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支盤式錨桿靜壓樁成樁工藝及承載力分析

發布者:admin 發布時間:2017-12-19

余浪,劉瓊蓮,胡玉華

(昆明市政工程設計科學研究院有限公司,昆明,6501100

摘要:本文通過了理論分析、數值模擬、經驗公式驗算等方法對支盤式錨桿靜壓樁在過江隧道止沉工程中的應用進行了研究并得出了如下結論:

1)首次使用了支盤式錨桿靜壓樁這一新型樁型處理隧道下臥層軟基;詳細介紹了該樁的成樁工藝流程、壓漿機理并分析了其優缺點。

2)通過單樁模型分析,進一步證明支盤式錨桿靜壓樁相比于普通錨桿靜壓樁有承載力較大和沉降量較小的優點;并采用單一因素變量分析了不同土層參數對其承載性能的影響。

 

0引言:

本文所研究的支盤式錨桿靜壓樁結合了一般擠擴支盤樁和樁端后注漿樁的特點,即普通錨桿靜壓樁樁內預留PVCPolyvinylchlorid)管道,樁身樁端預留小孔,使用靜壓法施工后沿預留孔注漿形成樁身支盤和樁端擴大頭。支盤式錨桿靜壓樁在處理隧道軟基處理中的突出優點有能在狹小空間運用、能利用結構原有重量進行靜壓、有較高的可靠性,這對隧道安全是有重大的保證的。支盤式錨桿靜壓樁基礎在地鐵隧道縱向沉降處理中的應用研究,是非常有價值而且必要的。

魏歡研究了獨立基礎的承載性能,對錨桿靜壓樁擠土位移及卸土時單樁承載力進行了建模分析。詹金林通過對錨桿靜壓樁工法理論研究總和現場施工經驗總結,綜合提出減小錨桿靜壓樁擠土效應及附加沉降的方法。李韜對采用錨桿靜壓樁樁基處理的某爛尾樓工程進行了地基處理方案的優化,研究了施工后的樁土應力比及該基礎的安全性討論。

 

1支盤式錨桿靜壓樁簡介

1.1支盤式錨桿靜壓樁的成樁工藝

本文主要對隧道沉降進行處理研究,隧道內不適合開挖大孔徑灌注樁對隧道下臥層產生較大的擾動,且隧道已建成并通車,則采用的施工方法為錨桿靜壓法。選取的樁型為預制剛性管樁,為后壓入樁,無法使用擠擴的方法來形成樁身支盤,只能采用后壓漿技術。后壓漿形成的樁身支盤使其具備支盤樁的承載優勢,支盤增加了漿液對樁周土的填充性,提高樁土作用的可靠性;形成的單樁擴大頭可減小單樁對土層的刺入、減小后期沉降。

施工流程為:在已建隧道中,分節按錨桿靜壓施工方法一節一節壓入預制樁,該預制樁中心留有壓漿管道,管為PVC管,樁身距樁端3m6m處分別預留有對稱4孔,樁頂加壓壓漿,得到樁身支盤及樁端擴大頭,具體工序分為三個階段,第一個階段為將花管伸入到樁端采取滲透壓漿壓入混凝土漿液,在樁端和樁側形成漿液凝固的薄壁,這階段的樁端后壓漿一般可提高15%20%的樁基承載力;第二個階段為采用壓密壓漿的方法,混凝土漿液在樁端擠壓形成擴大頭;第三個階段為將花管提升到樁身預留孔處,反復進行壓密壓漿形成樁身混凝土支盤,最終能提升60%100%的樁身承載力。而支盤、擴大頭大小可由壓密壓漿機理分析(如圖1。

 

 

1  支盤式錨桿靜壓樁成樁流程圖

1.2 樁端(底)后壓漿機理

1)樁端后壓漿在樁底形成了一個穩定的混凝土擴大體,樁端的有效面積得到擴充,能減小樁端應力,從而減緩樁對土層的刺入,更好的利用樁端土的承載能力。后壓漿對土層也有壓密作用,從而進一步提升了樁的承載能力。

