7所示.当荷载从0加载到1.5 MPa时，模型桩21-2按直线方程y=-0.002 11x变化；当荷载从1.5 MPa加载到6.6 MPa时，应变增长迅速，模型桩按抛物线方程y=-5.13×10-7x2+1.001x+0.685 8变化；当荷载达到7.4 MPa后，应变增长有所缓慢，模型桩按抛物线方程y=-1.76×10-5x2-0.133x-242.5变化.模型桩21-3的应变变化速度较模型桩21-2相对缓慢：当荷载从0加载到1.8 MPa时，其与模型桩21-2几乎同步，按直线方程y=-0.002 7x+0.042 81变化；当荷载从4.4 MPa加载到7.4 MPa时，模型按抛物线方程y=-4.98×10-6x2-0.022 29x-242.5变化；当荷载从7.4 MPa加载到8.74 MPa时，应变增长速度有所缓慢，模型按直线方程y=-0.001 932x+0.319 9变化.

图7 模型桩21-2和21-3的截面各测点的应力-应变曲线

模型桩21-4和21-5中截面各测点的应力-应变曲线如图8所示.当荷载从0加载到5.2 MPa时，模型桩21-4按直线方程y=-0.002 959x+0.319 9变化；当荷载从5.2 MPa加载到8.4 MPa时，模型桩按抛物线方程y=-1.12×10-6x2-0.007 57x-4.151变化；当荷载达到8.1 MPa后，其应变增长速度迅速加快.模型桩21-5的应变变化速度比模型桩21-4明显缓慢，当荷载从0加载到5.9 MPa时，模型按直线方程y=-0.005 151x+0.618 7变化;当荷载从5.9 MPa加载到9.7 MPa时，模型按抛物线方程y=-1.12×10-5x2-0.027 62x+21.45变化.

图8 组合模型桩21-4和21-5的中截面各测点的应力-应变曲线

模型桩21-3和21-5的中截面各测点的应力-应变曲线如图9所示.从图9中可以看出，土工格栅的两个模型桩的桩心距不同，其应变变化速度也明显不同，模型桩21-5的应变变化速度比模型桩21-3明显缓慢.

图9 组合模型桩21-3和21-5的中截面各测点的应力-应变曲线

3 结论

1)通过对加筋劲性水泥土组合模型桩21-3与21-5的Q-S曲线的对比分析表明：加筋劲性水泥土组合桩的4根芯桩离桩心距离较远时，土工格栅的作用明显.由模型桩的极限承载力试验值可知，当加筋劲性水泥土组合桩的4根芯桩离桩心距为40 mm时，其极限承载力提高12.5%，比离桩心距为20 mm的作用明显.

2)当组合模型桩21-3的桩心距为20 mm时：荷载在0～1.8 MPa和4.4～7.4 MPa区间时，模型分别按直线方程和抛物线方程变化；在7.4～8.74 MPa时，应变增长速度有所缓慢，模型按直线方程变化.当模型桩21-5的桩心距为40 mm时，荷载在0～5.9 MPa和5.9～9.7 MPa区间时，模型分别按直线方程和抛物线方程变化.

3)本文试验是在相同截面形式下完成的，对于不同截面形式下的加筋劲性水泥土组合模型桩的承载力需进一步研究.

参考文献：

[1]吴海花.劲性水泥土组合模型桩的极限承载机理研究[D].延边大学,2012：6-21.

[2]吴迈，赵欣，窦远明，等.水泥土组合桩室内试验研究[J].工业建筑，2004,34(11)：45-48.

[3]赵晓东.新型复合材料水泥土桩的试验研究与数值分析[D].北京工业大学，2010：5-10.

[4]唐承铁，刘猛.加筋碎石桩格栅强度设计初探[J].公路工程，2012,34(6):28.

[5]陈榕.土工格栅加筋特性及其加筋结构计算方法研究[D].大连：大连理工大学，2011：8-16.

[6]熊有言.土工格栅在道路工程中的应用[J].国外公路，1995,15(1):48-51.

[7]任连伟，柴华彬.高喷插芯组合桩承载特性的影响因素分析[J].岩土工程，2012,33(1)：183-192.

[8]孙涛.变截面劲性水泥土旋喷搅拌桩关键技术与承载机理研究[D].中国海洋大学，2011：10-17.

[9]任连伟,李建委,肖耀祖.组合桩研究与技术发展探讨[J].水利与建筑工程学报，2010,8(4)：97-99.