桩基试验（共8篇）
桩基试验 篇1
0 引言
预应力高强混凝土管桩(简称PHC桩)自上世纪八十年代兴起以来,逐渐成为国内外工业与民用建筑所普遍采用的桩基方式。由于其制作快、施工周期短、性价比高、桩基质量可控性强等优点备受土木工程界欢迎。从其作用机理上看,PHC桩主要用作软土地基或中软土地基的摩擦桩或端承摩擦桩,一般采用锤击或静压的方式沉桩。作为预制桩类,由于其沉桩工艺、桩身强度等所限不宜用做嵌岩桩或嵌入风化岩层用作端承摩擦桩。
目前在国内电力工程中,使用PHC桩也是非常普遍的现象,尤其是在发电和变电项目中应用广泛,使用范围包括桩径φ400、φ500、φ600、φ800等,桩型则根据地层条件和设计使用要求选用AB型、B型和C型等。此前绝大多数电力工程由于场地地层分布稳定、桩基持力层条件较好,采用PHC桩比灌注桩、钢桩等节约大量投资,一般采用标准的开口钢板桩靴、锤击或静压沉桩即可满足设计要求。随着PHC桩的推广和制桩、沉桩等技术水平的发展,在一些中软土地区,持力层条件较复杂的场地,甚至是风化岩层为持力层的场地,也在逐步考虑采用改进桩靴方式的PHC桩替代灌注桩,不仅可以节约大量资金,而且沉桩周期短、质量可控性强。
本文结合谏壁电厂桩基试验工程[1],阐述了在复杂地基条件下,考虑采用嵌岩PHC桩作为主厂房、锅炉等主要建筑主桩型,并进行勘察、试桩、对比试验等工作,探讨PHC桩在同类地质条件下嵌岩沉桩的可行性及所需条件。
1 试验区地质条件及方案比选
1.1 地质条件简述
工程场地位于长江下游南岸一级阶地,地基为中软土,一般埋深35m以下为强风化花岗岩,强风化厚度一般不小于10m。勘察揭示的主要地层为:(2)粉土:稍密,平均层厚3.5m。(3)泥炭:流塑—软塑,一般厚度0.8m。(4)粉质粘土:软塑,局部为淤泥质粉质粘土,平均层厚8.0m左右。(5)粉质粘土:可塑—硬塑,平均层厚4.0m左右。(6)粉质粘土:硬塑,层厚1.5~23.8m。(7)1粉土:稍密—中密,局部分布,平均厚度4.5m,局部夹薄层钙质胶结。(8)粉质粘土:可塑—硬塑,夹薄层粉砂,平均层厚8.0m。(9)粉质粘土夹砂、砾含姜结石:可塑—硬塑,夹砂、砾石,局部含姜结石,平均层厚6.0m,层顶埋深一般为30.0m,标高一般为-24.4 m。(12)角砾混粘性土:以角砾为主,粘性土可塑—硬塑,平均层厚1.0m,层顶埋深一般为34.4 m,层顶标高一般为-28.1 m。(12)2强风化花岗岩:粗粒结构,块状构造,岩体破碎,裂隙发育。层顶平均埋深35m左右,标高-25.1~-39.6m,一般为-29.1m,揭露的平均厚度约11.2m,层面有一定起伏。标贯击数平均为90击,重型动探击数大于50击。(12)3中等风化花岗岩:粗粒结构,矿物晶粒新鲜、清晰,结构部分破坏,裂隙发育,一般层顶标高-38.2m。
各主要地层物理力学指标见表1,试桩区地层剖面见图1。
1.2 桩基方案比选
工程为改扩建项目,拆除旧小机组,改建为1000 MW燃煤发电机组。桩基工程的特点和难点在于:(1)建筑场地位于拆除区,自然形成约5m深基坑,两侧毗邻在运行发电机组,桩基边缘与已有建筑只相距16m左右,选择打入桩,振动、挤土等对周边建筑的影响风险较大;(2)地层分布变化较大,风化岩层以上无满足大机组要求的、分布稳定的桩基持力层。本场地以往的桩基只有以(9)层为持力层的PHC桩或预制混凝土方桩,该层无法满足拟建大机组承载力和变形控制要求,因此必须考虑风化岩层作为持力层的桩基方案。根据桩型技术经济比较,若采用嵌岩PHC桩,且能克服其沉桩易断、挤土、振动等不利影响而获得成功,则对舍弃灌注桩方案、节约大量工程投资、缩短桩基施工周期无疑是非常有利和迫切的。
试验方案确定为两组PHC桩和一组旋挖嵌岩灌注桩,本文略掉灌注桩的试验成果。PHC桩一组以(9)层下部为持力层,桩端达到(11)和(12)2综合层顶面;另一组以(12)2强风化花岗岩层为持力层,入岩深度不小于1.5d(桩径)[2]。同时利用早期的一组以(9)层为持力层的PHC试桩成果综合进行沉桩比较分析。试桩分组情况见表2。
注:桩长不包括桩靴长度
2 专项勘察确定桩长
在全厂勘察的基础上对试验桩位置进行了静探、标贯和钻探专项勘察,进一步查清强风化岩层面起伏及其风化均匀性,确定桩长和嵌岩深度。图2为强风化岩层面等高线图。
3 桩型选择和桩靴设计
3.1 桩型及桩身强度加强
由于嵌岩沉桩存在较大困难,桩型选用强度和配筋较高的B型,壁厚为130mm。考虑嵌岩过程中须承受较大的锤击应力且容易出现较大的拉应力,将每节桩端板钢材加厚至20mm,端板下裙板30cm内加钢发丝掺入混凝土中浇筑以增加抗打性。
3.2 桩靴设计
在标准钢板桩靴[3]基础上设计了两种长度的加内忖环开口桩靴进行试打。一种长度为0.6m并加内忖环(宽50mm、厚10mm),翼板加宽,各钢板也进行了适当加厚为16~20mm;另一种长度为1.2 m,如图3所示。加内环主要是考虑入土15 m以下为可塑—硬塑的粘性土,土阻力较大,通过加环减小土塞上升阻力,增加土塞高度,减少挤土量。通过试打,确定长度为0.6m的加强钢板靴加内环的桩靴作为嵌岩工程桩桩靴。
4 沉桩参数对比
第Ⅰ、第Ⅱ组均采用DELMAG80锤,低档(Ⅰ档)油门控制。桩帽下夹盘30cm左右的钢丝绳、桩垫材料选用纸垫,压实厚度不小于20cm,一桩一垫。最大锤击力一般为5500~7300kN,锤击张力最大达1200kN。最大锤击能量一般为60~100 kJ。通过控制油门档位和锤跳高度,控制锤击力不超过7300kN、拉应力不超过1200kN,基本控制在B型桩材料强度以内,确保了试验桩未出现桩身拉断、脆性压坏等现象,桩身完好。
第Ⅲ组桩采用D62锤,Ⅰ、Ⅱ档油门控制。最大锤击力为5720k N,一般为4500~5500kN。最大锤击压应力为33.8MPa,一般为26~33MPa,最大锤击张力为930kN。最大锤击能量一般为40~60 kJ。总锤击数、贯入度及土塞高度等对比见表3和图4~图6。
参数对比显示:(1)“嵌岩”与否,总锤击数、锤击力、锤击能量和贯入度相差较大;(2)加环与否决定了土塞上升的高度大小,加环后土塞高度占入土深度的70%~75%,反之仅占29%左右;(3)本次试验PHC桩成功嵌岩1.5d以上,且需要较大的锤击力和能量。入岩每米锤击数一般在100击以上,最大为210击;(4)改进的桩靴、桩型材料强度能满足地基条件下嵌岩1.5d的要求。
5 单桩静载荷试验对比
三组单桩抗压静载荷试验结果见表4和图7~图9。
可以看出:第Ⅱ组嵌岩试桩,沉降量很小,桩材屈服,实际推荐的单桩极限承载力为7700k N,受桩材强度控制。尽管入土深度只相差2m,但承载力比第Ⅲ组提高了约60%。第Ⅰ组介于嵌岩与非嵌岩之间,桩端落在强风化岩层面上,其承载力比第Ⅲ组提高了约35%,比第Ⅱ组嵌岩桩降低约16%。
这三组试验充分说明了在这一场地尽管入土深度相差很小,但不同持力层或不同入岩深度所获得的单桩承载力差异较大,这也为工程桩的设计优化和施工提供了充分的依据。
6 高应变动测成果分析
对试桩进入持力层后进行每米跟踪PDA测试,休止期后进行复打检测,对比成果见表5。
嵌岩桩沉桩时土阻力比非嵌岩的提高约70%,端阻力所占比例也平均提高10%左右。恢复系数在2.0~2.5之间。
7 结语
本文从勘察、桩材桩靴方案改进、沉桩工艺控制和动力、静力试验成果分析等方面阐述了PHC桩实施“嵌岩”的可行性,得出以下几点认识:
(1)勘察工作必须重点关注桩周土层的分布规律及工程特性研究,查清风化岩基持力层的分布规律和均匀性,根据等高线布桩是减少截桩确保嵌入深度的前提条件。试验项目强风化持力层风化均匀性较好,均一风化厚度大于拟嵌岩深度,对按标高控制停锤有利。
(2)应根据持力层力学参数选择合适的桩型和桩靴,实践证明本次改进的加内环加强开口桩靴适合同类沉桩条件下的桩基工程。尤其对于中软土地基桩基加内环能有效提高土塞高度,减小排土量,减小锤击拉应力对桩身的不利影响。端板加厚提高焊接质量也有利于克服较大拉应力的影响。
(3)控制油门档位和锤跳高度,将锤击压应力和拉应力控制在桩身材料强度范围内,是避免桩身拉脱和压脆的关键。
(4)三组桩对比试验研究成果,为工程桩设计优化提供了充分的依据。尤其是在大机组发电工程或类似条件的超高层工民建工程中,往往需要采用单桩承载力较高且又需要与其材料强度匹配、性价比较高的桩型,类似地质条件下采用此类改进桩靴的PHC桩实施嵌入强风化岩或进入密实粗砂、碎石层等是可行的,这样可以代替传统的灌注桩,大大降低投资。工程桩施工中还采取了浅层取土引孔、设置隔振沟等措施,机组建成投运1年以来主厂房基础最大累计沉降量为26.4 mm、锅炉17.6 mm、汽轮机18.4 mm,均远小于允许沉降量150mm。沉降速率为0.009~0.021 mm/d,接近或小于0.02 mm/d的稳定标准,已趋于稳定。
摘要：工程领域采用的PHC桩基多以粘性土、砂性土层为持力层,文中给出了在复杂中软土地基条件下,以风化岩为持力层,进行PHC桩嵌岩试验的工程实例。通过沉桩试验、高应变动测、静载荷试验等,综合讨论了PHC桩实施嵌岩的可行性,总结分析了岩土工程勘察的侧重点,提出了加强桩身强度、优化桩靴设计和控制沉桩锤击力等措施确保嵌岩桩身质量的一些认识。
关键词：PHC桩,嵌岩,对比试验,岩土工程勘察
参考文献
[1]华东电力设计院.国电谏壁发电厂扩建工程综合试桩报告[R].上海:华东电力设计院,2008.
