人工灌注桩在水平力作用下性能的试验研究.PDF

收稿日期 1997204216 第一作者男, 1960年生,副教授 3甘肃省自然科学基金资助项目 人工灌注桩在水平力作用下性能的试验研究3 朱彦鹏 王秀丽 张安疆 周茗如 宋 林厚秦 甘肃工业大学建筑工程系 730050 摘 要 针对黄土地基,通过人工灌注桩的水平静载试验,实测出人工灌注桩与地基 土共同作用时内力与变形情况,绘制了有关的试验结果曲线.为人工灌注桩理论分析 和强度设计提供了重要依据. 关键词 人工灌注桩 地基土 共同作用 水平承载力 试验 分类号 TU 470 众所周知,埋入土中的桩在水平荷载作用下,桩与土要共同工作 1 由于影响桩身内力的因 素很多,因此桩身受力相当复杂.对人工灌注桩与地基土共同工作的研究多采用水平静载试验 和理论分析两种方法,而水平静载试验更能反映桩身的实际受力情况.本文针对兰州地区湿陷 性黄土性质,通过对人工灌注桩的水平静载试验,实测出了人工灌注桩与地基土共同工作时的 受力情况,从而为人工灌注桩的内力和变形分析提供了可靠的依据,为桩身强度设计提供了更 安全更经济的方法. 1 试验 该试验在某住宅楼工地进行,试验取两根相同的人工灌注桩作为试桩,编号分别为HP1 和HP2,桩长24 m ,桩径0. 8 m;钢筋取1314,配筋率为014;混凝土设计强度等级为C15, 实际为C20[1]. 111 试验设计[2, 3] 111. 1 试验目的 1 采用接近于水平受力桩的实际工作条件,确定单桩的水平承载力 1 2 确定地基土水平抗力比例系数m1 3 桩身布置应变片,测定桩身纵筋应变值,实测出桩身应力变化,并计算出桩身弯矩分布 及土的侧压力分布. 4 计算出桩身变形曲线并与实测出的桩顶的水平位移相比较. 111. 2 试验装置 水平力采用油压千斤顶施加,并辅以BLR21型拉压力传感器,通过YJ25型静态电阻应变 仪和P20R25型预调平衡箱来控制水平力的大小. 水平位移用百分表和位移计同时量测,一般在同一水平面上设3个位移测点沿水平荷载 第24卷第1期 1998年3月 甘 肃 工 业 大 学 学 报 Journal of Gansu U niversity of Technology Vol . 24 No. 1 M ar. 1998 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ① 试验桩 ② 锚桩 ③ 钢垫块 ④ 千斤顶 ⑤ 传感器 ⑥ 百分表 ⑦ 位移计 图1 单桩水平静载试验装置图 施加方向在桩前及其两侧布置 , 测量位 移的同时可观测水平荷载是否对中. 钢筋应变用 7V 208数据采集系统 采集.试验装置如图1. 11113 钢筋笼测点设计 水平荷载作用下桩身弯矩最大值所 处的位置随桩长而变,但根据理论分析 和工程经验,一般都位于桩的上端,所以 钢筋笼上部是重点测试部位,应多设测 点,并在笼的两端布置适当数量的测点, 来测试桩内力和变形的分布规律.据此, 在整个钢筋笼上选择8个截面并设置了 80个测点. 该试验采用单向慢速维荷载法,每 级荷载施加后,恒载5 m in测读水平位 移,记录应变值,然后施加下一级荷载. HP1桩初始荷载增量 ∃F1 10 kN ,当水平力超过120 kN时,荷载增量变为 ∃F 5 kN; HP2桩荷载增量 ∃F2 10 kN.两桩浇灌,养护5 d后测试.浇 灌试桩时,为提高强度,混凝土中加入早强减水剂,并做混凝土试块,测出了混凝土的实际强 度. 本试桩为住宅楼工程桩,应依据桩顶水平位移、 应变值大小以及桩身变化来终止试验. 2 测试结果及分析 2. 1 桩顶水平位移 水平静载试验桩顶水平位移由百分表和位移计测得,实测桩顶水平位移值如表1所示,水 平力F02水平位移y0关系曲线如图2所示. 图2 F02y0曲线 图3 F0 2∃ y0 ∃ F0的曲线分布图 49甘肃工业大学学报 第24卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表1 实测桩顶水平位移 水平力 F0kN 水平位移y0mm HP1HP2 水平力 F0kN 水平位移y0mm HP1HP2 水平力 F0kN 水平位移y0mm HP1HP2 100. 050. 021003. 690. 251800. 92 200. 120. 041104. 340. 291901. 04 300. 220. 061205. 020. 332001. 17 400. 350. 081255. 