楔形桩承载力试验研究

楔形桩承载力试验研究
刘杰;王忠海
【摘要】为探讨楔形桩在天津地区应用的可行性,研究了楔形桩在竖向桩顶加荷方式下的极限承载力、桩侧摩阻力及桩端阻力的发展规律,并与同条件下等截面桩进行对比,分析其经济效果,证明楔形桩在天津地区具有一定的适用性.
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】2002(035)002
【总页数】4页(P257-260)
【关键词】楔形桩;桩侧摩阻;桩端阻力
【作者】刘杰;王忠海
【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】TU473.1+3
20世纪70年代前苏联出现了一种新型桩--锥型短桩(1.5～4 m），经过试验研究后，已于一些工程中加以应用.
我国也于70年代末在保定、石家庄和南京等一些工程中相继试用过，取得良好的经济效果.
然而迄今为止天津尚无该桩型的使用记录，因此针对该地区的特殊地质条件研究其应用的可行性很有必要.如果可行，将会缓解天津地区目前可应用桩型较少的现状.
为此，在该地区针对小锥角(小于1°）中长度楔形桩(6～10.5 m）的竖向承载力、沉降变形以及侧摩阻力和端阻力进行了试验研究.
试验通过在桩内埋设应变片及在桩端设置压力盒来确定其竖向极限承载力、桩侧摩阻力和桩端阻力，并与同等长度的等截面桩进行比较，以确定其技术经济效果.
本试验所用桩采用预制形式，混凝土强度为C30，钢筋笼长度等于桩长L，具体构造见图1.图中α为锥角，tgα=(a1-a2）/2L.桩内配纵筋为4根φ8mm.试验采用
了三组不同长度的楔形桩，为与同条件下的等截面桩进行对比分析，每组楔形桩均制作了相应a1= a2的等截面桩，见表1.
试验使用高智能电阻应变仪进行桩身应变数据采集；用预先标定的频率计测定桩端压力盒的频率.
各类桩入土深度及截面划分见图2.为减小杂填土的影响，桩顶压入地表以下1 m；同时也是为了尽量使9 m桩进入预计作为持力层的Ⅲ2粉土层.
由试验实测各级荷载下标定面的轴向应变值，通过一定的函数关系表达式，可得各试桩标定面钢筋混凝土的轴向应力和应变关系
然后由下式计算各测量截面的轴向力
式中：Qij和εij分别为第i截面在j级荷载下的轴向力和应变；AP为桩身平均截
面面积.各土层的平均单位摩阻力为
式中：ASi为第i桩节的侧表面积.
桩端承载力为
式中：Hp为桩端压力盒频率.
试验前先按下式估算楔形桩的容许承载力：
式中：R--桩底土的容许承载力；F--桩底面积；
Ui--第i层土中桩段中腰处桩的周长；
li--第i层土中桩段中腰处的桩长；
fi--第i层土的强度(或对桩周的等截面桩的容许承载力，可查DB 29-20-2000）；fσi--第i土层由σi产生的附加抗力(摩阻力），fσi=σi(tgα+tgφ）；
α--楔形桩锥角(°）；
φ--土的内摩擦角(°）；
σi--法向抗力
ESi--第i层土的变形模量；
S--容许荷载作用下桩产生的竖向位移，砂性土取1 cm，粘性土为2 cm；
rSi--第i层土中方锥为桩段中腰处边长之半，圆锥为半径；
K--土的压缩系数，一般取为1.
3.1 竖向极限承载力
估算与实测的楔形桩与等截面桩竖向极限承载力情况及对比见表3.
由表3可见，楔形桩的平均极限承载力明显大于等截面桩，比率为
212.3/116.0=1.83，其中尤以2号桩，即9 m楔形桩的单位承载力最高.
1号和4号桩(6 m）的Q-S曲线见图3，可见，1号(楔形）桩在前几级荷载下的
沉降较小，达到极限荷载后突然下沉，破坏具有突然性，而4号(等截面）桩在前
几级荷载下沉降比楔形桩要大，极限承载力比楔形桩
大一级.另两组桩Q-S曲线情况与上述基本相同.
在估算承载力时S按粘性土取值，但与实测值相比仍然偏小，最大相差几乎两倍，所以式(1）的适用性有一定的局限.根据实测结果，若将式(1）引进系数α =1.5，
变为则与实测结果较为接近.
3.2 极限侧摩阻力与端阻力
由试验测得的极限荷载下桩身截面的应变及桩端压力盒频率计算出的桩身轴力及桩端阻力见表4，桩极限侧摩阻力见表5.各桩侧摩阻力与端阻力占极限荷载百分比见表6.
2号和5号桩(9 m）在各级荷载下的桩身轴力见图4和图5.
由表6数据及轴力图图5可看出，楔形桩的端阻力占总荷载的比例较小，最大为4.06%，不同长度桩的值比较接近；等截面桩端阻力较大，最大比率为总荷载的13.96%，最小为9.37%；虽然9m和10.5m桩均进入粉土层，但从试验结果看，端阻力提高得不明显.另由表5可知，两种桩型在承载力相差不大的情况下，楔形
桩的侧摩阻力(支撑力与摩擦力之和）比等截面桩要大.其原因有二：一方面是因为等截面桩端截面较大；另一方面主要是由于楔形桩的特殊构造所致，其桩身侧面在工作中同时处于摩擦力和支承力(切向力和法向力）的受力状态，桩基材料(混凝土）和地基材料(土）的结构性能得到了更加充分的发挥和利用.同时，在下桩过程中，桩的锥型侧面向桩周围的土传递了压桩的能量.实际上，下桩的过程就是一个对桩
周围土壤进行局部而有效的地基加固处理过程，从而使土壤产生了一个压缩密实区域.这不仅提高了土壤的物理力学性能，也改变了土壤的自然结构状态，消除了地
基土的一部分沉陷.
1）楔形桩的受力机理不同于一般桩基，楔形桩的楔型构造改变了桩周土的天然结构状态，改善了土的物理力学性质，有利于提高楔形桩的承载力；
2）桩的楔形截面有利于发挥桩土的共同作用.打桩过程中楔形桩起物理楔的作用，打桩能量的大部分通过桩侧传给了桩周土，在桩周形成挤密区，承担了大部分荷载，其平均单位承载力与等截面桩相比约提高80%；
3）楔形桩的技术经济效果显著，平均单位承载力相同的条件下比等截面桩节省材料约80%；
4）9 m长楔形桩无论是承载力还是经济效果方面都较其它两种楔形桩理想，应用价值更高；
5）由于试验受材料及机械等条件的限制，所试验的桩型较少，因此式(6）中的系
数α的引进只限于本次试验桩，α的具体数值以及其影响因素尚有待于进一步研
究.
6）本次试验只是针对天津地区的地质情况，所研究的楔形桩不同于前苏联的短桩，虽锥角较小，但仍可以显著节省材料.通过试验，初步了解了楔形桩的工作特性和
检测方法，为该桩型在天津地区的应用提供了一定的技术资料和施工经验.
【相关文献】
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