2)壓漿力相當于形成了預應反力,從而提升了樁的端阻力和摩阻力。

3)樁端后壓漿的漿液會沿著樁身向上上升一段距離,漿液增大了土體和樁的接觸,提升了側摩阻力。

4)在群樁基礎中采用后壓漿技術,相當于在群樁的樁端形成了一個土質堅硬的。在隧道底板下采用群樁基礎,群樁由于各基樁沉降值會有差異,導致群樁基礎沉降不均勻,而差異沉降和過大沉降是隧道整體的穩定性所不允許的,但樁端壓漿相當于人為地固化了樁端持力層并使其強度提高,最終樁基礎和隧道結構的共同沉降值更小并且均勻。

 

2.1.3 樁身(側)后壓漿機理

1)在樁身預留注漿孔,在預留孔周圍,采用反復壓密壓漿的方法,可形成盤狀的樁身混凝土支盤,支盤具備一定的端阻力,可增加樁的極限承載力。較之現有的樁側后壓漿技術有能提高樁身可靠性的優勢。 

2)樁側壓漿口上下一定范圍內,漿液會凝固形成一層薄膜,這層薄膜和樁身支盤及樁本身共同承擔樁所受荷載。不但使樁土接觸面更為粗糙緊密,并且“擴大”了樁身注漿口的有效截面積,同時新增了盤阻了和增大了側摩阻力。

 

1.3支盤式錨桿靜壓樁的優缺點

支盤式錨桿靜壓樁為錨桿靜壓樁采用后壓漿工藝而衍生的一種新型樁,融合了錨桿靜壓樁和支盤樁的許多優點,同時也存在著它的局限性。

通過反復后壓漿形成的樁身支盤和擴大頭,可提高漿液對樁周土的填充性、樁身受力更為明確、提升樁的整體可靠性。成樁工藝可以得到普遍的應用。最終形成的支盤式錨桿靜壓樁樁的單樁承載力很高,抗拔性好且更加穩定。樁身支盤受相當于嵌入了所在土層,能提高樁本身的剛度,抗拔性能也得到了較大的提升,樁的穩定性得到提升,提高樁的抗傾覆能力。

 相對而言,支盤式錨桿靜壓樁法是技術難度較大的一種施工方法,在隧道底板下施工時一定要經過多方的研究討論,施工期間的樁擠土效應和附加沉降也應納入考慮范圍,設計施工前應做好相應的準備。因為地層環境的復雜性,預留管道和小孔最后成盤以及擴大頭的形狀大小很難準確判斷,施工工藝比較復雜。支盤式錨桿靜壓樁的支盤、擴大頭直徑大小不能精準確定及承載力經驗公式不夠完善。

2支盤式錨桿靜壓樁單樁極限承載力有限元模擬

2.1單樁的有限元模擬

2.1.1定義單元類型和材料參數

樁、土體使用SOLID45實體單元模擬。使用TARGE170單元模擬樁身,使用CONTA173單元模擬樁周土柔性接觸?;炷恋膽?/span>應變關系采用理想的線彈性或者非線性彈性模型。土使用D-P材料。材料的參數如表1.

1  材料的參數表

材料

彈性模量E/MPa

泊松比υ

粘聚力KPa

重度γ

kg/m3

距地面距離m

樁土摩擦系數μ

混凝土

25000

0.17

/

2500

0-12

/

黏土

10

0.32

20

1850

0-6

0.5

粉質黏土

10

0.28

20

1900

-6-10.5

0.5

粉細砂

30

0.28

20

1850

-10.5~未揭穿

0.5

 

2.1.2實體模型建立

建立的幾何模型為典型軸對稱模型,豎向荷載施加在樁頂中點,故可簡化為1/4模型,模型土體的長寬高分別為2.5m,2.5m,30m。樁徑為300mm,樁長為12m,分別距樁頂3m,6m處設計2個承力盤,樁端設置擴大頭,支盤和樁底擴大頭直徑均為600mm。另外建立一普通靜壓錨桿樁(后文簡稱為等直徑樁),同等條件下,與支盤式錨桿靜壓樁(后文簡稱為支盤樁)做對比。模擬支盤式時,可以將支盤建立類似一個半環形,避免產生應力鋼化。

 

1                       11

2支盤樁及周圍土體幾何模型         3模型有限元網格劃分

 