112101. 32 500. 520. 111300. 362201. 49 600. 920. 131400. 402302. 12 701. 510. 151500. 482404. 42 802. 360. 181600. 61 903. 070. 221700. 80 2. 2 桩的水平临界荷载Fcr[4] 随着荷载的增加,受拉区混凝土逐渐退出工作,水平临界荷载便为桩身受拉区混凝土退出 工作前的最大荷载.其确定方法有 1 取F02y0曲线出现突变点的前一级荷载为Fcr ; 2 取F02 ∃y0 ∃ F0曲线第一直线段的终点所对应的荷载为Fcr ; 3 取F0 2Ρ s曲线第一突变点对应的荷载 为Fcr.F0 2∃ y0 ∃ F0值如表2所示,其关系曲线如图3所示. 表2 F0 2∃ y0 ∃ F0值 P0kN ∃y0 ∃ P0 HP1HP2 P0kN ∃y0 ∃ P0 HP1HP2 P0kN ∃y0 ∃ P0 HP1HP2 100. 0050. 0021000. 0620. 0031800. 012 200. 0070. 0021100. 0650. 0041900. 012 300. 0100. 0021200. 0680. 0042000. 013 400. 0130. 0021250. 0182100. 015 500. 0170. 0031300. 0032200. 017 600. 0400. 0021400. 0042300. 063 700. 0590. 0021500. 0082400. 230 800. 0850. 0031600. 013 900. 0710. 0041700. 019 这里,按上述方法综合确定出测试桩的水平临界荷载Fcr, HP1桩Fcr 50 kN , HP2桩Fcr 140 kN. HP1与HP2的Fcr相差较大,这主要是由于HP1周围完全是回填黄土,而HP2四周 土体为废弃游泳池的3∶7灰土池底,m系数相差较大所致. 2. 3 地基土水平抗力比例系数 依据试桩资料,可确定出地基土水平抗力比例系数,即 m Fcrxcr Λx 53 b0E I 23 式中 Fcr单桩水平临界荷载, kN xcr单桩水平临界荷载对应的位移 ,m Λx桩顶位移系数 b0桩身计算宽度 ,m E I桩身抗弯刚度, kNm 2 由上式可计算出试桩的地基土水平抗力比例系数值,如表3所示. 59第1期 朱彦鹏等人工灌注桩在水平力作用下性能的试验研究 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表3 地基中人工灌注桩的实测m值 桩号FcrkNxcrmmΛxb0mmMNm - 4 HP1500. 522. 4411. 53101. 6 HP21400. 402. 4411. 53874. 7 2. 4 桩身实测弯矩 在各级水平力作用下桩身实测弯矩值,可由实测钢筋应变值算出.根据钢筋实测应变值推 算桩身弯矩是个复杂的问题,应按桩身混凝土截面应变的变化情况分阶段来考虑. 2. 4. 1 桩身混凝土未开裂时 当桩身混凝土未开裂时,截面中性轴位置是确定的.实测拉压应变不等,主要是钢筋骨架 和桩身截面不是正圆,以及钢筋保护层厚度不均所致.混凝土未开裂时,截面中性轴偏离形心 轴的距离很小,近似认为中性轴与形心轴重合.此时,应力应变符合平截面假定,砼截面基本处 于弹性工作阶段,桩身截面弯矩由钢筋和混凝土共同承受. 2. 4. 2 桩身混凝土开裂时 随着荷载增加,拉应变最大处砼首先开裂,然后裂缝很快向中性轴方向发展,受拉区混凝 土逐步退出工作,截面弯矩主要由钢筋和受压区钢筋砼承担,因此这里讨论时不考虑受拉区裂 缝的发展过程,主要研究当受拉区混凝土全部退出工作后的桩身弯矩. 假定中性轴偏离形心轴的距离为a,根据截面应力分布状态,利用受力平衡条件可求出a 值,于是可确定出截面中性轴位置.这样,分别考虑受压区混凝土和拉、 压钢筋对中性轴的弯 矩,可计算出混凝土开裂后桩身截面的弯矩. 依据上述分析原理,由实测应变值推算出桩身实测弯矩值如表4所示,实测弯矩曲线分布 如图4所示. 表4 试桩实测弯矩值 深度hm 水平荷载F0kN HP2桩HP1桩 306090120140170200306090120 0. 7532. 967. 4119. 088. 592. 9101. 0109. 07. 817. 219. 576. 6 1. 6513. 538. 870. 9116. 0151. 03334. 277. 4146. 