[2]中华人民共和国行业标准.建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[3]中华人民共和国标准图集.预应力高强度混凝土管桩(10SG409)[S].北京:中国计划出版社,2010.
桩基试验 篇2
摘要：
相对于其他桩型，锚杆静压桩施工空间比较狭小，无法采用建筑基桩检测技术规范中的检测方法来对锚杆静压柱承载力进行检测，故人们大多只关心锚杆静压桩在处理事故工程中的应用效果，很少对基桩承载力进行检测。在对南京禄口机场二期复建房17#楼的11根锚杆静压桩进行现场静载试验和参考建筑基桩检测技术规范的基础上，文章对锚杆静压桩的静载检测技术做了分析研究，主要包括试验装置、仪器设备、试桩要求、静载试验方法、试验数据整理等。
关键词：
锚杆静压桩;单桩承载力;静载检测技术
静载试验法是目前公认的检测单桩竖向抗压极限承载力方法，虽需要大量的人力、时间以及比较难获得完整的试桩结果，但是静载试验是最可靠、最直接的试验方法，锚杆静压桩基桩载荷试验技术尚缺乏系统的研究，桩基检测规范中的检测技术和判定方法是否适用于锚杆静压桩及桩基规范或地基规范中桩基承载力计算公式对锚杆静压桩是否适用等问题，国内现有的桩基及地基基础规范都没有明确规定。本章结合作者参与的实际工程，对锚杆静压桩静载试验方法及试验中存在的一些问题进行了初步的探讨研究。
1.锚杆静压桩静载试验技术研究
文章根据基桩检测技术规范的理论方法的基础上，通过随机选取的南京禄口机场二期复建房17#楼的11根锚杆静压桩静载试验来分析研究锚杆静压桩的静载试验方法。
1.1工程概况
该工程采用锚杆静压钢管桩，桩径φ219，厚度t=5mm。根据工程地质条件，确定选择③-1层作为锚杆静压钢管桩的持力层。设计极限承载力Qu=560kN，桩长13-20m，承载力特征值为280kN，根据工程地质条件，确定选择③一1层作为锚杆静压钢管桩的持力层，土质情况为粉质粘土，褐黄、灰黄色，硬塑，局部可塑，夹青灰色条带，含铁、锰质结核，无摇振反应，切面带有光泽，干强度及韧性高，场地普遍分布，Il=0.13，土的物理性质指标表如表1。
1.2试验装置、仪器设备
文章的试验设备主要采用原压桩设备，为了很好控制加载的数值，试验加载装置采用手动油压千斤顶，对于锚杆静压桩一般一个千斤顶即能满足最大加载量的要求，试验桩要施工结束后预留桩头，要大于预估沉降量，一般宜预留0.1m～0.2m，不宜长也不不宜短，过长桩摇抖动性大，实验误差大，过短即小于桩头的最终累计沉降量，则试验不能进行，根据检测技术规范，沉降测定平面离桩顶距离也不应小于0.5倍桩径，其中也对部分设备进行改进。
1.2.1加载装置
压桩加载装置采用的是电动油压千斤顶，试验时采用手动油压千斤顶，千斤顶的大小根据设计单桩极限承载力标准值来选择，文章桩基设计单桩极限承载力标准值为560kN，故需采用100t才能满足要求。为了更好的控制好固定的压桩力，试验时将电动油压千斤顶换成手动油压千斤顶。
1.2.2反力装置
将桩架安装在压桩时预埋的锚杆上，用葫芦带动钢反力横梁，在桩头放置一块钢板垫块，安装好量测装置，预顶千斤顶，等千斤顶与上面的反力横梁及桩头顶紧，读取初始数据，利用建筑物的自重作为反力，逐级增加荷载，直至试验结束。
1.2.3量测装置
用C械百分表，百分表量程0-50mm，最小刻度0.01mm，估读0.005mm，百分表指针架在基准梁上，磁性表座架在钢板垫块上，吸住千斤顶的侧边。
1.2.4基准梁
基准梁采用型钢，一般为槽钢或工字钢，长度2m左右，用来架设百分表的指针，基准梁固定和支承百分表的夹具在构造上应能确保不受气温、振动及其他外界因素的影响而发生变位。
1.3试桩要求
1.3.1试桩前准备工作
在压桩施工过程中，随机预留出桩头未破损的预制桩作为试桩，选择的桩应具有代表性，避免有微小裂缝的桩，以防试桩时桩头破裂导致试桩被迫中止，桩头平面尽量水平，保持竖向力保持垂直。为了便于安装百分表和千斤顶，根据锚杆静压桩截面较小的特点文章试验桩头露出底板0.2m-0.5m之间，试桩桩头露出底板不宜太小也不宜太大。
从成桩到开始试验的间歇时间，在桩身强度达到设计要求的前提下，根据建筑基桩检测技术和建筑地基基础设计规范，静载试验规定在砂类土中不应少于7d;在粉土不应少于10d;对于饱和粘性土不应少于25d，非饱和不应少于15d;对于淤泥或淤泥质土，不应少于25天;但对于锚杆静压桩，需研究其强度恢复时间，由于压桩对土体的扰动影响小，强度恢复时间短，根据工程经验一般可以采用7d。
1.3.2仪器设备安装
本静载试验的反力架采用压桩时用的桩架，固定压桩架前先检查锚杆，螺纹滑丝及锚杆因压桩出现局部颈缩等，固定安装好桩架，架好葫芦，将反力梁吊起，安放千斤顶，在预制混凝土桩头铺上一层较薄且均匀的细砂层，然后在砂层上平稳放置一块钢板，钢板的大小应与预留桩孔相当，再在钢板上放置千斤顶，尽量使千斤顶中心跟桩头中心、钢板中心在同一直线上，保证检测时桩身受到均匀的轴心压力，固定好反力梁，预加载千斤顶将反力架顶紧。架设基准梁时应凿平基准梁两头的地面，然后铺垫细砂层，压实砂层放置钢板垫块，架设基准梁，安装时既要保证基准梁的上表面与桩截面在同一平面上又要使基准梁两端的标高一致，应避免出现倾斜。基准梁安装完毕再安装百分表，因桩径较小，只能在桩架的两侧对称选取两个点，选定好点位后在桩顶各放置一块玻璃片。安装百分表时表座一端固定在桩顶，另一端夹紧百分表，调节可动装置使百分表指针垂直放置在玻璃片上。
1.4静载试验方法
1.4.1加卸荷载分级
加载采用慢速维持荷载法，加卸载时应使荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不得超过基桩检测技术规范要求。试验桩的预估极限荷载为560kN，特征值为280kN，根据建筑基桩的检测要求，加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2.0倍，本试验的最大加载值取560kN，取每级加载为预估极限荷载的1/10，为56kN，第一级加载为112kN，以后每级取56kN。卸载分级，逐级等量卸载，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，即112kN。
1.4.2沉降及卸载观测时间
本试验11根桩按照建筑基桩检测技术规范，每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读桩顶沉降量，以后每隔30min测读一次，直至达到沉降相对稳定标准，对试验现象及数据观测发现，两种间隔读书对最后的承载力P-s曲线影响不大。
1.4.3沉降相对稳定标准定义
在建筑桩基检测技术规范规定，每级荷载作用下，每小时的沉降增量小于0.1mm，认为已趋相对稳定，可加下一级荷载。对于一些软土地区这个标准适当放宽了，即试桩沉降速率虽然还没有达到0.1mm/h，但在连续观测的半小时沉降量中，出现相邻三次平均沉降速率呈现衰减，则认为该级荷载下的沉降已趋于稳定。卸载时按照建筑基桩检测技术规范要求，测读桩顶沉降量。
1.4.4终止加载条件
当出现下列情况之一时，即可终止加载：