2.2計算結果分析

2.2.1支盤樁和等直徑樁Q-S曲線分析

本章的支盤樁和等直徑樁1/4模型均從50kN的荷載開始,以每50kN為單位逐級加載研究兩種樁型的QS曲線特點,對比分析。

對圖2分析可知,支盤樁的Q-S曲線變化趨勢較緩,開始加載時,Q-S曲線為直線,說明側摩阻力正在發揮主要作用。隨著荷載水平的提高,樁頂位移不斷變大,變化速率緩慢增長,在樁頂位移到達40mm時,曲線并未表現出陡降趨勢,呈緩變型。取樁頂位移為40mm時,此刻施加的荷載為支盤樁的豎向極限承載荷載,即1900kN。

等直徑樁的Q-S曲線有明顯的兩個轉折點,加載初期樁頂位移和施加載荷也為一次函數關系,隨著荷載的增加,樁身側摩阻發揮完全,曲線斜率開始變大,當荷載增加到1050kN時,曲線出現陡降的趨勢,此此刻樁底下土層已經出現破壞狀態,該樁所受載荷即為等直徑樁的極限承載載荷。

對比支盤樁和等直徑樁的Q-S曲線,可以發現在同一荷載水平下,后注漿形成支盤和擴大頭能極大的減小樁身位移,且極限承載力比等直徑樁高出約81%,這也與有關文獻得到的結論是相似的。

 

4極限荷載下支盤樁Z方向位移圖

5極限荷載下支盤樁Z方向位移圖

6  Q-S曲線

2.2.2支盤式錨桿靜壓樁各部分應力分擔比分析

本文所研究的支盤式錨桿靜壓樁所受荷載由樁身側摩阻、上下支盤、樁端擴大頭一起承擔。將計算結果進行相關換算,即將支盤下層土、樁端下層土應力乘以支盤、樁端擴大頭等效面積,樁身單位側摩阻力乘以樁身有效面積。最終繪出圖3-10樁身各部分所分擔荷載百分比隨樁頂沉降變化圖。

7樁身各部分所占荷載百分比

對圖3分析可得,支盤式錨桿靜壓樁單樁各部分發揮作用具有時效性,在樁頂荷載很小時,側摩阻占絕大部分分擔比,上盤承載能力的發揮隨沉降的變化較為迅速,比下支盤承擔更多荷載,端阻承擔較小一部分荷載。隨著沉降的增大側摩阻力所占比例不斷較小,上下支盤及端阻力不斷增加,且下支盤增長速率大于上支盤,在加載后期,下支盤承擔的荷載已超過上支盤。而樁端一直保持著較為平穩的增長趨勢,說明其承載力并沒有完全的發揮。

極限荷載下端阻力超過了任何單個支盤的盤阻力,這也是支盤式錨桿靜壓樁這一新型樁區別于傳統支盤樁的地方,傳統的支盤樁樁端承擔荷載百分比始終低于單個支盤端阻。當樁頂施加到極限承荷載時,樁的端阻力(支盤阻力、樁端阻力合成為端阻力)占49%,側摩阻力占51%,從而驗證了支盤式錨桿靜壓樁屬于多支點端承樁;但支盤式錨桿靜壓樁側摩阻力仍占有超過50%的比例,一般擠擴支盤樁只占有30%左右,這是由于支盤式錨桿靜壓樁為預制樁后注漿形成,一般擠擴支盤樁為鉆孔灌注樁擠擴而成,預制樁為后壓入樁,樁土接觸更為緊密,側摩阻力更大。

3支盤式錨桿靜壓樁單樁承載力經驗公式推導

在通用經驗公式中,土的物理參數和樁的幾何參數可共同決定支盤樁的豎向單樁極限承載力,其包括三點:(1)側摩阻力;(2)盤阻力;(3)端阻力。本文研究的支盤式錨桿靜壓樁,支盤的存在導致樁身軸力圖與一般等直徑樁不同,會在盤所在位置發生較大折減,支盤的阻力作用顯著。開始施加樁頂荷載時,樁身上支盤會較早發揮作用,而樁端擴大頭作用發揮較為滯后,直至荷載增加大極限荷載,樁端承載力并未完全發揮,可作為一定的安全儲備。根據其受力特性,結合支盤及擴大頭所在土層強度參數和樁周土摩阻系數計算比較合理。

由《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)可得,普通承壓樁的單樁豎向承載力計算公式如下:

           2-4

式中: ——主樁樁桿周長;

——i層土有效厚度,m;

——樁側第i層土的極限側阻力標準值;

——樁端投影面積,m2;

——樁端所在土層的極限端阻力標準值;

