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水泥土组合桩室内试验研究
水泥土组合桩室内试验研究
吴 迈 赵 欣 窦远明 王恩远
(河北工业大学土木工程学院 天津 300132
摘 要:
水泥土组合桩是由水泥土和芯桩组成的组合桩型,二者的共同工作对水泥土组合桩的承载性状有重要影响。
通过对混凝土芯桩与水泥土组合试件的静载荷试验,研究了水泥土强度及其他因素对芯桩与水泥土界面摩阻力的影响,为水泥土组合桩的设计施工提供了可靠依据。
关键词:
水泥土组合桩 水泥土 混凝土芯 摩阻力 静载试验
EXPERIMENTALSTUDYONSTIFFENEDDCMPILEINY
WuMai ZhaoXin DouY (SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversity T300132
Abstract:
AstiffenedDCMpileconsistsofand,cooperationhasanimportantinfluenceonthebearingbehaviorofthecementstrengthandotherfactorsonthefrictionresistanceareresearchedbystaticpilesandsoil2cementspecimens,whichprovidedareliablebasisforthedesignandsoil2compositepiles.
Keywords:
DCpile soil2cement concretecore frictionalresistance staticloadtest
第一作者:
吴 迈 男 1972年6月出生 博士研究生 讲师收稿日期:
2004-06-23
1 概 述
水泥土组合桩是由水泥土和芯桩组成的组合桩
型。
钢筋混凝土预制桩是最常用的芯桩形式。
水泥土与混凝土的力学特性对水泥土组合桩的承载力有重要的影响。
一方面,从本构关系上看,混凝土与水泥土都是弹塑性材料,但两种材料性质有很大差异。
混凝土是由水泥、砂子和石子三种材料用水拌和凝固硬化后而形成,具有较高的抗压强度。
水泥土与混凝土相比抗压强度较低,其抗压强度一般只有013~410MPa,而常用的混凝土的强度一般在15~30MPa。
当混凝土承受轴向压力时,相应于其峰值应力的应变通常只有012%,而水泥土达到峰值应力时的应
变为018%~112%[2]
约为混凝土的4~6倍。
图1[3]
比较了混凝土(强度等级C30与水泥土(fcu=31535MPa的应力应变关系。
水泥土与混凝土相比,
强度很小,相应于峰值应力的变形很大。
即在同样
应变下,水泥土的应力值通常只有混凝土的几十分之一。
这也是水泥土组合桩中混凝土芯桩能有效承受和传递桩顶荷载的根本原因。
另一方面,在水泥土组合桩中,水泥土和混凝土芯桩之间通过粘结力共同工作,并有效地传递桩顶荷载。
两种材料之间的荷载传递是通过接触面上的
1-混凝土; 2-水泥土
图1 水泥土与混凝土的应力应变曲线对比
摩阻力实现的,因此,研究芯桩与水泥土接触面上摩
阻力的特性具有重要意义。
2 室内摩阻力试验研究211 试件、装置和试验方法21111 试验构件
试件由三部分组成:
混凝土芯、水泥土和外套筒。
混凝土芯居中放置,外包水泥土,模拟水泥土组合桩的桩身结构。
与芯桩混凝土强度等级相同的混
5
4IndustrialConstructionVol134,No111,2004
工业建筑 2004年第34卷第11期
凝土外套筒作为辅助构件。
制作试件用的水泥土留出立方体试块以测定其无侧限抗压强度fcu;混凝土芯与文献[4]的室外模型桩的