(1)在某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级沉降量的5倍;
(2)某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的2倍且经24h尚未达到相对稳定标准;
(3)已达到反力装置的最大重量及达到设计要求的最大加载量，如压桩架被顶起荷载加不上去，锚杆断掉，也可终止加载。
2.确定试验桩承载力
2.1试验数据整理
选取其中14#、18#P-s曲线，s-logt如图1～图4。从图可以看出14#、18#桩在荷载加载到504kN，出现明显陡峭段，判断该桩的单桩极限承载力为504kN，而没有达到设计单桩极限承载力标注值560kN的要求;其余曲线呈缓变型，根据建筑基桩检测技术规范沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60-80ram，终止加d，因工期及试验条件的限制，本试验加载到单桩承载力标准值560kN，满足设计要求的情况下，停止加载，试验为非破坏，基桩没有出现明显的破坏特征，试验相当于检验性的试验，得到的承载力是保守的.，实际上的承载力还可以继续提高。
从s-logt曲线看，总的变化趋势从低荷载到高荷载曲线间距逐渐增大，14#、18#最后一步的间距比上一步大很多且最好后一根曲线出现明显的向下的陡峭段，s-logt图上分析与P-s曲线的分析的结果相符合。
3.锚杆静压桩静载试验技术研究的目的与意义
(1)参考基桩检测技术规范的理论与方法，通过具体的静载试验，观察实验现象与规范的要求作对比分析及对实验方法中不适合于锚杆静压桩特点进行改进，发现试验中的不足点，方便以后进一步改进静载试验方法。
(2)参考基桩检测技术规范的理论与方法做静载试验，对实验数据进行分析，得出在时间t后桩基的承载力增量与时间的关系。
(3)根据锚杆静压桩的多用于在桩基加固工程中应用的特点，通常施工结束几天就要做桩基承载力检测，在施工前也没有做试桩的条件，需通过静载试验来确定初始检测时间;
(4)通过静载试验为静力法计算承载力等提供对比的数据，为设计提供合理的单桩承载能力，为桩基新工艺、新工法和新桩型提供有充分说服力的依据。
桩基试验 篇3
20世纪初以来,国内外众多学者开始研究水平荷载作用下桩受力特性的理论。到20世纪60年代,由于大直径桩的兴起和普遍使用,促使该项研究得以广泛的开展。目前,已有很多水平承载桩的作用机理及其受力特性分析方面的相关理论和方法,为桩基在港口码头、海堤工程等以水平荷载为主要控制荷载的工程中得以广泛应用奠定了理论基础[1]。其中大部分研究还是停留在平面地基下的桩基础水平受力研究,主要有久保[2]在砂槽中进行了模型试验,观察桩基础的变形特性,提出了土反力和桩应变关系的表达式;Saglamer、Parry[3]在砂土中利用模型桩进行了不同密度和荷载形式的荷载试验,从试验中推断了初期循环加载期间砂土地基侧向基床系数的变化;Allen、Reese[4]为探讨p-y曲线的性状,在成层黏性土中进行了模型试验。章连洋、陈竹昌[5]利用模型试验进行了循环荷载试验和循环荷载后再加载试验,探讨了荷载大小、频率、循环次数和加载历史等因素的影响;王梅等[6]试验研究了水平荷载作用下单桩非线性m法;徐枫[7]通过对某已建建筑物单桩水平承载力的探讨,从中得出了一些结论供桩基水平承载力计算作参考借鉴。因此,对于斜坡地基下的桩基础受力承载特性的研究尚少,本文基于斜坡地基埋深模型桩,探讨了不同临坡距下的桩基水平承载特性。
1 斜坡桩基模型试验
1.1 试验装置
模型试验采用自行研制的可双向加载的地基基础模型试验装置(专利号:201110399399),该装置长6.0 m×宽3.0 m×高3.5 m,可开展斜坡地基、复合地基、桩基等模型试验,装置示意图见图1。
1.2 模型桩设计及埋设
根据主要研究内容、装置实际尺寸和试验的需要,试验槽内自斜坡向内埋设2根模型桩,具体位置见图2,其中模型桩设计如图3,试验过程中利用静态电阻应变仪采集数据。
1.3 土体填筑
试验装置填筑用土为武汉洪山黏性土,土体天然含水量在15%—20%之间,采用分层填筑方式,松铺厚度控制在30 cm左右,采用HCD90型电动冲击夯压实。填筑前通过试夯,夯实6遍后干密度可控制在1.6~1.7 g/cm3之间,厚度约25 cm。每层填筑后,测定压实土的含水量和干密度,若干密度低于1.6 g/cm3,则多夯1~2遍,并重新检测干密度,直至满足干密度标准为止。
填筑到设计标高后统一刷坡,坡比为1∶1.5。
1.4 试验方案与过程
对于斜坡桩基础而言,影响塔基承载力的因素较多,包括基础埋深、基础尺寸和临坡距离等,为深入研究斜坡桩基础下的承载力发展规律,尽量减少各因素间的交叉影响,只考虑临坡距离对承载力发展规律的影响。
试验拟模拟斜坡桩基础,基础平面尺寸为0.1m×0.1 m,基础埋深为1.9 m,斜坡坡比为1∶1.5,考虑两种临坡距离(见图2),即基础中心点距离边坡0.6 m和1.2 m。
本次试验共开展了2组试验,采用单桩水平静载试验逐级循环加载的方式,每级加载量1.2 k N,初步分10级,试验时每级加载进行单向多循环,每级荷载施加后,恒载4 min后可测读水平位移,然后卸载至零,停2 min测读残余水平位移,至此完成一个加卸载循环。如此循环5次,完成一级荷载的位移观测,试验中间不得停顿。当水平位移超过30~40 mm时,停止加载。
2 试验结果与分析
2.1 桩顶水平位移变化规律
2.1.1 No.1模型桩
图4给出了H0-t-x0、H0-Δx0/ΔH0、H0-x0曲线。
从图4(1)可以看出,在荷载较小时,曲线波动性较小,加载-卸载循环具有很好的重复性,但当荷载较大时,曲线波动较大,加载-卸载循环重复性较差,达到12.51 kN时,位移接近35 mm,终止了试验。
在图4(2)、图4(3)曲线中,在荷载较小时,曲线呈现较缓的趋势,随着荷载逐级加大,曲线斜率也逐级加大。同时,可以明显地看到两个拐点,分别是第一拐点7.48 k N、第二拐点9.99 kN。
2.1.2 No.2模型桩
图5给出了H0-t-x0、H0-Δx0/ΔH0、H0-x0曲线。
从图5(1)可以看出,在荷载较小时,曲线波动性较小,加载-卸载循环具有很好的重复性,但当荷载较大时,曲线波动较大,加载-卸载循环重复性较差,达到12.51 kN时,位移接近35 mm,终止了试验。
在图5(2)、图5(3)曲线中,在荷载较小时,曲线呈现较缓的趋势,随着荷载逐级加大,曲线斜率也逐级加大。同时,可以明显地看到两个拐点,分别是第一拐点8.74 k N、第二拐点13.78 k N。
2.2 桩身应变变化规律
2.2.1 No.1模型桩
图6给出了4.97 kN荷载下桩身应变-深度、11.25 kN荷载下桩身应变-深度、各级荷载最后循环加载时桩身应变-深度曲线。
从图6(1)、图6(2)中两种不同荷载下桩身应变-深度曲线中可以看出,在水平荷载较小时(4.97kN),加载-卸载循环具有很好的重复性,当水平荷载超过10 k N时(11.25 k N),加载-卸载循环重复性较差。
图6(3)各级荷载最后循环加载时应变-深度曲线,可以看出不同荷载下最大桩身应变大概都位于桩身上部1/6桩身处,应变零点位于桩身下部1/6桩身处。
