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上传者: 做梦的人2000 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《滚压成型灌注螺纹桩承载性能研究pdf》,可适用于经济金融领域,主题内容包含http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectur符等。

http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectural&EnvironmentalEngineeringJun.2011滚压成型灌注螺纹桩承载性能研究徐学燕于琳琳刘复孝(哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150090)收稿日期:20101118基金项目:国家自然科学基金项目(40571032)铁道部科技开发计划项目(2006G001B3)作者简介:徐学燕(1946)女教授博士生导师主要从事岩土工程、冻土工程方面的研究(Emai)lubote_2008@163.com。摘 要:采用静载荷试验及数值计算相结合的方法进行了螺纹桩承载性能的研究。分析了螺齿宽度、螺距等桩型参数对螺纹桩承载性能的影响对外径相同的直径桩与螺纹桩的承载性能进行了静载荷对比试验研究。螺纹桩单桩极限承载力较相同桩外径的直型桩极限承载力稍高螺齿宽度对螺纹桩的极限承载力影响非常明显随螺齿宽度的增加螺纹桩的极限承载力增大螺距对极限承载力影响也较为明显随螺距的减小螺纹桩的极限承载力增大。螺纹桩在低荷载水平下桩侧阻力沿桩身均匀发挥桩端阻力较小随荷载水平的增大桩端阻力大幅提高并提出螺纹桩承载力的计算公式。关键词:滚压成型灌注螺纹桩静载荷试验承载力桩型参数中图分类号:TU473.1  文献标志码:A  文章编号:16744764(2011)03001906犅犲犪狉犻狀犵犆犪狆犪犮犻狋狔犅犲犺犪狏犻狅狉狅犳犚狅犾犾犉狅狉犿犻狀犵犉犻犾犾犻狀犵犛犮狉犲狑犘犻犾犲犡犝犡狌犲狔犪狀犢犝犔犻狀犾犻狀犔犐犝犉狌狓犻犪狅(SchoolofCivilEngineeringHarbinInstituteofTechnologyHarbin150090P.R.China)犃犫狊狋狉犪犮狋:Bearingcapacitybehaviorofrollformingfillingscrewpile(screwpileforshort)isinvestigatedthroughnumericalcalculationandstaticloadtest.Theinfluenceofpiletypeparameterssuchaswidthofthreadtoothandthreadpitchontheultimatebearingcapacityofcrewpileisstudiedfurthermorethebearingcapacitybehaviorofscrewpileandthatofpilewiththesamediameterarecomparedandanalyzedthroughstaticloadtest.Theresultsshowthattheultimatebearingcapacityofscrewpileisabithigherthanthatofpilewiththesameoutsidediameterwidthofthreadtoothhasadistincteffectonultimatebearingcapacitywhichincreaseswiththeincrementofwidthofthreadtooth.Whenthescrewpileistestedunderlightloadtheresistanceonpilesideisdistributedalongscrewpileandtipresistanceissmallbuttheresistancerisesconsiderablywithloadincreasing.Besidesthedesignformulaofbearingcapacityofscrewpileisproposed.