0153. 0 2. 1510. 824. 337. 252. 759. 075. 495. 512. 933. 935. 051. 9 2. 8013. 323. 334. 532. 950. 662. 266. 515. 142. 041. 747. 2 3. 809. 314. 619. 929. 835. 840. 045. 9341. 335. 93 4. 7510. 315. 419. 625. 226. 732. 234. 6311. 841. 98. 9 注3 为测点损坏或漂移而明显错误的值,故删除. 根据现场试验及资料整理的情况来看,由于部分测点损坏及数据处理误差等原因,表4中 弯矩实测值比桩身实际所承受的弯矩值要小. HP1桩在2. 15 m深度处实测值比2. 80 m处的 实测值偏小,并且在曲线分布的上下两端,其曲线弯曲方向有些异常,这主要是因为HP1桩曾 作为试桩HP2的锚桩使用,以至于HP1桩在测试之前已受到一个与试验荷载相反的力作用, 该力直接影响试验的测试数据,造成一定的误差. 从实测弯矩的分布曲线综合可见,桩身弯矩在桩的上部实测值较大,并且曲线的最大峰值 随水平荷载的增加而逐渐向下移动,弯矩在达到最大峰值之前增加较平缓,当超过最大峰值后 下降特别快,迅速趋近于零 1 从HP2桩实测弯矩值来看,在曲线的下端,各水平荷载作用时弯 69甘肃工业大学学报 第24卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. aHP1 bHP2 图4 桩身实测弯矩分布曲线 矩实测值变化不大 1 至于弯矩曲线第一反弯点的位置、 测点以下桩身弯矩的变化规律等问题, 由于桩身布置的测点数量有限,这里无法给出其实际的分布曲线和结论. 3 结论 1 从试验实测的弯矩分布曲线图可见,桩身上部受力较明显,而且随着水平荷载的增加, 弯矩最大峰值由桩上端沿桩身向下移动,峰值移动的范围与桩顶水平作用力的大小有关. 2 测试结果与文[5]的理论分析结果相近,比理论分析结果略小,故用文[5]计算桩的内 力比较安全. 参 考 文 献 1 建筑桩基技术规范JGJ9429.北京中国建筑工业出版社, 19951139～143 2 车宏亚.钢筋混凝土结构原理.天津天津大学出版社, 1990. 63～71 3 纳维G E.钢筋混凝土结构设计原理与计算 1 北京中国建筑工业出版社, 19891217～229 4 卢世深,林亚超.桩基础的计算和分析.人民交通出版社, 1997. 95～108 5 朱彦鹏,张安疆,王秀丽 . m 法求桩身内力和变形的幂级数解.甘肃工业大学学报, 1997, 233 71～82 Experi ment research for poured pile with the horizontal dead load Zhu Yanpeng,W ang X iuli,Zhang A njiang,Zhou M ing ru,S ong Yu,L in H ouqin Dept. of Civil Engineering. , Gansu U niv. of Tech. ,L anzhou 730050 Abstract In this paper, the horizontal dead load experi ments w ith poured piles w ere car2 ried out for the L anzhou Yellow soil foundation.Them2coefficient of the soil, the strength of the poured piles and the horizontal displacement of the pile up2w eremeasured. The sever2 al cures of relevent experi ment resultsw ere draw n. The experi ment results have the value of practical engineering. Key words poured piles, soil foundation, work together, horizonal load, experi ments 79第1期 朱彦鹏等人工灌注桩在水平力作用下性能的试验研究 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.