2.2.2 No.2模型桩
图6给出了4.97 kN荷载下桩身应变-深度、13.76 k N荷载下桩身应变-深度、各级荷载最后循环加载时桩身应变-深度曲线。
从图7(1)、图7(2)中两种不同荷载下桩身应变-深度曲线中可以看出,在水平荷载较小时(4.97kN),加载-卸载循环具有很好的重复性,当水平荷载超过10 kN时(13.76 kN),加载-卸载循环重复性较差。
图6(3)各级荷载最后循环加载时应变-深度曲线,可以看出不同荷载下最大桩身应变大概都位于桩身上部1/6桩身处,应变零点位于桩身下部1/6桩身处。
结合图6(3)和图7(3),可以明显地看到,在水平荷载较小情况下,两根桩身应变变化规律大致相当,但随着荷载的逐级加大,No.1模型桩的应变规律整体大于No.2模型桩。说明在较大荷载情况下,临坡距越小,对桩身的刚度要求越大,因此,在临坡距较小的情况下,应当加大桩的刚度。
2.3 临坡距对桩基承载性能的影响
图8给出了No.1和No.2模型桩水平推力-位移关系对比曲线。
根据H0-Δx0/ΔH0曲线,取曲线上第一拐点对应的水平荷载值为单桩水平临界荷载,取第二拐点对应的水平荷载值为单桩水平极限承载力。计算结果见表1。
从表1可以看出,临坡距对水平临界荷载和极限承载力均有较大影响,从图6也可以看出,临坡距离较大时,水平推力所对应的桩顶位移也较大。说明临坡距离较大时,临坡一侧土体厚度较大,所提供的水平抗力也较大,桩承受水平推力的能力越强。在边坡空间较大时,通过加大临坡距离,在桩径和桩长不变的情况下,水平承载能力可有效提高。
3 结论
通过室内模型试验方法,研究了斜坡桩基的水平承载变形性能,主要结论如下:
(1)在水平推力较小时,每级荷载下的循环加卸载具有很好的重复性,说明桩身及其周围土体变形为弹性变形;在水平推力较大时,每级荷载下的单循环加卸载重复性较差,存在残余变形,说明桩身周围土体存在塑形变形。
(2)斜坡地基条件下,桩基础水平加载时,最大桩身应变位于桩身上部1/6附近,而应变零点位于桩身下部1/6处。
(3)在水平荷载较小情况下,临坡距对桩身应变变化规律影响不大,但随着荷载的逐级加大,临坡距越小,桩身应变整体越大。
(4)临坡距离较大时,水平临界荷载和极限承载力均较大,反之亦然,因此,通过加大临坡距离,在桩径和桩长不变的情况下,水平承载能力可有效提高。
参考文献
[1]马志涛.水平荷载下桩基受力特性研究综述.河海大学学报(自然科学版),2006;34(5):546—551
[2]K.久保.侧向受荷桩性质的实验研究.桩基(水平力)译文.天津大学水利系桩基规范专题小组,1978
[3]Saglamer A M,Parry R H G.侧向受荷单桩的模拟试验研究.工业建筑情报,1981;(34):68—76
[4] Allen J D,Reese L C.Small scale tests for the determination of p-ycurves in layered soils.OTC 3737,1980
[5]章连洋,陈竹昌,黏性土中侧向受载桩的模型试验研究.岩土工程学报,1990;12(5):40—50
[6]王梅,楼志刚,李建乡,等.水平荷载作用下单桩非线性m法试验研究.岩土力学,2002;23(1):23—27
桩基试验 篇4
单桩竖向静载试验就是以一固定时间段的沉降量作为稳定标准, 通过施加不同大小的荷载, 测读桩身的沉降量, 从而得出荷载与沉降量的关系曲线, 通过试验数据的判读来确定桩的承载力大小。
本文通过对兰州地区某厂房桩基静载荷试验的设计以及研究, 对兰州地区同类工程的设计及施工提供指导依据。
1 桩基静载荷试验的机理
桩基的静载荷试验是通过在桩顶分级施加轴向压力, 并观测桩的相应观测点的沉降量。最后, 根据桩基所受的荷载与位移之间的关系 (即Q-S曲线) 判定相应的单桩竖向抗压承载力。
2 工程概况
拟建工程场地位于兰州市某工厂内, 拟建物为一栋单层厂房, 高度为22m, 建筑用地面积49.9×30.1m2。工程重要性等级为二级, 场地复杂程度等级为三级, 地基复杂程度等级为二级。
该工程场地位于兰州段陷盆地之外, 场地内部及外围附近无第四系活动断裂, 地层自上而下依次为: (1) 杂填土厚度为0.6~1.9m; (2) 状粉厚度为5.0~6.1m; (3) 卵石最大厚度为7.4m (未揭穿) 。
3 基桩静载荷试验方案的设计
本试验根据现场条件选择锚桩横梁反力装置。试验加载采用两台油压千斤顶加载并联同步工作。千斤顶的合力中心应与桩轴线重合。沉降测量采用位移传感器。采用慢速维持荷载法荷载分8~10级加载, 待前一级荷载达到稳定标准后, 方可加下级荷载, 加载至桩基承载力特征值的两倍, 具体布置方案如图1所示。
4 基桩静载荷试验数据处理
本次试验桩为机械成孔混凝土灌注桩, 试桩3根, 其编号为1# (桩长10.4m, 桩径0.6m) 、2# (桩长11.2m, 桩径0.8m) 、3# (桩长10.2m, 桩径0.6m) 。为保证试验桩和锚桩不被破坏, 加荷量为设计荷载的2倍。各试验桩参数均由施工单位提供, 桩顶标高由该建筑±0.000标高引测, 具体情况见表1-3。
5 基桩静载荷试验数据分析
试验数据分析表明:在天然状态下, 1#桩顶竖向最大稳定加荷量1460k N, 相应沉降3.32mm, 最大回弹量2.26mm, 回弹率68.1%, Q-S关系线呈缓变型, 近似直线, 加荷已达到设计荷载2倍终止加载条件, 未出现极限破坏状态, 终止加荷, 如图2所示。据图表分析, 该试桩竖向极限承载力实测值取Q-S线最大荷载值1460k N。经计算该试桩的竖向承载力极限值大于1460k N, 该试桩的竖向承载力特征值大于730k;试桩2#桩顶竖向最大稳定加载量2200k N, 相应沉降为3.61mm, 最大回弹量2.22mm, 回弹率61.5%, Q~S关系线呈缓变型, 近似直线, 加荷已达到设计荷载2倍终止加载条件, 未出现极限破坏状态, 终止加荷, 如图2所示。据图表分析, 该试桩竖向极限承载力实测值取Q-S线最大荷载值2200k N。经计算该试桩的竖向承载力极限值大于2200k N, 该试桩的竖向承载力特征值大于1100k N;试桩3#桩顶竖向最大稳定加载量1200k N, 相应沉降为2.49mm, 最大回弹量1.49mm, 回弹率59.8%, Q-S关系线呈缓变型, 近似直线, 加荷已达到设计荷载2倍终止加载条件, 未出现极限破坏状态, 终止加荷, 如图3所示。据图表分析, 该试桩竖向极限承载力实测值取Q~S线最大荷载值1200k N。经计算该试桩的竖向承载力极限值大于1200k N, 该试桩的竖向承载力特征值大于600k N。
6 结论
各试验桩在经过桩基静载荷试验后, 并通过计算可以发现试验桩竖向承载能力均已达到要求。
参考文献
[1]中华人民共和国建设部.建筑桩基技术规范 (JGJ94-94) [S].北京:中国建筑工业出版社, 1995.
[2]万瑞霞.浅谈建筑工程施工进度控制[J].甘肃科学学报, 2010:26 (4) 167-169.
[3]江山, 王玉林.桩基静载荷试验应变测量及应用[J].煤炭技术, 2008:27 (4) 80-82.