犓犲狔狑狅狉犱狊:rollformingfillingscrewpilestaticloadtestbearingcapacitypiletypeparameters  滚压成型灌注螺纹桩(简称螺纹桩)是一种特殊的异型桩以其单桩承载力高、节省工程材料、施工时无需护壁等优点是一种值得在工程中推广的新型桩基础形式[13]。螺纹桩综合了长螺旋灌注桩和钢纤维混凝土全螺纹预制桩的优点[45]因螺纹钻杆螺牙间的泥土取代了部分混凝土同桩径同桩长螺纹桩混凝土用量只有传统光面圆柱桩的60%~70%[69]。尽管螺纹桩已经应用于工程中但是对该桩的研究还很不成熟[1011]。当土体达到破坏极限时显然2个螺齿之间的土体也接近破坏此时桩侧阻力不再以侧摩阻力为主螺齿之间的土体被挤压剪切破坏[1214]因此针对这一问题本文主要进行如下方面的研究:利用ABAQUS对螺纹桩承载力性能进行模拟对不同桩型设计参数结果进行比较以得出合理的桩型设计参数并与静载荷试验进行比较根据螺纹桩现场静载荷试验数据、有限元模拟分析提出螺纹桩桩竖向承载力的计算公式和计算参数。1 竖向荷载下螺纹桩承载性能分析11 模型的建立  螺纹桩的模型尺寸与试验桩相同模型如图1http:qkscqueducn所示。模型中桩体混凝土材料的弹性模量高于土体几个数量级桩体的应变相对于土体是非常微小的因此在研究过程中将桩身钢筋混凝土材料视为弹性材料。由于工程采用的是C35混凝土故桩体材料也采用此种混凝土其参数参见《混凝土结构设计规范》(GB500102002)。桩周土体的材料特性采用MohrCoulomb本构模型根据工程地质资料有限元模拟的参数选取如下桩周土体材料参数:考虑土体的初始地应力并结合工程勘查资料取土体密度为:1.9g/cm3。土体材料塑性特征:土体的内摩擦角φ=14膨胀角取为0。土体材料的硬化特征:土的粘聚力犆=22kPa塑性应变值取0。径向计算域:取土体的径向尺寸为螺纹桩径向尺寸的10倍轴向计算域:在竖向荷载作用下桩底土体受影响的深度与桩径、土的性质有关根据工程经验影响范围在15~20d以内该文取15d[15]。12 桩身轴力分析桩身应力应变如图2所示可知:桩身的应力随着深度的增加而不断减少减少的部分正是桩侧阻力以及桩周螺纹齿挤压土体而提供的反力桩顶应力最大桩身的应力正是桩身轴力的体现。桩周螺纹齿挤压其下面的土体时螺纹齿由外边缘向内应力不断增加。从图2可见桩端部应变最大的地方发生在桩的最下端螺齿与桩身的连接点处。图1 模型图图2 桩身应力应变图沿桩身轴力的分析:在荷载为1004.8kN的低荷载水平时桩身轴力沿桩深分布曲线如图3所示。由低荷载水平的曲线可以看出螺纹桩在外荷载作用下桩顶轴力最大随着深度的增大桩身的轴力不断减小。桩底端轴力约为100kN占桩顶荷载总量的1/10桩端的应力为0.7~0.9MPa之间此图3 桩身轴力沿桩深分布曲线处的应力由桩端土体反力提供。如图3所示随着荷载水平的不断提高当桩顶施加1500kN时螺纹桩的桩侧阻力及桩端阻力同时在增大在桩身为5~8m处螺纹桩承力接近整桩承力的50%桩端阻力较低荷载水平下也有所增加桩端阻力约为160kN约占整桩承载力的1/9。随荷载水平继续增大当桩顶荷载为2200kN时此时桩顶位移为44.99mm即达到了位移极限。此时桩端阻力约为280kN桩端阻力约占总荷载的1/8即桩端应力达到了2MPa桩端土体达到了承力特征值。由以上分析可知螺纹桩在低荷载水平下桩侧阻力沿桩身均匀发挥桩端阻力较小随荷载水平的增大桩端阻力大幅提高桩侧阻力从桩端处开始大幅提高。