芯桩同时制作,具有相同的强度和表面光滑程度。
试件共8个,试件及试验装置见图2,试件的有关参数见表1。
表1 粘结力试件参数表
试件号
混凝土芯桩
水泥土
混凝土外套筒
强度等级形状
d1Πmm
d2Πmm
水泥掺入比Π%
水灰比
强度等级
D1ΠmmD2Πmmb1Πmmb2Πmm
1
C30圆柱
1001007
110C3020020050502C30圆柱10010010110C3020020050503C30圆柱10010012110C3020020050504C30圆柱10010015110C3020020050505C30圆柱10010015110C3020020050506C30圆柱10010020110C3020020050507C30方柱909015110C30200200505021112 试验装置
由于混凝土芯在承受荷载后,通过摩阻力传递给水泥土,进而在水泥土内以剪力形式向下传递,为而破坏,设计了试验用支座,如图2,的剪力传递给套筒,
给支座,。
同时,由于水泥土与外套筒之间接触面积远远大于混凝土芯与水泥土之间的接触面积,破坏将不会发生在套筒与水泥土的接触面,保证了试验结果的合理性。
1-支座;2-外套筒;3-混凝土芯;4-水泥土;5-钢板;6-试件;7-千斤顶
图2 试件及试验装置示意
试验采用1000kN反力架提供反力,100kN千斤
顶加荷。
施加荷载通过千斤顶上放置的200kN荷载传感器测定。
千斤顶与混凝土芯之间通过与混凝土芯截面完全相同的20mm厚的钢板传递荷载。
钢板上安放量程为30mm的百分表测读混凝土芯的下沉量。
21113 试验标准和方法,并结合桩基。
采取分级加载的方法,1/8~1Π10;在每级荷载下的稳定标准为混凝土芯的下沉速度小于011mm/30min;破坏标准为芯的下沉量不能收敛。
取试件破坏的前一级荷载为混凝土芯与水泥土之间的极限侧摩阻力,即二者之间最大粘结力,用Pu表示;混凝土芯的侧表面积为AL,则τu=PuΠAL表示单位面积上的侧摩阻力值,或称作混凝土芯与水泥土之间粘结强度。
粘结强度与试件中水泥土的无侧限抗压强度的比值称为摩阻比或粘结系数,即单位面积上,单位水泥土强度所提供的侧摩阻力值,用α表示,即
α=τuΠfcu212 试验结果汇总
试验加载过程中,通过百分表测读各级荷载下
芯体的下沉量。
加载初期,芯体的下沉速度较慢,芯体与水泥土之间没有相对滑移,但存在相对滑移的趋势。
随着荷载增加,芯体的下沉速度逐渐加快,芯体与水泥土之间开始出现相对滑移;达到极限荷载后,荷载不变而芯体的下沉量(滑移量急剧增加而不能收敛,最后芯体沿与水泥土之间的接触面被整体压出,试件发生破坏,水泥土本身并未发生破坏。
8个试件的试验结果汇总于表2中,从1~6号试件的试验结果可以看出,混凝土芯体与水泥土之间的粘结强度与水泥土强度有密切的关系,粘结强度随水泥土强度的增加而增大,存在近似的线性关系,其关系及趋势线绘于图3。
试验中,由圆柱形芯体和圆柱形套筒组成的6个构件的摩阻比(粘结系数的值在01174~01213之间变化,平均值为01194,即粘结强度的数值约为水泥土试块无侧限抗压强度fcu的01194倍,小于水
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4工业建筑 2004年第34卷第11期
泥土本身抗剪强度(012~013fcu
[2]
的数值,这也是
试验中破坏均发生在芯体与水泥土界面而水泥土并未发生破坏的原因。
表2 摩阻力试验结果汇总
试
件号
芯形状芯侧表面积Π2套筒形式水泥土强度fcu最大粘结力Pu粘结
强度
τu摩阻比α实测值平均值