桩基试验 篇5
国内外学者通过多种手段和方法,研究水平荷载作用下的桩基承载性能:谢剑铭等[1]通过单桩水平加卸载试验,研究了临坡距对桩身变形及承载力的影响,提出通过加大临坡距离,可以有效提高水平承载能力。李杨秋[2]通过有限元软件ANSYS,对不同坡度的岩质边坡中的桩基进行三维有限元分析,分析只有充分考虑不同坡度条件的桩侧阻力分布特征,才能比较准确地把握坡体中桩基承载性状的基本特征。乾增珍等[3]以某山区斜坡地形220 k V输电线路高露头挖孔桩基础水平荷载现场试验为例,研究斜坡地形高露头挖孔桩基础水平荷载作用下的桩土体系稳定性及承载机理。赵明华等[4]基于Winkler弹性地基梁理论,建立考虑桩-土-坡相互作用的简化受力模型,导出高陡斜坡上桥梁桩基各特征桩段的平衡微分方程,并采用幂级数法对其进行求解。杨明辉等[5]基于施工或外部荷载造成的岩土坡体滑动现象,将桩顶处的上部荷载分解成竖向与横向荷载共同作用,考虑桩顶P-Δ效应的影响,采用矩阵计算方法,得到高陡边坡桥梁基桩内力分析计算的幂级数解。
目前这方面的研究虽然取得一些初步认识和成果,但距离实际应用仍有相当大的距离,尚无可利用的规范可循。因此开展斜坡场地桩基水平承载特性研究非常必要。本文以西南地区常见的输电铁塔桩基础为原型,通过进行室内模型试验,研究斜坡坡度对桩基水平承载力的影响,为该地区桩基水平承载力的确定提供依据。
1 室内单桩水平静载荷模型试验
1.1 试验方案
试验以西南地区常见的输电铁塔桩基础为原型。通过室内单桩水平静载荷试验,并以该地区常见的碎石土堆筑坡体模型,研究斜坡坡度对桩基础的水平承载力的影响,试验选取0°、15°、30°、45°,4种不同坡度进行模型试验,试验方案见表1。
1.2 斜坡土体模型材料及参数
本次试验在成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的三维地质力学模拟试验加载系统中进行,试验槽长、宽、高分别为4 m、3 m、1.5 m。坡体模型所用碎石土取自四川省阿坝州理县下孟乡四马村俄力组北侧山体斜坡。地层主要由第四系松散坡积物,该场地为西南山区较为常见的输电线路走线场地类型。为了获得精确的原状土物理力学参数,特进行室内粗颗粒土大三轴试验(图1)、现场灌水试验及烘干试验、筛分试验,得到参数值见表2。
1.3 模型桩制作与埋设
试验原型桩为西南地区常见的输电铁塔桩基,长14 m,截面边长1.75 m。在此采用1∶10的比例进行缩尺试验。模型桩尺寸见表3。为了得到较为理想的模拟成果,模型采用水泥砂浆作为桩材,水泥等级C30,砂浆配比为水泥∶砂∶水=1∶1.76∶0.32,水泥砂浆标准试块单轴抗压强度34.2 MPa,弹性模量2 100 MPa。
模型桩埋设见图2。桩顶出露20 cm。在桩前泥面处和其上10 cm处架设两支百分表,以量测桩顶位移;桩身受拉与受压侧,自地面下5 cm处,向下每20 cm对称布设应变片;并在应变片对应位置的桩侧土体内埋设土压力盒。桩及监测元件埋设见图3。
1.4 加载方式
原型桩长期受到水平荷载作用,并且试验需测量桩身应变,试验加载选取慢速维持荷载法。加载设备采用成都伺服液压设备有限公司制造的高精度静态伺服液压机的千斤顶进行加载。每级荷载的增量为0.5 k N,加荷载后静置30 min,待百分比读数稳定后施加下级荷载。出现下列情况之一即可停止加载:(1)桩身已断裂;(2)桩侧地表出现明显裂缝或隆起;(3)坡面处桩身位移超过40 mm。
2 斜坡坡度对水平承载力的影响
2.1 桩顶位移变化规律
为了研究不同坡度下桩基的桩顶位移,根据试验百分表读数,绘制出4个桩的桩顶位移H-x曲线,见图4。
对比图4中不同坡度下H-x曲线可以看出,4条曲线规律基本相同:桩顶位移随荷载增加而逐渐增大。加载初期,桩顶位移较小,发展缓慢;随着荷载等级增大,桩顶位移加速增大。同时,随着坡度增大,H-x曲线较早的向上弯曲。
图5中三条曲线分别表示水平荷载为3 k N、6 k N、9 k N时,不同坡度θ下的桩基桩顶位移x。当水平荷载为3 k N时,1#、2#、3#、4#桩的桩顶位移分别为0.42 mm、0.48 mm、1.03 mm、1.69 mm;当水平荷载为6 k N时,4个桩的桩顶位移分别为1.29 mm、2.15 mm、4.79 mm、10.01 mm;当水平荷载为9 k N时,4#桩由于已经破坏提前结束加载,故无相关位移数据。1#、2#、3#桩的桩顶位移分别为3.05 mm、7.61 mm、14.59 mm。
可以看出:当荷载相同时,桩顶位移随着坡度的增加而逐渐增大,并且随着荷载的增大,坡度所引起的桩顶位移增大更加显著。
2.2 水平承载力变化规律
目前确定桩基承载力时,多采用荷载位移H-x曲线出现拐点的前一级水平荷载值作为临界荷载Hc r或荷载位移梯度H-Δx/ΔH曲线上第一拐点所对应的水平荷载值为临界荷载Hcr,然后取其0.8倍作为水平承载力特征值[6]。由于模型试验与现场试验存在的差距,本文拟采用临界荷载作为模型桩的水平承载力。虽然桩顶位移(H-x)曲线和荷载位移梯度(H-Δx/ΔH)曲线,均可确定临界荷载Hc r。由于文中H-x曲线拐点不明显,故做H-Δx/ΔH曲线判断更为准确。绘制4个桩的H-Δx/ΔH曲线,见图6。
由图6可得,两个拐点将曲线分为三段。三段曲线分别表示桩前土体的三种状态:曲线位于第1段时,桩前土体处于弹性变形阶段;位于第2段时,桩前土体开始发生塑性变形;位于第3段时,桩前土体已达到极限强度,桩前土体破坏。根据规范《建筑基桩检测技术规范》取曲线上第一拐点对应的水平荷载值为临界荷载Hcr,第二拐点对应的水平荷载值为极限荷载Hu。所得1#、2#、3#、4#桩的临界荷载Hcr和极限荷载Hu分别为9.6 k N、5.8 k N、4.4 k N、2.6 k N和13.1 k N、10.8 k N、8.3 k N、6.1 k N。
将4个桩的临界荷载Hcr和极限荷载Hu汇总,见图7。
可以看出,随着坡度的增加,桩基的水平承载力逐渐减小。分析原因,斜坡基桩两侧土体体积有较大差异,导致基桩两侧土体的约束力有明显差别。由于临坡侧土体为桩基提供抗力并约束桩基变形:当坡度较小时,桩前土体量较多,可约束桩顶位移发展并可提供较大的抗力,水平承载力较高;随着坡度的增大,桩前土体量减少,可提供抗力较低,土体结构稳定性差。在相同荷载下桩顶位移随坡度增大,水平承载力显著降低。
3 斜坡与水平场地承载力对比分析
为了分析斜坡坡度对桩基水平承载力的影响,以水平场地承载力为基准,将不同坡度下桩基承载力Rh(θ)与水平场地承载力Rh(0)进行对比(表4),研究斜坡坡度对承载力的影响。
可以看出,对于15°、30°、45°斜坡,其水平承载力与0°斜坡水平承载力的比值分别为0.61、0.46、0.27,即随着斜坡的增大,使得桩基水平承载力逐渐降低。
目前,不同学者对桩基承载性能相关拟合函数形式主要有指数型、双曲线型和对数型等[7]。通过实测资料发现,选用指数型函数拟合斜坡坡角对桩水平承载性能的影响,能得到较理想结果。本文以斜坡倾角θ为参数,对桩基水平承载力进行指数型拟合。
以坡角θ为参数,对表3进行拟合可得:
式中:K为斜坡与水平场地承载力比值;Rh(θ)为斜坡坡度θ桩基水平承载力;Rh(0)为水平场地桩基水平承载力。
为了方便工程设计,当场地条件位于上述研究范围内,可通过理论计算水平场地桩基承载力,再乘以相对应的比值K,得到对应坡度下的桩基水平承载力。
4 结论
本文通过室内单桩水平静载荷模型试验,研究斜坡坡度对桩基础的水平承载力的影响,得出以下结论。
(1)斜坡的存在对桩基顶位移的影响较大:随着斜坡坡度增加,桩顶位移均随荷载增大而逐渐增大;同一水平荷载作用下,0°、15°、30°、45°斜坡桩基的桩顶位移x依次增大。
(2)斜坡坡度的存在影响着桩基水平承载力:随着斜坡坡度的增大,相对于水平场地,桩基的水平承载力依次降低。
(3)在进行桩基设计时,若场地条件符合上述研究范围,可先根据现行规范求得水平场地桩基的水平承载力,再利用本文提出的斜坡与水平场地承载力比值K作为调整系数,进一步求得该斜坡场地的桩基水平承载力。
(4)通过室内粗颗粒土大三轴试验,测得西南山区较为典型的碎石土土性参数,可为在该地区进行其他工程设计时的参数取值提供依据。
参考文献
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群桩基础受力特性的模型试验研究 篇6