根據大量實際工程項目中測得的數據及相關文獻的參考分析,對支盤式錨桿靜壓樁的力學特性作出如下總結:

 1、樁側反復后壓漿形成支盤后,對樁周土體摩阻力的發揮產生了影響,支盤樁第一個持力上部和最后一個持力盤下部的實際樁側摩阻力比預估的要高10%至50%,支盤所在土層的摩阻力發揮要減弱10%至30%。通常情況下,粉黏土的摩阻力能比砂土發揮的更加充分。

 2、支盤樁盤阻力實測值也比通常的盤阻力低上不少,因此經驗公式計算中需要在盤阻力前乘以一個“折減系數η。

綜上所述,建議在計算支盤樁的樁側極限摩阻力時,應該附加一個“側摩阻力發揮系數,這樣修正后的經驗公式會更加準確。建議兩個取值原則:(1)最上面一個持力盤以上土層,ξ=1.11.4;持力盤所在土層及持力盤間土層,=1.0;最下面一個持力盤以下土層,=1.01.20;(2在粉黏土中取較應較高,砂土中可取較小值。

以《支盤樁理論研究及工程運用》書中給出的支盤樁豎向承載力經驗計算公式為基礎,引入上文給出的“發揮系數及“盤阻折減系數,并通過分析研究后注漿形成擴大頭的管樁承載力特性,將該書中通用擠擴支盤樁抗壓承載力公式中樁端投影面積改為樁端擴大頭投影面積,通過大量實測數據,擴底管樁的樁端承載力在極限荷載下并未充分發揮靜壓,提出擴大樁端標準修正系數

概括提出關于帶擴大頭支盤樁的豎向極限承載力的通用計算公式2-5,式中側摩阻力“發揮系數”取值范圍是根據大量已成型支盤樁后期實測數據與預估數據比較得出;支盤阻力“折減系數”按《支盤樁理論研究及工程運用》書中規定取得;根據《擴底管樁承載性狀研究》文中確定擴大樁端標準修正系數,修正極限荷載下樁端承載力計算結果。該經驗公式用來驗證趨勢的一致性,需要進一步試驗檢驗及工程實踐完善。

        2-5

式中: ——主樁樁桿周長;

——當第i層土中設置支盤,樁穿越第i層土折減盤高的有效厚度, m;

——樁側第層土的極限側阻力標準值;

——樁側摩阻力發揮系數,按上文給出的兩點原則選??;

—— 盤底土層極限端阻力標準值修正系數;

——樁端擴大頭極限端阻力標準修正系數;

——樁端擴大頭投影面積,m2;

——盤除去樁身橫截面積的盤投影面積,m2;

——樁端所在土層的極限端阻力標準值;

——盤處土層的極限端阻力標準值;

1)普通錨桿靜壓樁的單樁承載力計算

根據表3-1的材料參數表,普通錨桿靜壓樁樁徑為300mm,樁長為12m,樁端持力層為硬質黏土。按本文公式2-4計算:

 

2)支盤式錨桿靜壓樁的單樁承載力計算

根據表3-1的材料參數表,支盤式錨桿靜壓樁樁徑為300mm,有效樁長12m,樁端持力層為硬質黏土。按本文公式2-5計算:

 

對比經驗公式得到的支盤式錨桿靜壓樁豎向極限承載值和ANSYS模擬結果處理而得的極限承載值可知,兩種方法計算的結果的誤差在2.1%左右,由此可以證明本次的模擬是合理的。

4土層參數對支盤式錨桿靜壓樁的影響分析

.4.1土的粘聚力和內摩擦角的影響

黏土的抗剪強度公式為,該公式表明,土的黏聚力c和內摩擦角決定了土的強度,而土的強度也直接影響了支盤式錨桿靜壓樁的承載能力。

4.1.1土黏聚力的影響

當只改變土的黏聚力大小,不改變土層其他參數及樁身參數時,對支盤式錨桿靜壓樁承載力的影響如圖4所示。

8  黏聚力對樁頂沉降的影響

3-11分析可知,土層其他參數及樁身參數不變時,樁頂位移隨著粘聚力的增加而減少,說明土黏聚力對樁頂位移及樁的承載性能有影響,不過這種影響力隨著土的黏聚力不斷變大而減弱。荷載在加到800kN之前,樁沉降和樁頂荷載呈線性關系,此時樁處于彈性變化階段,黏聚力的改變對Q-S曲線幾乎沒有影響。隨著荷載的不斷變大,黏聚力的增大減小了樁頂的位移,從而提高了樁的承載能力。

