钢筋计在扩底桩侧摩阻力计算中的应用

2016-06-05刘翔青

工程与建设 2016年6期

关键词：试桩桩体轴力

刘翔青

(合肥工大工程试验检测有限责任公司，安徽合肥 230009)

钢筋计在扩底桩侧摩阻力计算中的应用

刘翔青

(合肥工大工程试验检测有限责任公司，安徽合肥 230009)

文章介绍通过振弦式钢筋应力计测量桩身轴力，根据所测结果最终得到桩侧摩阻力沿深度分布状态。桩侧摩阻力值反映出桩体扩头部分在抗拔过程中起到的关键作用，桩侧摩阻力主要由桩身所处中、下部分土体提供。

扩底桩；钢筋计；桩侧摩阻力；受力分析

0 引言

随着现代工程建设规模的扩大,工程上部结构尺寸也不断增大,对桩基的承载力提出了更高的要求,桩基向着大直径、深长、扩底等方向发展。桩基的承载力影响因素较多,桩土相互作用十分复杂,因此桩基一直是工程研究领域中的热点和难点[1-3]。本文以某市轨道交通换乘站桩基工程为例,主要介绍扩底灌注桩桩侧侧摩阻力的计算方法。

1 钢筋计的布置与安装

该车站桩基础工程皆为钻孔扩底灌注桩,所选试桩每根桩详细参数及设计极限承载力计算结果见表1所列。

表1 试桩相关参数表

试桩钢筋计安装按照图1所示位置,S1、S2试桩由上至下四个截面分别编号1、2、3、4,每个截面安装三个振弦式钢筋计,按圆周互成120°角三等分分布。

焊接时一般将钢筋与钢筋计的连接杆对中之后采用对接法焊接,工程现场焊接时也可在钢筋计的埋设位置上截去相应长度钢筋,然后将钢筋计焊上。为避免焊接时钢筋计周围温度过高而致其损坏,焊接过程中钢筋计外应包上湿棉布并不断在棉布上浇冷水,直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止,全程钢筋计所测温度不高于60 ℃[4-5]。

钢筋计的引线可沿钢筋笼的主筋延伸至地面,并预留5～10 m的引线与振弦式测读仪相连,运用测读仪量测钢筋应力计频率变化,进而换算得出钢筋应力。

图1 试桩钢筋计位置示意图

2 钢筋计测试原理

试验选用GJ-16振弦式钢筋测力计,钢筋计用于测试钢筋混凝土桩结构内的钢筋应力,并由此推算桩身内力,进而得到土层的抗压或者抗拔侧摩阻力。钢筋计主要由振弦式感应部件、热敏电阻、钢套、连接杆、电缆及密封组件等组成,如图2所示[6-7]。振弦式钢筋计以钢弦作为传感元件,其应力测量物理基础是钢弦振动的固有频率同钢弦的张紧程度大致成正比[8]。

(1)

其中,F为钢筋计受力大小,f为钢筋计输出振动频率;A、B为标定系数。

图2 振弦式钢筋应力计结构示意图

钢筋应力计在使用前需先行对其标定,标定时按一定增量对钢筋计施加一系列的力Fi,测定不同力的作用下钢筋计的输出振动频率fi,然后对各组(Fi,fi)线性回归分析,确定(1)式中的A、B标定值,这样在测试时通过读取fi的值带入(1)式即可确定钢筋的受力[9]。

3 钢筋计测试结果及分析

3.1 轴力的计算

根据本试验GJ-16钢筋计标定证书所列,钢筋内力计算按

(2)

ΔT=T0-T

其中,P为被测钢筋的载荷(kN);K为钢筋计的标定系数(kN/Hz2);ΔF为钢筋计输出频率模数实时测量值相对于基准值的变化量(kHz2);f0为钢筋计的初始频率值(Hz);fi为钢筋计工作频率值(Hz);b为钢筋计的温度修正系数(kN/℃);ΔT为钢筋计的温度实时测量值相对于基准值的变化量(℃);B为钢筋计的计算修正值(kN)。

通过振弦式测读仪,读取钢筋计输出频率模数和温度实时测量值,将其带入(2)式,得到被测钢筋所受荷载P,σg为试验荷载在钢筋内部产生的应力。

(3)

其中,Ag为钢筋的横截面积,本试验钢筋计连接在钢筋笼φ32主筋上。试验荷载作用下,深度Hi处桩体截面所承受轴力为Fpi,Fpi由构成桩体的钢筋和混凝土共同承担,即

(4)

其中:Ag为桩体截面上钢筋所占面积;Ac为截面上混凝土所占面积;σg=Egεg,为桩身钢筋应力;σc=Ecεc为桩身混凝土应力;Eg和Ec分别为桩体钢筋和混凝土的弹性模量,εg和εc分别为桩体钢筋和混凝土的应变。假设桩体同一截面上应变处处相等,则εg=εc,将此关系带入(4)式得

EgεgAg+EcεcAc=

(5)

其中,Acg为桩体钢筋折算面积,Acg=(EgAg+EcAc)/Eg,将(3)式带入(5)式可得

(6)

其中,k为桩筋受力比,k=Acg/Ag。

因此,利用埋置在不同深度的钢筋计测得两个桩截面间的桩侧摩阻力Qs为

(7)

任意两截面间的桩侧摩阻力也可以用此方法求得[10-11]。

将振弦测读仪测得数据,带入上述各式计算可得各钢筋计所在截面桩身轴力值,具体见表2所列。

表2 钢筋计所在截面桩体轴力值

3.2 试桩S1侧摩阻力分析

试桩S1底部最大加载值达36 000 kN,桩顶轴力为0,将表2所测结果代入(7)式可得到试桩各分隔段间桩侧摩阻力大小,见表3所列。

表3 试桩S1桩侧摩阻力

试桩S1侧摩阻力沿深度分布曲线见图3所示。

图3 试桩S1侧摩阻力深度分布曲线

3.3 试桩S2侧摩阻力分析

试桩S2底部最大加载值达29 000 kN,桩顶轴力为0,将表2所测结果代入(7)式可得到试桩各分隔段间桩侧摩阻力大小,见表4所列。

表4 试桩S2桩侧摩阻力

试桩S2侧摩阻力沿深度分布曲线见图4所列。

图4 试桩S2侧摩阻力深度分布曲线

4 结束语

由于试验桩身处在中风化泥质砂岩中,土体状况较为单一,钢筋应力计的布置目的在于测量扩头部分在桩侧摩阻力发挥过程中所起作用。其测试结果表明:由于土层摩阻力的作用,桩身轴力随着与加载位置距离的增大而减小。摩阻力的发挥取决于桩基与土之间的相对位移,摩阻力随着桩土相对位移的增加而增大,可以判断桩底部与土的相对位移较大,而桩顶部较小[12-13]。当桩底加载至极限荷载时,桩身中、下部土层提供的摩阻力所占总桩侧摩阻力的比例较大,扩底部分的增强效果尤为突出,试桩S1、试桩S2两扩头及中间部分约分担总桩侧摩阻力的70.2%和81.4%。

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