1圆柱0.099圆柱215045.0455.50.2122圆柱0.099圆柱296055.0555.00.1873圆柱0.099圆柱302060.0606.10.2004圆柱0.099圆柱316055.0556.80.1765圆柱0.099圆柱143030.0304.00.2136圆柱0.099圆柱321055.0559.50.1747方柱0.107圆柱3160
60.0
559.20.1778
圆柱
0.099圆锥台3160100.0
1008.10.319
0.194
-
-图3 1~6
同时还可以发现,侧限条件对芯桩与水泥土之间
摩阻力的发挥有显著影响。
如试件8采用了圆锥台形套筒,在芯体承受荷载时,芯体将荷载传递给水泥土,水泥土又通过其与周围套筒的接触面将荷载传递给套筒,在荷载传递过程中,由于水泥土有相对于套筒内壁的向下滑移的趋势,楔形套筒内壁必然对芯体产生水平方向和竖直向上的约束力,水平向约束力的结果使水泥土与芯体接触面的侧向压力增加,芯体与水泥土之间的摩阻力显著增大。
而在圆柱形套筒的情况下,由于水泥土内部只传递竖直方向的剪力,不会产生水平向的体积变形,可以认为套筒对水泥土没有产生水平方向约束力,因而其摩阻力值小于圆锥台形套筒的情况。
因此,实际工程中土的侧向约束对提高混凝土芯与水泥土间的摩阻力是有利的。
棱柱形混凝土芯比同体积的圆柱形芯体具有较大的侧表面积,因此7号试件的总极限侧摩阻增加,但摩阻比变化不大。
在实际工程中,可以改变芯桩表面形状(如加凹槽或采用楔形芯桩,通过增大接触面积或改变水泥土受力条件来增加芯桩与水泥土之间的侧摩阻力。
试验结果表明,当水泥土达到某一强度fcu时,芯桩与水泥土之间的极限侧摩阻力值可以达到01194fcu。
已经完成的静载试验结果表明,水泥土组合桩外围水泥土与桩周土的极限侧摩阻力值在50kPa以下,在水泥土强度达到设计要求(一般不小
于110MPa情况下,这一数值比芯桩与水泥土之间的摩阻力值低数倍。
因此,水泥土组合桩只要满足
一定的构造要求[5]
就完全可以保证芯桩与水泥土之间能共同工作而不首先发生桩身破坏,设计时就可以按照水泥土组合桩的外包尺寸计算桩的承载力。
3 工程桩试验结果
为进一步考察芯桩与水泥土共同工作情况,进行了工程试桩单独压芯桩静载荷试验。
水泥土搅拌桩长12m,桩径500mm;芯桩长度413m,截面为方形,上端截面边长244mm,下端截面边长120mm。
加载装置见图4。
百分表1、百分表2分别用于观测芯桩、
水泥土的沉降值。
1,2-百分表
图4 试验加载示意
试验荷载-沉降曲线见图5。
在各级荷载作用
下,桩顶处芯桩与水泥土沉降差很小,芯桩带动水泥土共同工作,极限荷载(400kN作用下,表1与表2平均读数差值只有1154mm。
达到破坏荷载(500kN后,表1、表2读数差值为2154mm,即芯桩与水泥土界面未发生明显滑移,而在水泥土与桩周土接触面,桩体向下滑移达到25
16mm。
1-差值;2-水泥土;3-芯桩
图5 试验荷载-沉降曲线
试验结果表明,芯桩桩顶荷载作用下,水泥土与
芯桩共同工作,水泥土组合桩桩体发生相对于桩周土的明显的滑移,桩侧摩阻力充分发挥。
本次试验因为芯桩较短,芯桩底部水泥土由于强度低而被压坏,造成桩身强度破坏。
7
4水泥土组合桩室内试验研究———吴 迈,等
由于桩顶处荷载完全由芯桩承担,水泥土与芯桩桩侧阻力竖向分量和桩端阻力之和在数值上等于桩顶荷载值。
根据水泥土取芯进行无侧限抗压强度试验结果,芯桩桩端处水泥土强度约为0156MPa,据此估算芯桩桩端阻力值不会超过810kN。
在极限荷载作用下,芯桩桩侧阻力竖向分量值大于392kN。