众所周知,影响群桩受荷的因素很多,如土体的性质、桩间距、桩长与桩径、桩的布置方式以及上部结构的刚度等。鉴于群桩基础的规模大、影响因素复杂及现场试验难度大等因素,国内外很多学者先后采用模型试验针对群桩基础的受力性状及桩土相互作用进行研究:刘金砺、袁振隆[1]进行的接近于原形尺寸的现场群桩试验;杨克己、王富元[2]在粉质粘土中针对几种主要影响因素进行的对比模型试验;谢涛[3]等利用铝管做模型桩针对群桩承载性状和群桩效应进行的群桩试验;王幼青等[4]针对桩距和桩数这两个影响因素在均质粉质粘土中进行的模型比例为1∶13的低桩承台群桩试验;张建新[5]利用模型试验对静压群桩引起的土体变形进行了研究。
然而土质的差异及其与桩相互作用后表现出的承载特性和沉降性状也必然有很大的差异。虽然高永贵[6]、贺武斌等[7]、费鸿庆[8]、谢永健[9]、王东红[10]等对黄土地基中超长钻孔灌注桩基的工程性状进行了研究,但是由于超长桩基承载机理的复杂性以及影响因素的多样性,使得这方面的研究目前还处于半理论半经验阶段。
1 室内模型试验
1.1 试验原型
试验原型为钢筋混凝土筒中筒结构,地上为36层、地下为2层的高层建筑,基础采用5×5且桩间距为5.5d的桩筏基础,筏板平面尺寸为50m×50 m,厚1 m;中心核心筒与四周荷载比约为3∶1;基桩采用钻孔灌注桩,桩径为2m,桩长为50m。根据相似原理[11~12]和试验模型等各种影响因素的综合分析,本次试验选用的模型比例为1∶100,其它模型比按照相似律确定。
1.2 试验模型
本次试验在长1.5m×宽1.5m×高1m的钢板模型箱内进行,模型桩采用外径20mm、长为50cm的空心铝管,管壁厚t=1mm,模型桩长径比为l/d=25,桩周采用钢锉拉毛做粗糙处理,空心铝管中灌注砂浆,底部用水泥封底。承台采用1cm厚的钢板,面积为50cm×50cm。桩外侧由顶至底依次间隔8cm贴上应变片,以测桩的应力。
1.3 试验加载
加载方式采用慢速维持荷载法,通过堆载的方式由千斤顶施加反力于两个钢板框上来模拟框筒结构加载,内框和外框承担的荷载比例为3∶1。荷载分为十一级,每级加载为预估荷载的1/10~1/15,预估荷载为120k N,第一级可按2倍分级荷载加荷,为20k N。以后各级荷载逐级增加。
1.4 试验用土及相关参数
试验用土是某工地挖取,然后在模型箱中由底至顶依次按照要求分层夯实、固结,土层分布如图1所示,各层土的主要物理力学参数如表1所示。
1.5 沉降观测点布置
本次试验的沉降观测点分别在筏板中心、两个角点和边中心处各布置一个,如图2所示。各测点的沉降观测按照规范进行。
1.6 土体中压力计的布置与测试桩的位置
承台下的基础表面埋设7个压力盒,沿着中心线深度埋设8个压力盒,每个压力盒布置在各土层的上部、中部和下部,分别用来测得承台下土体的附加应力,如图3所示。
2 试验结果分析
2.1 群桩基础的荷载—沉降特性分析
由图4可见,群桩的荷载—沉降Q-s曲线与该地区单桩的沉降曲线相似,也呈缓变型,基本没有明显拐点,更没有出现第二拐点。曲线符合三个阶段规律,即线性阶段、非线性阶段和剪切破坏阶段。所以仅仅从群桩的Q-s曲线是很难准确判断其极限承载力的。
由图5可见,群桩的荷载—时间对数s-lgt曲线在荷载相对较小时,其曲线没有变化,沉降趋于稳定。当荷载加到90k N后,曲线形式发生了变化,渐渐出现拐点,并且沉降稳定时间也明显延长。所以黄土地基中群桩的竖向极限承载力应综合群桩的s-lgt曲线和荷载沉降Q-s曲线来确定,这是与软土地区确定超长桩基的极限承载力的不同之处。
2.2 承台底土体的附加应力变化
从图6和图7可见,承台下土的附加应力均随着荷载的增加而增加,但增长速度有所不同,位于边缘部位土体的压力增长速度较快,接近承台底中心位置的土体压力增长速度最慢。故其承台底土附加应力分布的形式是边缘大而靠近中心小,呈马鞍型或抛物线型。另外,随着荷载的增加,相同深度上的土体附加应力也在增大,尤其是土体附加应力最大值渐渐上移,荷载加至接近极限时,这种现象更为明显。
2.3 不同位置桩的承载能力分析
由于承台效应,不同位置桩的承载能力差别较大(见图8)。在各级荷载的作用下,各桩顶反力均增大,但其增大的速度明显有很大差异,1#桩的增大趋势最慢,3#桩和6#桩总体上增大趋势相当,且显然大于其它桩位的桩顶反力,而同为边桩的4#桩和5#桩也因所处位置不同有很大差异,尤其是4#桩在荷载加至50k N时突然增大,且此后增大趋势一直在提高。总体上是角桩(6#桩)的承载能力最大,边桩(4#桩、5#桩)和近边桩(2#桩)的承载能力其次,中心桩(1#桩)的承载能力最小。
2.4 不同桩位的桩身轴力(Q)及桩侧摩阻力(q)沿桩长(L)的变化情况
不同位置的桩,桩的轴力与桩侧摩阻力分布形式各不相同。角桩(6#桩)在其中上部的侧阻最大、上部次之、下部最小,由桩的荷载传递原理,其侧摩阻力的变化在其轴力图中均可以找到一一对应关系,下文不再赘述。当10级荷载时,桩的最大侧阻为245.6k Pa,而桩上部与下部的侧阻分别为该值的80.1%和25.9%,如图9和图10所示。
近边桩(3#桩)也在其中部的侧阻最大、下部次之、上部最小,8级荷载时,桩的最大侧阻为126.9 k Pa,而桩上部与下部的侧阻分别为该值的41.0%和52.6%,如图11和图12所示。
边桩(4#桩、5#桩)的侧摩阻力也在其中部最大、下部次之、上部最小,10级荷载时,桩的最大侧阻分别为180.8k Pa和94.9k Pa,而桩上部与下部的侧阻分别为该值的19.4%、26.1%和35.9%、52.0%,如图13—图15和图16所示。
另外,对于边桩4#桩的轴力,在荷载相对较小时,其轴力增大较为缓慢,而荷载加至50k N时,其轴力增大的趋势显然提高,而且随着荷载的增大,这种增大的趋势尤为显著。这一点在图8中也得到了较好的印证。
由图17可见,中心桩(1#桩)的桩身轴力在各级荷载作用下增幅不大。中心桩(1#桩)在其下部的侧阻最大、上部次之、中部最小,10级荷载时,桩的最大侧阻为153.4k Pa,而桩上部与中部的侧阻分别为该值的20.9%,15.0%,如图17和图18所示。
3 结论
基于室内模型试验的结果分析,分别对群桩基础的承载性能与荷载传递机理、承台下土体附加应力的发展、不同桩位的桩承载能力、桩身轴力与侧摩阻力的变化情况做了探讨,虽限于室内模型试验的局限性,但试验结果仍可以对以上问题进行定性分析,得到以下几点结论:
(1)群桩的荷载—沉降Q-s曲线与该地区单桩的沉降曲线相似,也呈缓变型,基本没有明显拐点,更没有出现第二拐点,所以仅仅从群桩的Q-s曲线是很难准确判断其极限承载力的,还应综合群桩的s-lgt曲线来确定。
(2)承台下土体附加应力随着荷载的增加逐渐增大,但增长速度有所不同,整体上呈边缘大、内部小的马鞍型分布。另外,随着荷载的增加,土体附加应力的最大值有上移的趋势,荷载接近极限时更为突出。
(3)由于承台效应,不同位置桩的承载能力有所区别,总体上是角桩(6#桩)的承载能力最大,边桩(4#桩、5#桩)和近边桩(2#桩、3#桩)的承载能力其次,中心桩(1#桩)的承载能力最小。
大吨位桩基静载试验的应用研究 篇7
关键词：大吨位静载试验,Q-s曲线,地基土承载力,反力装置结构,堆载偏心
1 前言
桩的现场足尺静载试验是国际上公认的获得单桩竖向抗压、抗拔以及水平向承载力的最基本和最为可靠的方法。它可获取桩基设计所必需的计算参数, 为设计提供合理的单桩承载力, 对桩型和桩端持力层进行比较和选择, 充分发挥地基抗力与桩身结构强度, 使二者相匹配, 以求得最佳技术经济效果。采用接近于建筑物实际工作条件的单桩竖向抗压静载试验, 确定单桩竖向抗压极限承载力, 作为设计依据。通过现场足尺静载试验, 可以得到试桩的荷载-沉降曲线即Q-s曲线, 它是桩破坏机理和破坏模式的宏观反映, 静载试验过程中所获取的每级荷载作用下桩顶沉降随时间的变化曲线, 有助于对试验结果的分析。
在工程中将试验荷载超过10000kN的称为大吨位静载试验, 大吨位静载试验的重点和难点在于试验反力装置的安装。常规的静载试验装置有四种:锚桩横梁反力装置、压重平台反力装置、锚桩压重联合反力装置、地锚反力装置。压重平台反力装置为最为常用的试验反力装置, 但压重平台反力装置受设备限制, 很难能实现超大吨位的试验。
本文拟根据我省的桩基静载试验实际情况, 结合泉州某小区的工程实例, 讨论采用压重平台反力装置试验实现大吨位桩基静载试验所需解决的几个问题, 并分析试验过程中的一些影响因素, 提出了大吨位静载试验的应用建议。
2 大吨位静载试验的特点
国家现行有关规范对单桩竖向抗压静载试验的仪器设备、试验方法和数据分析做出了明确而详细的规定, 大吨位静载试验必须满足规范的要求。然而大吨位静载试验由于诸多因素的限制, 在满足以上规范要求方面存在较多问题。当试验荷载较小时, 按规范要求的方法进行试验, 所得结果自然可靠。而大吨位试验荷载的相对小吨位试验需要更多的千斤顶、百分表、压力表等仪器的安装, 还有大吨位的堆载、钢梁的排放等都增加了试验的难度, 同时大吨位静载试验中大吨位堆载造成桩周土的压缩沉降和回弹, 对试验结果产生影响。