桩端土体在高应力水平下发生较大的压缩变形桩体发生较大的沉降位移此时桩顶位移达到了沉降极限即荷载达到了极限荷载。2 桩型设计主要针对螺纹桩的螺齿厚度、螺齿宽度、螺齿间距以及螺纹桩内外直径进行了研究螺纹桩模型如图4所示。21 螺齿厚度的设计螺齿主要是将竖向荷载传递给齿底端面土体以此来增加桩侧的阻力提高桩的极限承载力。图4 螺纹桩的几何参数图螺齿的厚度主要根据螺齿的宽度来选择其尺寸并且保证螺齿在传力过程中能正常工作。利用02土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn宽厚比进行螺齿厚度的确定。螺齿的宽厚比应满足式(1):犽/犺tanα(1)式中:犽为螺齿宽度犺为螺齿厚度α为刚性基础台阶的宽厚比最小允许值即α=45综合施工以及安全因素在螺纹桩型设计时适宜取:犽/犺=1。22 螺齿宽度的设计螺齿宽度是影响螺纹桩承载力性能的最重要因素之一数值计算螺纹桩的桩型参数如表1。表1 螺纹桩桩型参数表桩型内径/mm螺距/mm宽厚比桩长/m螺齿宽度/mmA14007001850A24007001860A34007001870A44007001880A54007001890A640070018100在分析螺齿宽度对螺纹桩竖向承载力性能影响的同时计算了桩径为400mm、560mm的直型桩的极限承载力以此与螺纹桩承载力性能进行比较结果见图5。由图5中犘犛曲线可见螺齿宽度对螺纹桩极限承载力影响比较显著当螺齿宽度为50mm时(即A1桩型)螺纹桩的竖向极限承载力达1570kN较直径为400mm的直型桩的极限承载力提高了20%当螺纹桩螺齿宽度80mm时(即内径为400mm、外径为560mm的螺纹桩)其极限承载力达2150kN而同外径的直型桩极限承载力为1950kN其极限承载力较同外径的直型桩提高10%。当螺齿宽度为100mm时螺纹桩的极限承载力达到2500kN可知在其它参数相同条件下随螺纹桩螺齿宽度的增加螺纹桩的极限承载力也增大。因此在桩型设计时螺纹桩齿应尽量增大提高单桩的极限承载力得到更优的经济指标。图5 螺齿宽度对螺纹桩竖向极限承载力影响犘犛曲线23 螺距的设计螺距的尺寸直接影响着桩的承载力以及桩体材料用量螺距越混凝土用量越多螺距越大混凝土用量随之减少但螺纹桩的极限承载力也随之降低。螺距尺寸对螺纹桩极限承载力性能影响计算参数如表2所示。表2 螺纹桩桩型参数表桩型内径/mm螺齿宽度/k宽厚壁/(kh-1)桩长/m螺距/mmB14008018500B24008018600B34008018700B44008018800B54008018900B640080181000在分析螺距尺寸对螺纹桩竖向承载力性能影响的同时计算了桩径为400mm、560mm的直型桩的极限承载力以此与螺纹桩极限承载力性能进行比较结果见图6。图6 螺距尺寸对螺纹桩极限承载力影响的犘犛曲线由图6可见螺距的尺寸对单桩极限承载力影响不显著但对沉降位移影响比较明显。数值计算结果表明:桩径560mm的直型桩与螺纹桩在低应力水平下位移值相近直型桩在1950kN荷载作用下其位移37.5mm而不同螺距尺寸的螺纹桩在2000kN荷载作用下其桩顶位移分别为:27.28mm29.56mm、30.49mm、31.38mm、34.55mm、37.25mm当螺纹桩桩顶荷载继续增加至2250kN时螺纹桩的沉降位移分别为:35.71mm、39.02mm、40.45mm、42.02mm。由以上数据可见:桩径为560mm的直型桩与等外径螺距为1000mm的螺纹桩极限承载力相近随螺距的减小在相同桩顶荷载作用下螺纹桩的沉降位移逐渐减小螺纹桩的承载性能加强。由以上数据可知螺距在500~800mm时单桩的极限承载力较大在设计合理桩型尺寸时螺距在500~800mm较优综合考虑施工条件以及经济指标适宜选取螺距为600mm~700mm。