而芯桩长度范围内水泥土无侧限抗压强度加权平均值约为fcu=0159MPa,芯桩桩侧单位面积上提供的竖向摩阻力值约为12512kPa,为fcu的01212倍,即摩阻比α为01212,大于室内试验所得的01194的结果,分析是由于芯桩具有一定锥度及随深度增加,桩周土对桩的侧阻力增大的结果。
4 结 论
1与混凝土相比,水泥土抗压强度低;达到峰值
应力时的应变约为混凝土的4~6倍,在同样应变
下,水泥土的应力值只有混凝土的几十分之一,芯桩承受大部分桩顶荷载的原因。
2室内试验和现场静载荷试验表明,混凝土芯和水泥土具有较好的共同工作特性。
芯桩可以将桩顶荷载有效的传递给水泥土,芯桩与水泥土之间的极限侧摩阻力值可以达到01194fcu以上,这一数值远远大于水泥土与桩周土之间的极限侧摩阻力值,据此我们可以合理地确定芯桩的设计参数。
参考文献
1
DB29-20-2000 岩土工程技术规范
2 刘景政,杨素春,钟冬波.地基处理与实例分析.北京:
中国建筑工
业出版社,1998
3 吴 迈.水泥土组合桩单桩竖向承载力试验研究:
[硕士学位论
文].天津:
河北工业大学,2001
4 吴 迈,,..岩土
(3
5 迈,,.水泥土组合桩承载力研究及设
2004,34(7:
40~43
(上接第29页
315 ,边跨柱的剪力都比相邻跨有所增大,特别是靠近剪力墙较多的1轴这一现象更为明显,图7为1轴的横向地震剪力与各轴平均剪力的比值。
在不同的地震波的作用下数值有所差别,但整个曲线的形状基本相似,表明结构的自身特性是对边跨的剪力增大系数的决定因素。
增大系数对于有缩进的楼层均在114以上,表明楼层缩进易遭受较大的扭转效应,该楼层设计应采用较大的边跨剪力增大系数,根据本文计算结果并考虑一定的安全度,建议取为115。
1-El;2-Taft;3-Ojma
图7 边柱剪力增大系数
结构变形最大处位于框排架部分靠近较多剪力
墙的一侧,也就是靠近刚心一侧的变形大于远离刚心一侧,这与采用刚性楼板假定的计算结果差异显
著。
根据国外的研究资料表明[5]
在纯框架结构中采用刚性和柔性楼板假定对结构的整体变形及构件的内力影响不大,而采用框架剪力墙结构中采用刚性楼板的假定计算存在显著的误差。
对该类结构进行空间分析时,应考虑楼板的变形及开洞对结构变形的影响。
4 结论与建议
1该厂房纵、横向刚度相差较大,整体结构的抗
扭刚度偏小,扭转效应显著,可满足50cmΠs2
地震作用而“小震不坏”。
2该类厂房质量、刚度分布较不均匀,主要的薄弱环节在横向框架结构体系。
横向结构的薄弱层并不在底层,由于存在二次楼层缩进,结构中可能的薄弱环节较多,应在设计中重视。
3对横向的框架柱的剪力进行分析,边跨柱的剪力都比相邻跨有所增大,特别是靠近剪力墙较多的1轴这一现象更为明显,这与刚性楼板假定计算的结构内力相反,表明结构的空间计算模型中适宜采用楼板柔性的计算模型。
4双向地震动输入对该类框排架结构性能的影响有待进一步研究。
参考文献
1 刘大海,杨翠如.厂房抗震设计.北京:
中国建筑工业出版社,1997.617~626
2 王广军.框排架厂房空间结构地震反应分析.工程抗震,1995(6:
14~19
3 白国良,吴 涛,等.大型火力发电厂钢筋混凝土框排架主厂房抗
震性能试验研究.西安建筑科技大学土木工程学院,2002.8~12
4 GB50011-2001 建筑抗震设计规范
5 JuSH,LinMC.ComparisionofBuildingAnalysesAssumingRigidor
FlexibleFloors.JournalofStructureEngineering,1999(1:
25~31
8
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