采用压重平台反力装置实现大吨位静载试验主要存在以下一些问题:
(1) 压重平台支座的地基土承载力问题。
(2) 反力装置结构的强度和变形问题。
(3) 试验仪器设备联合加载问题。
(4) 安装堆载安全问题。
大吨位静载试验过程中的主要影响因素:
(1) 桩周土的压缩和回弹。
(2) 基准桩、梁变形。
(3) 堆载偏心。
以上的问题和影响因素将结合工程实例进行详细分析, 并提出解决的对策和建议。
3 工程实例概况
泉州某小区一期工程位于泉州丰泽区城东片区, 桩基采用人工挖孔桩, 桩径900～1500mm, 桩长8～20m, 桩身混凝土强度等级为C30, 桩端持力层为中风化花岗岩。设计要求单桩竖向抗压极限承载力最大为16000kN。地质情况自上而下为:
⑴-1杂填土:松散, 厚度一般小于0.8m;
⑴-2素填土:呈稍密状, 厚度1.3～3.8m;
⑵粉质粘土:可塑状, 厚度0.7～8.0m;
⑶粗砂:饱和, 中密状, 厚度0.5～6m;
⑷粉质粘土:可塑～硬塑, 厚度0.7～10.7m;
⑸残积砂质粘性土:可塑～硬塑, 厚度1.1～28.6m;
⑹全风化花岗岩:极破碎, 属极软岩, 厚度1.4～16.3m;
⑺-1砂砾强风化花岗岩:岩芯呈砂砾状, 属极软岩, 岩体基本质量等级Ⅴ级, 厚度0.5～21.0m;
⑺-2碎块强风化花岗岩:岩芯呈碎块状, 属软岩～较软岩, 岩体基本质量等级Ⅵ级, 厚度0.4～17.3m;
⑻中风化花岗岩:岩体较破碎, 岩芯呈短柱状, 部分为块状, 属较硬岩, 岩体基本质量等级Ⅳ级, 厚度0.3～16.6m;
⑼微风化花岗岩:岩体较完整, 岩芯呈长、短柱状, 属坚硬岩, 岩体基本质量等级Ⅰ级, 揭露厚度一般大于5.0m。
4 大吨位静载试验主要存在问题
4.1 压重平台支座的地基土承载力问题
《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ106-2003) 规定:压重施加于地基的压应力不宜大于地基承载力特征值的1.5倍。根据工程实际情况, 采用现场地基土浅层平板载荷试验结果, 地基土载荷试验P-s曲线出现陡降段时, 其对应的前一级荷载为极限荷载fu, 可以建立P≤fu作为短期高荷载条件下地基土承载力允许值判别式, 是不会导致试验设施整体失稳的。当场地表面土层下存在软弱下卧层时, 还应验算短期高荷载条件下软弱下卧层经深度修正后地基土承载力是否满足要求。
工程实例的试桩1#的最大试验荷载要求加至16000kN, 根据规范规定, 加载反力装置能提供的反力不得小于最大加载量的1.2倍, 压重平台的重量应不小于16000×1.2=19200kN。如果直接利用场地表层的素填土作为平台支座, 其地基土承载力特征值为90kPa, 支座长度为10m (主梁长度) , 则每边的支座宽度需为b=19200/90/2/2/10=5.33m, 已经超出平台范围, 因此直接利用场地表层的素填土无法满足要求, 需提高持力层的承载力, 拟对素填土进行换填碎石土并压实处理。
换填采用碎石和石渣, 换填厚度为2.5m (素填土厚度) , 换填宽度为3.5～4.0m, 并用20t压路机进行碾压, 根据《建筑地基基础技术规范》 (DBJ13-07-2006) 附录C提供的参数, 碎石砂土的压实填土的地基土承载力特征值为180～220kPa, 本工程验算取200kPa, 其极限值为400kPa, 则每边支座宽度为:b=19200/400/2/10=2.40m。
换填层下面为粉质粘土层, 其承载力特征值为200kPa, 不存在软弱下卧层, 因此不必进行软弱下卧层的承载力验算。
4.2 反力装置结构强度和变形问题
压重平台反力装置的结构主要为钢梁, 分为主梁和次梁。由钢梁平台承担所有的堆载重量, 并通过垫箱将重量传递给试验千斤顶组, 对试桩进行加载试验。钢梁的承载力是否满足要求是大吨位静载试验的成败关键, 钢梁的刚度不足引起变形过大, 造成平台失稳也时有发生。因此验算钢梁的强度和变形问题是大吨位静载试验的必须步骤。
钢梁一般采用以下几种截面形式:①工字形;②组合工字形;③箱形。经验算和实际试验中的对比, 钢梁的主梁采用箱形截面较为合适, 次梁采用工字形或加强工字形截面较为合适。钢梁宜在腹板处加肋板, 防止工字钢翼缘处或箱梁四角处因应力集中出现破坏, 也可防止钢梁出现平面外失稳。
钢梁的受力模式一般为简支梁或悬臂梁, 其抗弯强度应按下式计算:
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式中 Mx、My-同一截面处绕x轴、y轴的弯矩
Wnx、Wny-对x轴、y轴的净截面模量
rx 、ry-截面塑性发展系数, 工字形截面rx=1.05, ry=1.20, 箱形截面rx=ry=1.05
工程实例的试桩1#的静载试验使用的压重钢梁平台主梁结构详图见下图2。主梁为变截面箱形梁, 需验算跨中处和变截面处的抗弯强度。主梁采用Q345钢板 (16Mn钢板) , 抗弯强度设计值f=295N/mm2 (厚度为16～35) , 次梁采用56b工字钢并在跨中截面上下各加固20mm厚钢板, 抗弯强度设计值f=215N/mm2, E=2.06×105N/mm2。
主梁截面的惯性矩:
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主梁的净截面模量:
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主梁跨中处的极限抵抗弯矩:
Mu=γxWnxf=1.05×16.02×106×295=4963kN·m
主梁长度l为10m, 垫箱宽度为1.20m, 当加载至最大试验荷载时钢梁呈悬臂梁受力模式, 此时钢梁的悬臂计算长度l0为 (10-1.2) /2=4.40m, 堆载产生的弯矩:
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Q为单根主梁承受的最大试验荷载, 则
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试桩要求的最大试验荷载为16000kN, 因此需要4根主梁, 每根主梁承担4000kN荷载。变截面处的计算也满足要求。
主梁悬臂梁状态的挠度:
undefinedmm, 满足要求。
次梁截面的惯性矩:
Ix=I′x+a2A=68503×104+168×20×2902×2=1.25×109mm4
次梁的净截面模量:
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次梁跨中处的极限抵抗弯矩:
Mu=γxWnxf=1.05×4.31×106×215=973kN·m
次梁长度l为10m, 4根主梁宽度为1.20m, 当加载至最大试验荷载时钢梁呈悬臂梁受力模式, 此时钢梁的悬臂计算长度l0为 (10-1.2) /2=4.40m, 堆载产生的弯矩按照主梁的公式计算。
Q为单根次梁承受的最大试验荷载,
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试桩要求的最大试验荷载为16000kN, 16000/1005=15.92, 因此需要16根次梁, 每根次梁承担1000kN荷载。。变截面处的计算也满足要求。
次梁悬臂梁状态的挠度:
undefinedmm, 满足要求。
4.3 试验仪器设备联合加载问题
大吨位静载试验一般需要5台以上的QF320千斤顶联合加载, 本工程实例需要8台QF320千斤顶, 并需要安装4台大量程百分表测量沉降。规范规定使用多台千斤顶联合加载应并联同步工作, 并满足以下要求:①使用的千斤顶的型号、规格应相同;②千斤顶的合力中心与桩轴线重合。多台千斤顶联合加载还需配置大流量高速电动油泵、分流器和高压油管等油压装置, 保证多台千斤顶能够并联同步加载。由于每台千斤顶的压力-荷载率定方程均有不同, 当多台千斤顶并联同步工作时, 加载压力为各台千斤顶的出力之和, 而各台千斤顶的油压力相等。基于以上两个条件, 采用下式计算多台千斤顶并联同步工作的压力-荷载关系方程:
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式中y—多个千斤顶联合加载控制油压力
x—要求的试验荷载
ai—千斤顶标定方程系数, 单个千斤顶标定方程y=aix+ bi
bi—千斤顶标定方程系数
n—千斤顶个数
已知各台千斤顶的标定系数, 代入上式, 可计算出联合加载的压力-荷载关系方程, 从而计算出加卸载的各级荷载和油压力的具体准确数据。