24 螺纹桩内、外径的设计螺纹桩的内径首先应满足其自身的安全要求由于螺纹齿增加了单桩极限承载力但螺齿对于桩的抗压性能影响较小因此螺纹桩的设计应重视螺纹桩内径的设计而且要满足式(2)和式(3)的要求:12第3期徐学燕等:滚压成型灌注螺纹桩承载性能研究http:qkscqueducn对于轴心受压桩:犘maxφ(犃狆犳犮+犃狊犳狔)(2)式中:犳犮为混凝土轴心抗拉强度设计值犃狊为钢筋面积犳狔为钢筋抗拉强度设计值犘max为等效荷载基本组合时单桩竖向力设计值φ为工作条件系数(安全系数)犃狆为桩横截面面积(取内径面积)。对于轴心抗拉桩:犘maxφ犃狊犳狔(3)式中:犃狊为钢筋面积犳狔为钢筋抗压强度设计值φ为工作条件系数(安全系数)。可以根据以上公式来设计螺纹桩的内径尺寸、配筋及选用的混凝土标号。3 单桩竖向承载力特征值的确定31 桩端阻力特征值  螺纹桩端受力原理与普通桩相同螺纹桩承力公式中仍采用钻孔灌注桩的端承力特征值:犘犱=狇狆犽犃狆(4)其中:狇狆犽为桩端持力层端阻力特征值犃狆为螺纹桩桩端截面面积犃狆=π狉2(狉为桩内径)。32 桩侧阻力特征值由于螺纹桩桩身有螺齿与土体直接接触使得桩周土体的破坏机理与普通直型桩截然不同。螺纹桩在竖向荷载作用下产生竖向位移因此每周螺齿直接挤压剪切其下土体使桩周土体承载能力得到了充分的发挥从而提高了桩的极限承载力。桩周土体对桩螺齿的反力通过螺齿传递给桩体以平衡上部结构传递下来的荷载。螺纹桩侧承受阻力分为3部分:直桩侧阻力、螺齿外侧阻力、螺齿底端阻力。直桩侧阻力:螺纹桩在受力时螺齿挤压剪切其下土体使得土体产生压缩变形此时螺纹桩直桩段相对于桩周土体有相对移动的趋势由此产生了直桩段的桩侧阻力随应力水平的提高此段土体随螺纹桩同时产生竖向位移这时直桩侧阻力将发挥到最高值。螺齿外侧阻力:螺齿外侧阻力相当于普通直型桩的侧阻力随桩顶竖向荷载的施加桩体将相对于土体产生竖向相对位移此时螺齿外侧的土体对螺齿外侧产生侧阻力。螺齿底端阻力:螺纹桩在竖向荷载作用下桩体将产生竖向位移产生竖向位移的过程就是螺齿挤压其下土体的过程土体受到压缩将有反作用力作用于螺齿即螺齿端阻力。不同的桩型参数下的极限承载力曲线如图7所示。通过试验以及有限元数值计算的结果推荐螺纹桩承载力特征值计算采用公式(5):犚犪=狇狆犪犃狆+α狌狆狇狊犻犪犾犻(5)式中:α为桩侧阻力放大系数犪=-0.0044(犽2/犱)2+0.126(犽2/犱)+1犚犪为单桩竖向承载力特征值狇狆犪、狇狊犻犪为分别为桩端阻力特征值第犻层土桩侧阻力特征值犃狆为桩底端横截面面积犝狆为桩身周边长度犾犻为桩体穿过的第犻层岩土的厚度。图7 桩侧阻力系数拟合曲线4 外径相同直径桩与螺纹桩静载荷试验研究41 试桩内容现场测试试验根据《建筑桩基检测规范》(JGJ1062003)试验采用快速维持荷载法由电动液压千斤顶分级加载。主要试验内容为利用静载荷试验方法测各种桩的极限承载力。试验现场地质资料包括岩土名称、土质描述以及土的物理力学指标如表3和表4所示。表3 试验场地土层分布土层编号岩土名称土层描述1杂填土杂色由砖块粘土等组成2粉质粘土黄褐色、硬塑3粉质粘土黄褐色、可塑偏硬4粉质粘土黄褐色、可塑偏硬5粉质粘土黄褐色、褐黄色、黄色可塑6粉质粘土黄褐色、可塑偏硬7粉质粘土黄褐色、可塑8粉质粘土黄褐色、可塑偏软9粉质粘土黄褐色、可塑表4 土的物理力学指标层数层厚/m含水量狑/%孔隙比犲液性指数犐犔压缩模量犈犛内摩擦角Ф犳ak/(kPa)10.5~3.320.4~2.719.40.6300.146.7513.021030.6~5.924.10.7910.515.0219.415040.4~4.521.60.7240.356.3016.017022土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn续表4层数层厚/m含水量狑/%孔隙比犲液性指数犐犔压缩模量犈犛内摩擦角Ф犳ak/(kPa)50.5~7.323.50.7630.515.6011.415060.5~3.325.80.8040.684.5617.813570.7~8.123.80.7440.525.1919.516080.8-2.729.40.8080.813.6315.613590.4~7.123.20.6580.536.6711.2170  试验设备如表5所示。