4.1.2土的內摩擦角影響

當只改變土的內摩擦角大小,不改變土層其他參數及樁身參數時,對支盤式錨桿靜壓樁承載力的影響如圖5所示。

9  內摩擦角對樁頂沉降的影響

土的內摩擦角的改變對樁Q-S曲線的影響在荷載施加初期就可以表現出來,內摩擦為10°,曲線表現為較為明顯的向下彎曲趨勢,這說明此時土的塑性形狀得到明顯的表現;隨著內摩擦角的不斷變大,曲線的彈性變化區間延長,彎曲的曲率變小,樁的承載力變高。當加載到1800kN時,內摩擦角由10°變化到50°,樁頂的沉降又由49.86mm減小至41.75mm。

4.2樁土接觸面系數的影響

實際工程中樁土間存在一定的相對滑動,在使用ANSYS模擬時,在樁土間設置接觸面,摩阻系數的大小反映了樁土之間粗糙程度,因為對樁的承載能力有著直接的影響。當只改變土的內摩阻系數大小,不改變土層其他參數及樁身參數時,對支盤式錨桿靜壓樁承載力的影響如圖3-13所示。

10  樁土摩擦系數對沉降的影響

通過對圖3-13分析得,摩阻系數的改變對荷載-沉降曲線的直線段就有較大影響,這是因為在加載初期,樁承載能力主要由樁的側摩阻力來體現,摩阻系數決定樁土接觸面的粗糙程度,對側摩阻力的大小有著決定性作用。摩阻系數不斷增大,樁頂位移一直減少,樁的承載性能得到了很大的提升。在1800kN的荷載作用下,不斷的增大摩阻系數,但是相鄰兩摩阻系數間沉降減小的程度不斷的減弱,這說明通過提高摩阻系數來增大樁承載能力是有限的,當摩阻系數增大到一定程度時,再來通過提高接觸面粗糙程度來提高樁的承載能力,效果不夠理想。

5結論

本文詳細介紹了該樁的幾何形式及成樁工藝流程并對比分析了其優缺點;簡略介紹了荷載傳遞理論,通過對大量文獻的閱讀研究及工程實測數據的分析,基于擠擴支盤樁的極限承載力公式推導出支盤式錨桿靜壓樁極限承載力的經驗公式。建立支盤式錨桿靜壓樁和普通錨桿靜壓樁的三維模型進行對比分析,分析其Q-S曲線及極限承載力。改變土層各個不同參數,分析了支盤式錨桿靜壓樁的承載能力。并使用支盤樁的極限承載力計算公式驗算,驗證ANSYS模擬支盤樁模型的合理性。得出如下結論:

1)支盤式錨桿靜壓樁相比于一般錨桿靜壓樁有承載力較大和沉降量較小的優點。

2)通過分析支盤式錨桿靜壓樁單樁模型,繪出樁身各部分承擔荷載占樁所受總荷載的百分比圖。極限荷載下,樁端阻力所占百分比高于任何單一支盤盤阻力,且端阻力百分比還在不停增加,樁端擴大頭仍具備一定的安全貯備,側摩阻所占百分比仍超過總荷載的50%。

3)樁頂位移隨著土的粘聚力的變大而減小,但這種影響力隨著黏聚力不斷增大而減弱。黏聚力的改變對Q-S曲線開始的彈性階段幾乎沒有影響。荷載水平的不斷增加,黏聚力的增大減小了樁頂的位移,提高了樁的承載能力。

4)土的內摩擦角的改變對樁的承載力影響在荷載施加初期就可以表現出來,當內摩擦很小時,曲線表現為較為明顯的向下彎曲趨勢,土的塑性形狀得到明顯的表現;內摩擦角的不斷變大,Q-S曲線的彈性變化區間延長,曲線彎曲曲率變小,樁的承載性能得到提升。

5)樁土摩阻系數 的改變對Q-S曲線的直線段就有較大的影響,隨著摩阻系數的增大,樁頂的沉降不斷減小,樁的承載能力提的了很大的提升。當摩阻系數增大到一定程度時,再來通過提高樁土間接觸的粗糙程度來提高樁的承載能力,效果不夠理想。

 

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