4.4 安装堆载安全问题
大吨位静载试验由于堆载重量大, 配重体积大, 安装在钢梁平台上的配重堆放高度较高, 安装堆载的施工安全问题较为突出。如试桩1#的静载试验荷载为16000kN, 钢梁平台尺寸为10×10m, 配重采用预制混凝土块, 重度为2.5t/m3, 堆放高度达6.4m。为了保证安装堆载的施工安全, 应采取如下措施:
(1) 降低整个压重平台的重心。应将试桩的桩顶标高降低至自然地坪下2～2.5m处, 支座只能排放一层预制块或采用钢板枕木, 使得堆载配重的重心尽可能地降低下来。
(2) 保证支座地基土的稳定性和均匀沉降。应对支座地基土承载力进行计算, 留有足够的支座宽度, 并对支座下地基土进行压实处理, 使得在堆载作用下均匀沉降, 不会造成平台倾斜。在堆载过程中应进行支座沉降观测, 根据沉降观测情况指导预制块堆载施工。
(3) 安装堆载施工时应规范施工, 对称均匀安装, 平台两侧的预制块配重堆放层数不得相差超过一层以上, 保证整个平台的平稳。当预制块配重堆放层数超过5层后, 每层向内缩进1块距离, 逐渐收缩, 使得堆载重心向中心靠拢。
(4) 每隔2层预制块配重应垫放扁钢作为拉筋, 使得边排的预制块配重保持稳定。
(5) 堆载试验现场应设置警戒区域, 拉上警戒线, 严禁闲杂人等进入, 堆载施工试验人员应做好安全防护, 避免出现人员损伤事故。
5 大吨位静载试验过程中的主要影响因素分析
5.1 桩周土的压缩和回弹的影响
在堆载过程中, 随着堆载数量的增加, 地基土中附加应力逐渐增加, 桩周土的孔隙比逐渐减少, 桩周土的沉降也随之增大, 试桩受到下拉荷载的作用 (堆载过程试桩受到负摩阻的作用) 。在试验加荷阶段, 随着桩顶荷载的增加, 地基土受到的压力逐渐减少, 由土的压缩回弹曲线可知, 地基产生回弹, 桩周土的回弹使试桩受到上拉荷载的作用, 从而试桩实际作用力比桩顶荷载要小。由此可见, 大体积堆载造成的土体压缩-回弹, 使得大吨位静载试验本身存在一定的误差。在各级荷载的作用下, 地基土卸载产生的回弹逐级增大, 当达到最大试验荷载时, 桩周土的回弹量也将达到最大值, 上拉荷载对试验的影响可能为最大。这种由大吨位静载方法本身导致的影响往往被大家忽视, 值得关注的是这种上拉荷载到底有多大, 如何去克服, 这些都是我们应该去解决的问题。
虽然桩顶的力是通过克服桩周土的摩阻向下传递的, 土摩阻与上拉荷载都属于正摩阻, 都起着对抗桩顶荷载的作用, 但它们的形成机理不同, 前者是桩身变形引起的, 后者是桩周土压缩一回弹造成的, 或者说桩顶荷载口减去上拉荷载R后的作用效应造成桩土间的相对位移, 才产生桩土体系的阻力。在一定程度上, 土摩阻的发挥与桩土间相对位移正相关, 相对位移越大, 土摩阻发挥就越充分。土样的侧限压缩试验表明, 土的塑性部分被压缩, 回弹反映的是土的弹性部分, 因而土的回弹量大大小于其压缩量, 就一般情况而言, 桩顶加荷时的上拉荷载要小于堆载过程产生的下拉荷载。具体工程中, 土层情况各不相同, 压缩一回弹模式也不尽相同, 试验时产生的上拉荷载大小也不相同, 很难用固定的方法剔除桩周土沉降变化产生的影响, 必须通过测试和计算加以修正剔除其影响。
5.2 基准桩、梁变形的影响
测试系统的基准梁过大过长时受温度变化的影响较大, 只能采取适中处理, 它将不可避免地受大体积堆载的影响。大体积堆载使得地基土产生压缩-回弹的变化, 从整个试验过程来看, 地基土经了压缩-回弹-压缩的过程, 观测系统的基准桩将出现上升和下降的变化, 这种变化自然地迭加到试桩的沉降量s中, 从而影响到Q-s曲线结果。目前解决的办法是采用高精度水准测量基准桩和基准梁的变形情况, 并根据观测结果对试验数据进行修正。
5.3 堆载偏心的影响
大吨位静载试验架有较大的几何尺寸, 容易使堆载重心发生偏心, 并联工作的千斤顶同步性难以保证, 实际施工中, 桩顶可能受到偏心力矩的作用, 会影响到系统的传力性能。当试桩浅部存在缺陷时, 桩容易被压断。在试验中, 要注意堆载部位的地基处理, 特别要避免两侧不均匀沉降的发生, 确保堆载重心与桩顶中心和千斤顶合力在同一垂线上, 保证力的传递性能。在试验过程中应注意控制4个不同测点的沉降差, 不宜大于3～5mm。
为避免出现试验过程中出现试桩桩头爆裂的问题, 应在试验前对试桩进行桩头处理, 具体要求如下:
(1) 混凝土桩应先凿掉桩顶部的破碎层和软弱混凝土。
(2) 桩头顶面应平整, 桩头中轴线与桩身上部的中轴线应重合。
(3) 桩头主筋应全部直通至桩顶混凝土保护层之下, 各主筋应在同一高度上。
(4) 距桩顶1倍桩径范围内, 宜用厚度为3～5mm的钢板围裹或距桩顶1.5倍桩径范围内设置箍筋, 间距不宜大于100mm。桩顶应设置钢筋网片2～3层, 间距60～100mm。
(5) 桩头混凝土强度等级宜比桩身混凝土提高1～2级, 且不得低于C30。
6 结论
通过对采用压重平台反力装置试验实现大吨位桩基静载试验所需解决的几个问题的讨论, 并结合工程实例进行分析, 提出一些合理性解决方法和建议, 并对试验过程中的一些影响因素进行分析, 我们可以得出以下一些结论:
(1) 大吨位桩基静载试验必须满足支座地基土承载力要求, 一般需对场地表层土进行换填压实处理, 保证支座稳定和均匀变形;
(2) 对钢梁平台结构强度和变形的验算是大吨位桩基静载试验前的必须步骤, 主梁截面建议采用箱形, 次梁采用组合工字形, 以增大平台的刚度;
(3) 采用式 (2) 多台千斤顶并联同步工作的压力-荷载关系方程计算联合加载控制油压力, 既准确又方便;
(4) 大吨位桩基静载试验的安装堆载施工安全比较突出, 必须采取安全保证措施;
(5) 桩周土的压缩-回弹将对桩的受力状态产生一定的影响, 并对测量沉降的基准系统造成一定的影响。堆载偏心的影响也是有存在的, 必须采用桩头加固处理保证试验过程中不会出现桩头破坏。
参考文献
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预制管桩静载试验分析与桩基优化 篇8
关键词：预制管桩,极限承载力,最终压力
0 引言
预制管桩具有承载力高、施工周期短与环保等优势, 已经越来越多的被运用在工程实践中。随着静压管桩施工经验的积累, 静压管桩在武汉地区得到迅速推广, 也取得了良好的效果。然而, 引进这项技术的过程中, 还有很多技术问题需要解决, 因此, 需要更深入开展相关研究。
1 工程地质条件
世茂锦绣长江项目位于武汉汉阳区, 地貌单元属长江冲积一级阶地。各土层的工程地质特征见表1。
2 静载试验确定单桩承载力特征值
m
该工程采用静压管桩基础, 主楼与裙楼部分初步设计承载力特征值分别为1 500 k N, 900 k N, 桩端持力层分别为 (6) 粉质粘土、 (7) 中粗砂。现场要求先进行试桩试验, 主楼与裙楼部分试桩桩长分别为21 m, 34 m。在现场对6根试桩进行竖向抗压静载试验, 试验利用静力压桩机提供稳定荷载, 分级加载直至破坏, 试验结果见表2。
其中, 1号~4号桩桩端持力层为 (7) 中粗砂, 5号与6号桩桩端持力层为 (6) 粉质粘土, 通过试验得出的Q—S曲线见图1~图4。
通过单桩竖向静载荷试验, 从图3与图4可以看出, 5号桩与6号桩都加载至破坏, 取其上一级荷载作为单桩竖向极限承载力, 1号~4号桩都没有破坏, 可以通过缩短设计桩长, 进一步优化设计。
3 主楼部分预制管桩优化设计
依据静载试验结果, 可以得出, 1号~4号桩为摩擦端承桩, 5号与6号桩为端承摩擦桩。由于主楼部分设计承载力特征值为1 500 k N, 可以考虑缩短实际桩长, 以 (6) 粉质粘土层作为持力层, 从而使其成为端承摩擦桩。实际工程中, 可依据效应系数α, 并结合勘察报告中提供的参数, 综合分析决定主楼部分桩长采用27 m。施工过程中考虑标高与静力压桩机终压力双重控制, 施工结束后并进行静载试验检验优化设计后的效果。
施工完成并达到休止期后, 对其中3根桩进行抗压静载试验, 试验结果如表3所示, Q—S曲线如图5, 图6所示。
通过试验结果可以得出, 优化设计后, 管桩最终沉降值满足工程要求, 从而证实该优化结果是合理的, 节约了工程造价。
4 结语
静压管桩具有周期短, 承载力高等优点, 施工过程中需进行试桩静载试验, 依据试验得出的极限承载力与静力压桩机终压力对成桩质量进行控制。同时, 根据试桩结果并结合勘察报告提供的有效参数对桩基进行优化设计是可行的, 特别是软土地基, 可以大大降低工程造价。
参考文献
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