表5 试验设备设备名称型号编号量程静载荷测试分析仪RSM-JC05045千斤顶QW630Q01630t位移传感器MS-50W010~50mmMS-50W010~50mm试验桩的具体尺寸如表6。表6 静载荷试验桩情况桩型桩长/m桩径/mm根数普通直桩84003螺纹桩8内400、外5603普通直桩8560342 试桩结果第1组试验测试数据如表7。表7 桩径400的静载试桩结果表试验桩号桩径/mm桩长/m极限荷载/kNS140081200S240081400S3400813503根试验桩试验在同一试验场地桩型以及桩体材料均相同对比3根试验桩的试验结果可知此3根试验桩的犘犛曲线均为陡降型沉降曲线其承载力极限为陡降前一级荷载极限承载力均在1200kN~1400kN左右3根实验桩的曲线如图8。图8 桩径400犿犿的静载荷试验犘犛曲线第2组试验数据如表8所示螺纹桩的测试结果见图9。表8 螺纹桩的静载试桩结果表试验桩号桩径/mm螺距/mm桩长/m极限荷载/kNLW1内400、外56070082000LW2内400、外56070082000LW3内400、外56070082200图9 螺纹桩静载荷试验犘犛曲线由试验结果可见螺纹桩的犘犛曲线属于典型的缓变型通过分析犘犛曲线可知典型螺纹桩的试桩曲线大体分3个阶段:第1阶段桩身稍微压缩与土体紧密接触并与土体产生侧摩阻力表现为弹性阶段。第2阶段以摩阻力不断增加至极限桩端土层以受挤压变形为主桩侧土体出现塑性变形桩端土体表现为弹性。第3阶段表现为桩侧土体进入塑性状态桩端土体受挤压、剪切变形急剧发展此时桩端土体塑性变形较大桩沉降量急增。第3组静载试验检测数据如表9将该组试验所测得沉降与荷载绘制图10。表9 桩径560的试桩结果表试验桩号桩径/mm桩长/m极限荷载/kNA156082000A256082000A356081800第1组静载荷试验曲线(桩径为400mm的普通直型桩)均为陡降型曲线此类桩破坏比较明显属于刺入式破坏达到承载力极限时桩的位移将突然剧增如图8第2组静载荷试验曲线(螺纹桩)属于缓变型曲线此曲线没有明显的拐点桩的承载力极限根据沉降位移确定如图9第3组静载荷试验曲线(桩径为560mm的普通直型桩)属于陡降型曲线如图10但是其没有第1组陡降明显分析原因是直径大的桩端截面相对较大刺入式破坏难度较大。32第3期徐学燕等:滚压成型灌注螺纹桩承载性能研究http:qkscqueducn图10 桩径560犿犿的静载荷试验犘犛曲线5 结 论1)螺纹桩在低荷载水平下桩侧阻力沿桩身均匀发挥桩端阻力较小随荷载水平的增大桩端阻力大幅提高桩侧阻力从桩端处开始大幅提高随荷载水平继续增大桩端土体在高应力水平下发生较大的压缩变形桩体发生较大的沉降位移此时桩顶位移达到了沉降极限即荷载达到了极限荷载。2)螺纹桩单桩极限承载力较相同桩外径的直型桩极限承载力稍高螺齿宽度对螺纹桩的极限承载力影响非常明显随螺齿宽度的增加螺纹桩的极限承载力增大螺距对极限承载力影响也较为明显随螺距的减小螺纹桩的极限承载力增大。3)对数值计算的极限承载力结果进行数理统计得出了螺纹桩的竖向极限承载力公式。螺纹桩的极限承载力曲线属于缓变型曲线为其极限承载力的确定提供了理论依据。参考文献:[1]WEBBDL.Thebehaviorofboredpilesinweathereddiabase[J].GeotechniqueEng.197626:6372.[2]方崇张信贵彭桂皎.对新型螺杆灌注桩的受力特征与破坏性状的探讨[J].岩土工程技术200620(6):316319.  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